CN102721669A - 角度调制型和波长调制型相结合的多通道spr传感系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型的角度调制型和波长调制型相结合的多通道SPR传感系统及检测方法，本发明包括单色光激光器组，多孔单色光激光器转换装置，凸透镜，偏振片，SPR传感系统，进样系统，面阵电荷耦合元件（CCD）以及计算机组成。面阵CCD通过USB接口与计算机相连。本发明将角度调制型和波长调制型两种主要的SPR调制方式结合起来，大大提高了该发明的检测范围，无须任何转动，减少了因仪器转动等带来的误差，并通过多通道微量进样池以及面阵CCD和信号采集与处理系统软件的设计，实现了同时对多样品进行检测，并消除了温度带来的误差，从而使该SPR传感系统的精度大大提高。
Description
技术领域
本发明属于物理光学技术领域，特别是设计了一种将角度调制型和波长调制型有效结合起来使用的SPR生物传感器，可应用于环境监测，食品检测，生化等领域。
背景技术
表面等离子体共振（SPR）是一种物理光学现象，它是由入射光激发表面等离子体，从而产生表面等离子体波（SPW）而产生。
SPR传感器就是基于SPR原理研制的新型传感器。它的工作原理是：首先将反应物配体固定在传感器芯片表面，当含目标物的样品溶液通过芯片表面时，利用入射光激发，引发表面等离子体共振，芯片上的分子间相互作用将会导致强烈的表面等离子体吸收，在通过计算机实时采集处理信号，从而获得所需信息。
目前SPR调制方法分为：角度调制型，波长调制型，强度调制型，相位调制型四种。目前所研制成功的SPR仪器基本上只单独采用其中一种调制方法，使得SPR检测的范围比较小，不利于折射率出现较大变化时的测量。此外为克服温度带来的误差，普遍采用在SPR芯片表面设置恒温装置的方法，这大大增加了仪器的成本。
发明内容
本发明针对现有SPR仪器中的问题，提供了一种新型的角度调制型和波长调制型相结合的多通道SPR传感系统及检测方法，SPR传感系统，具有无机械运动，系统结构简单稳定性高，测量范围大，有效消除温度带来的误差等特点。
本发明包括单色光激光器组，多孔单色光激光器转换装置，凸透镜，偏振片，SPR传感系统，进样系统，面阵电荷耦合元件（CCD）以及计算机组成。面阵CCD通过USB接口与计算机相连。
SPR传感器包括棱镜框架，等腰梯形柱形棱镜，SPR芯片。棱镜为K9玻璃棱镜。SPR芯片镀在等腰梯形下边柱面上，镀有芯片的等腰梯形柱形棱镜，多通道微量进样池，多螺纹的贴片依次安置在棱镜框架中，通过左右对称的M3螺丝固定在框架中，依次紧密贴合起来。
进样系统由多通道微量进样池，多位阀，微量注射泵，回收装置，通过微细塑料管，微量注射泵，多位阀，多通道微量进样池，回收装置依次连接在一起，构成了一个完整的反应回路。
六孔单色光激光器转换装置是设计的一种安装单色光激光器的转换装置。分为前后两部分，后部为变压装置，可将普通电源（220v）转换为单色光激光器所需的稳压5v，前部为转换部分，每个孔中装有单色光发光装置，并可以随中间的圆柱形轴进行旋转，当到达特定部位时，发光装置与电源部分连接，发出固定波长的单色光。通过手动旋转，可发出六种不同波长的单色光：400nm,500nm,600nm,650nm,700nm,800nm。
由单色光激光器发出的平行光，在平行于凸透镜的主光轴的方向上依次经过偏振片，凸透镜，聚于焦点后发散，形成P偏振光，通过棱镜左表面以面阵的方式入射到SPR芯片，芯片表面从左到右，入射角度依次增大，在65°-78°之间，反射后由面阵CCD接收，并转化为电信号，并通过信号收集与处理系统对面阵CCD上各个部位传来的信号进行传输，处理，判断和存储。
多通道微量进样池，面阵CCD及信号收集与处理系统软件的设计，可同时实现对多个样品以及参照物体共振角的判断。通过转换入射光的波长，无须改变入射角即可大大提高检测范围，减少了因仪器转动带来的误差。
本发明将角度调制型和波长调制型两种主要的SPR调制方式结合起来，大大提高了该发明的检测范围，无须任何转动，减少了因仪器转动等带来的误差，并通过多通道微量进样池以及面阵CCD和信号采集与处理系统软件的设计，实现了同时对多样品进行检测，并消除了温度带来的误差，从而使该SPR传感系统的精度大大提高。
附图说明
图1：SPR传感系统的光路设计图；
图2：六孔激光器转换装置设计图；
图3：SPR传感器以及进样系统装置设计图；
图4：多通道微量进样池装置设计图。
具体实施方案
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明：
如图1所示，本发明系统包括光源系统（1），光路系统（偏振片2，凸透镜3），SPR传感器（4），进样系统，面阵电荷耦合元件（CCD）（5）以及计算机（6）组成。光源系统发出的单色平行光，在经过光路系统后变成面阵p偏振光，通过等腰梯形柱形棱镜左表面入射到SPR芯片表面，通过调整单色光激光器光圈的距离，可将入射光的面积刚好覆盖进样池，入射光与芯片表面形成从65°-78°连续的入射角，反射光由面阵CCD接收，转化为电信号，输出到计算机中，通过信号采集与处理系统对接收来的电信号进行传输，处理，判断和存储，得到待测物体的共振角。
根据面阵CCD的实际检测范围的大小。将面阵CCD置于反射光的光路上，并使得反射光的面积等于面阵CCD的实际检测范围，可得到SPR芯片所有部位反射光的光强。
如图2所示，光源系统包括发出不同波长的单色光激光器组和多孔激光器转换装置。本发明以6个单色光激光器和六孔激光器转换装置为例。选用的单色光激光器发光装置为半导体激光器，体积小，稳定性高，置于转换装置的孔中，通过旋转，到固定部位后与电源装置连接，发出光强稳定的单色光，选用的光为400-1100nm均匀分布的单色光。六孔激光器转换装置分为前后两部分，后部为变压和电源连接装置，可与常用电源（220v）连接并转换为单色光激光器所需的稳压5v，通过导线和前部的孔1位置设置的接电口相连，使处于孔1位置的激光器接通电源，发出稳定的单色光。前部为转换部分，分为圆形固定板，圆形转动板，圆柱形轴。固定板上装有与电源部分连接的接电口，起到固定转动板和圆柱形轴，连接电源的作用。圆形转动板置于固定板上，如图所示。均匀设置了6个孔，每个孔中固定于单色光发光装置，并可以随中间的圆柱形轴进行旋转，当到达特定部位（1）时，有定向结构的连接螺丝固定，使其不再发生转动，此时发光装置与后部的电源部分连接，在固定方向上发出固定波长的单色光。此外手动设置，方便简洁实用。
如图3所示SPR传感器以及进样系统装置设计图。将SPR芯片镀在等腰梯形柱形棱镜的下表面。将棱镜，多通道微量进样池，带螺纹贴片置于棱镜框架中，依次紧密贴合在一起，带螺纹贴片左右各有一个直径3mm打穿的小孔，并打有螺纹，可以通过左右对称的各一个M3螺丝上紧，这样就可以将棱镜，SPR芯片，多通道微量进样池，贴片牢牢固定在棱镜框架中，不会产生滑动，保证芯片和进样池紧密结合，不会损伤芯片。
多通道微量进样池（2）的进样口与多位阀（3）相连，右侧的出样口与废液缸连在一块，多位阀的进样口与微量注射泵（4）相连，由此构成一个完整的回路：待测样品和对照溶液经过微量注射泵，以设定流速通过多位阀，由各自的路径通过右侧进样孔流通到微型进样池内部，进行光强检测后，经过出样孔流入到回收装置中进行后续处理。
如图4所示为多通道微量进样池装置设计图。本发明以三通道微量进样池为例进行描述。如前面所述，照到SPR芯片表面的光为一面阵光，处于同一竖直面上的光的入射角相同，因此，将多通道微量进样池设计为上下三个平行的独立空间，每个空间都有各自独立的进样口和出样口，进样口均位于进样池的右下角，出样口位于左上角，这样的设计，使得待测溶液从右端进样口进入后慢慢充满将进样池中的空气排出，最后从左上角的出样口流出，充满整个进样池而不会产生气泡。如多通道微量进样池设计成竖直面平行独立相对应，面阵CCD以及信号采集与处理系统软件业根据进样池及反射光面积的大小，分成相互独立的三块，每块对应一个进样池，从而得到相互独立的反射光强数据，并对共振角做出判断，若共振角处于两端出现或未出现时，可通过转动六孔激光器转换装置，改变入射光的工作波长，从而得到清晰地共振角，实现了同时可检测多份样品的目的。
Claims (6)
1.一种角度调制型和波长调制型相结合的多通道SPR传感系统；其特征是包括单色光激光器组，多孔单色光激光器转换装置，凸透镜，偏振片，SPR传感系统，进样系统，面阵电荷耦合元件以及计算机组成；面阵CCD通过USB接口与计算机相连。
2.如权利要求1所述的系统，其特征是所述的SPR传感器包括棱镜框架，等腰梯形柱形棱镜，SPR芯片；棱镜为K9玻璃棱镜；SPR芯片镀在等腰梯形下边柱面上，镀有芯片的等腰梯形柱形棱镜，多通道微量进样池，多螺纹的贴片依次安置在棱镜框架中，通过左右对称的M3螺丝固定在框架中，依次紧密贴合起来。
3.如权利要求1所述的系统，其特征是所述的进样系统包括多通道微量进样池、多位阀、微量注射泵和回收装置，通过微细塑料管将微量注射泵、多位阀、多通道微量进样池、回收装置依次连接在一起，构成了一个完整的反应回路。
4.如权利要求1所述的系统，其特征是所述的单色光激光器转换装置为六孔单色光激光器转换装置，分为前后两部分，后部为变压装置，可将普通220v电源转换为单色光激光器所需的稳压5v，前部为转换部分，每个孔中装有单色光发光装置，并可以随中间的圆柱形轴进行旋转，当到达特定部位时，发光装置与电源部分连接，发出固定波长的单色光。通过手动旋转，可发出六种不同波长的单色光：400nm,500nm,600nm,650nm,700nm,800nm。
5.权利要求1的角度调制型和波长调制型相结合的多通道SPR传感系统检测方法，其特征是由单色光激光器发出的平行光，在平行于凸透镜的主光轴的方向上依次经过偏振片，凸透镜，聚于焦点后发散，形成P偏振光，通过棱镜左表面以面阵的方式入射到SPR芯片，芯片表面从左到右，入射角度依次增大，在65°-78°之间，反射后由面阵CCD接收，并转化为电信号，并通过信号收集与处理系统对面阵CCD上各个部位传来的信号进行传输，处理，判断和存储。
6.如权利要求5的方法，其特征是通过多通道微量进样池，面阵CCD及信号收集与处理系统软件的设计，同时实现对多个样品以及参照物体共振角的判断；通过转换入射光的波长，无须改变入射角即可大大提高检测范围，减少了因仪器转动带来的误差。
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