CN102944537B - 一种基于spr的检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电检测技术领域，提供了一种基于SPR的检测系统及其检测方法。该系统及方法将光谱扫描技术与角度检测技术或相位检测技术相结合，在利用角度检测技术或相位检测技术获得SPR共振角后，将阵列光源中对应位置的点光源点亮而将其它位置的点光源关闭，之后利用光谱扫描技术对点亮的点光源进行光谱扫描，获得最佳线性区的光谱位置，将该光谱位置的对应波长设置为光谱滤波器工作波长。该系统及方法通过光谱对SPR共振位置的改变，实现小角度高精度的连续扫描，充分利用了光源的谱宽，可避免阵列光源中密集的点光源排列和光源光谱的利用率低，有效解决阵列光源中点的密集程度与扫描角度之间的矛盾，因而可降低产品成本、简化工艺。

Description

一种基于SPR的检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，尤其涉及一种基于SPR的检测系统及其检测方法。

背景技术

表面等离子体共振(SurfacePlasmonResonance，SPR)现象是指，入射光在玻璃界面发生全反射时产生的倏逝波激发金属表面的自由电子，形成表面等离子体，产生等离子波，在一定条件下，倏逝波与等离子波发生共振，入射光的能量耦合到表面等离子体中，使得反射光能量明显衰减。该现象被应用在生物、医药、化学的检测领域，主要用于检测生物大分子间的相互作用，得到反应物分子间每一步的键合信息，测定动力学常数，具有灵敏度高、无需标记等优点。

公知地，目前的基于SPR的检测方法分主要有两类：一是以检测反射光的强度为基础的角度检测法；二是以检测反射光的相位为基础的相位检测法。这两类检测方法均需利用外界的机械装置对光源进行位置调制，精确度较差、操作繁琐，而且相位检测法的动态范围小或者灵敏度不一致。

为此，现有技术提出了一种基于SPR的检测系统，该系统采用阵列光源，将若干光源排列在透镜的焦平面上，并依序点亮，使得偏振光依序以不同角度照射到样品池的传感面上，实时记录从传感面反射的反射光强，获取SPR角度扫描曲线，该方式相对于传统的角度检测法，无需机械装置控制，检测精度高。

然而，现有的上述检测系统只利用了光源的位置分布，浪费了光谱能量，而且为了获得高精度SPR角度曲线，要求阵列光源中各点光源之间的间隔尽可能小，即需要非常密集的点光源排列，才能获得高精度的SPR角度扫描曲线，使得产品成本高、工艺复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SPR的检测系统，旨在解决现有基于SPR的检测系统中，阵列光源中的点光源排列密集，造成产品成本高、工艺复杂的问题。

本发明是这样实现的，一种基于SPR的检测系统，所述系统包括：

由若干点光源排列而成的阵列光源，用于产生传感光；

光学组件，用于对所述传感光准直后，获取偏振光，并使得所述偏振光入射到传感面；

控制器，用于控制各点光源依次点亮，使得各偏振光依次以不同角度照射到所述传感面；

面阵探测器，用于记录各点光源对应的干涉图像或所述偏振光经所述传感面后的反射光强度，获得SPR角度曲线，得到SPR共振角，并由所述控制器控制所述阵列光源中、所述SPR共振角对应位置的点光源点亮而其它位置点光源关闭；

光谱滤波器，设置在所述偏振光经所述传感面后的反射光光路上，用于对所述控制器点亮的点光源进行光谱扫描，获得最佳线性区的光谱位置，之后由所述控制器设置所述光谱位置的对应波长为所述光谱滤波器的工作波长。

本发明的另一目的在于提供一种如上所述的基于SPR的检测系统的检测方法，所述方法包括以下步骤：

控制器控制各点光源依次点亮，光学组件使得对应的各偏振光依次以不同角度照射到传感面，面阵探测器获取SPR角度扫描曲线，并从低角度分辨率的SPR角度曲线得到SPR共振角，控制器控制阵列光源中、所述SPR共振角对应位置的点光源点亮而其它位置点光源关闭；

光谱滤波器对点亮的点光源进行光谱精细扫描，实现SPR角度精细扫描，获得最佳线性区的光谱位置，控制器设置所述光谱位置的对应波长为光谱滤波器的工作波长；

在样品池中通入被测样品进行SPR信号记录，实时记录经传感面反射的反射光强度信息，提取出SPR光强度或相位，获得被测样品的性状。

本发明提供的基于SPR的检测系统及其检测方法是将光谱扫描技术与角度检测技术或相位检测技术相结合，在利用角度检测技术或相位检测技术获得低精度SPR共振角后，将阵列光源中对应位置的点光源点亮而将其它位置的点光源关闭，之后利用光谱扫描技术对该点光源进行光谱精细扫描，获得最佳线性区的光谱位置，将该光谱位置的对应波长设置为光谱滤波器工作波长。该系统及方法通过光谱对SPR共振位置的改变，实现小角度高精度的连续扫描，充分利用了光源的谱宽，避免了阵列光源中密集的点光源排列，解决了角度高分辨率与光源点阵密度之间的矛盾，因而可降低产品成本、简化工艺。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的基于SPR的检测系统的结构图；

图2是现有基于SPR的检测系统所得到的折射角与相位的关系图；

图3是本发明第二实施例提供的基于SPR的检测系统的结构图；

图4是本发明第二实施例中，折射角与相位关系的关系图；

图5是本发明提供的基于SPR的检测系统的检测方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供的基于SPR的检测系统是将光谱扫描技术与角度检测技术或相位检测技术相结合，在利用角度检测技术或相位检测技术获得低精度SPR共振角后，将阵列光源中对应点光源点亮而将其它点光源关闭，之后利用光谱扫描技术对该点光源进行光谱精细扫描，获得最佳线性区的光谱位置，将该光谱位置的对应波长设置为光谱滤波器工作波长。

具体而言，本发明提供的基于SPR的检测系统包括：由若干点光源排列而成的阵列光源，用于产生传感光；光学组件，用于对传感光准直后，获取偏振光，并使得偏振光入射到传感面；控制器，用于控制各点光源依次点亮，使得各偏振光依次以不同角度照射到传感面；面阵探测器，用于记录各点光源对应的干涉图像或偏振光经传感面后的反射光强度，获得SPR角度曲线，从SPR角度曲线得到SPR共振角，并由控制器控制阵列光源中对应位置点光源点亮而其它位置点光源关闭；光谱滤波器，该光谱滤波器设置在偏振光经传感面后的反射光光路上，用于对控制器点亮的点光源进行光谱扫描，获得最佳线性区的光谱位置，之后由控制器设置该光谱位置的对应波长为光谱滤波器的工作波长。

以下分别以光谱扫描技术与角度检测技术结合、以及光谱扫描技术与相位检测技术相结合为例，详细说明上述基于SPR的检测系统的构成及工作原理：

实施例一

图1示出了本发明第一实施例提供的基于SPR的检测系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明第一实施例相关的部分。

在本发明第一实施例中，基于SPR的检测系统包括：第一面阵探测器111；由若干点光源排列而成的第一阵列光源101，用于依次产生传感光；第一透镜102，用于依次对各传感光进行准直，并形成不同角度出射光，各点光源置于第一透镜102的焦平面上，与阵列点光源结合起到电控角度粗扫描功能；第一起偏器103，用于依次从第一透镜102准直后的传感光中获取各偏振光；第一棱镜104，用于接收第一起偏器获取的各偏振光，将各偏振光依次以不同角度照射到第一传感面105上，第一传感面105上放置有第一样品池106；第二透镜107，用于依次将经第一传感面105的反射光进行准直；第一检偏器108，用于依次从第二透镜107准直后的反射光中获取中偏振光；第三透镜110，用于将各反射光中的偏振光聚焦到第一面阵探测器111，由第一面阵探测器111获取SPR角度扫描曲线，并从SPR角度曲线得到SPR共振角；第一控制器112，用于控制点光源依次产生传感光，并控制第一阵列光源101中、SPR共振角对应位置的点光源点亮而其它位置点光源关闭；第一光谱滤波器109，用于对第一控制器112点亮的点光源进行光谱扫描，获得最佳线性区的光谱位置，之后由第一控制器112设置该光谱位置的对应波长为第一光谱滤波器109的工作波长。

其中，第一阵列光源101是阵列宽带光源，如线阵发光二极管、线阵光纤耦合的线阵发光二极管、带有电控开关的线阵光纤耦合的宽带光源等；第一传感面105是指SPR传感膜，如金膜、银膜等；第一光谱滤波器109采用可调滤光片，如液晶可调滤光片、可调F-P滤光片、单色仪等。

该系统在工作时，第一控制器112控制第一阵列光源101中各点光源依次产生传感光，传感光经第一透镜102准直后，第一起偏器103获取其中的各偏振光，各偏振光以不同角度从第一棱镜104的入射面入射并照射到第一传感面105的表面，用以与实现第一传感面105中等离子波形成共振；之后，第一面阵探测器111依次记录从第一传感面105反射回的偏振光的光强，获取SPR角度扫描曲线，得到SPR共振角；之后，第一控制器112控制SPR共振角对应的点光源点亮而其它点光源关闭，由第一光谱滤波器109对第一控制器112点亮的点光源进行光谱扫描，同时记录一系列对应的SPR光谱信息，获得最佳线性区的光谱位置；之后，第一控制器112将该光谱位置的对应波长设置为第一光谱滤波器109的工作波长，获得高精度的SPR最佳位置，而且整个测量范围都保证了最高灵敏度，而不会出现通常如图2所示中，光谱SPR技术灵敏度随波长改变而降低的问题。之后，向第一样品池106中通入被测样品，实时记录第一传感面105的SPR强度信息，获得整个第一传感面105上生物分析相互作用等信息。

实施例二

图3示出了本发明第二实施例提供的基于SPR的检测系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明第二实施例相关的部分。

在本发明第二实施例中，基于SPR的检测系统包括：第二面阵探测器222；由若干点光源排列而成的第二阵列光源201，用于依次产生传感光；第四透镜202，用于依次对各点光源依次产生的传感光进行准直，各点光源置于第四透镜202的焦平面上；第二起偏器203，用于依次从第四透镜202准直后的传感光中获取各偏振光；相位调制器204，用于依次对起偏器203获取的各偏振光进行调制；第二棱镜205，用于依次接收相位调制器204调制后的各偏振光，将调制后的各偏振光以不同角度照射到第二传感面206上，第二传感面206上放置有第二样品池207；第五透镜208，用于依次将经第二传感面206的反射光进行准直；第二检偏器209，用于依次从第五透镜208准直后的反射光中获取各偏振光；第六透镜221，用于将各反射光中的偏振光聚焦到第二面阵探测器222，由第二面阵探测器222获取SPR角度扫描曲线，并从SPR角度曲线得到SPR共振角；第二控制器223，用于控制第二阵列光源201中对应位置点光源点亮而其它位置点光源关闭；第二光谱滤波器220，用于对第二控制器223点亮的点光源进行光谱扫描，获得最佳线性区的光谱位置，之后由第二控制器223设置该光谱位置的对应波长为第二光谱滤波器220的工作波长。

同样地，第二阵列光源201是阵列宽带光源，如线阵发光二极管、线阵光纤耦合的线阵发光二极管、带有电控开关的线阵光纤耦合的宽带光源等；第二传感面206是指SPR传感膜，如金膜、银膜等；第二光谱滤波器220是可调滤光片，如液晶可调滤光片、可调F-P滤光片等。

该系统在工作时，第二控制器223控制第二阵列光源201中各点光源依次产生传感光，传感光经第四透镜202准直后，第二起偏器203获取其中的各偏振光，各偏振光经相位调制器204调制后，以不同角度从第二棱镜205的入射面入射并照射到第二传感面206的表面，用以与实现第二传感面206中等离子波形成共振；之后，第二面阵探测器222依次记录从第二传感面206反射回的偏振光，并解调提取相位，获取SPR角度扫描曲线，得到SPR共振角；之后，第二控制器223控制SPR共振角对应的点光源点亮而其它点光源关闭，由第二光谱滤波器220对第二控制器223点亮的点光源进行光谱扫描，同时记录一系列对应的SPR光谱信息，获得最佳线性区的光谱位置；之后，第二控制器223将该光谱位置的对应波长设置为第二光谱滤波器220的工作波长，获得高精度的SPR最佳位置，而且整个测量范围都保证了最高灵敏度(如图4所示)，而不像通常单纯光谱扫描的相位SPR技术灵敏度随波长改变而降低(如图2所示)。之后，向第二样品池207中通入被测样品，实时记录第二传感面206的SPR干涉图像，获得整个第二传感面206上生物分析相互作用等信息。

本发明提供了一种如上所述的基于SPR的检测系统的检测方法，如图5所示，包括以下步骤：

步骤S1：控制器控制各点光源依次点亮，光学组件使得对应的各偏振光依次以不同角度照射到传感面，面阵探测器获取SPR角度扫描曲线，并从低角度分辨率的SPR角度曲线得到SPR共振角，控制器控制阵列光源中、SPR共振角对应位置的点光源点亮而其它位置点光源关闭；

步骤S2：光谱滤波器对点亮的点光源进行光谱精细扫描，实现SPR角度精细扫描，获得最佳线性区的光谱位置，控制器设置该光谱位置的对应波长为光谱滤波器的工作波长；

步骤S3：在样品池中通入被测样品进行SPR信号记录，实时记录经传感面反射的反射光强度信息，提取出SPR光强度或相位，获得被测样品的性状。

本发明提供的基于SPR的检测系统及其检测方法是将光谱扫描技术与角度检测技术或相位检测技术相结合，在利用角度检测技术或相位检测技术获得低精度SPR共振角后，将阵列光源中对应位置的点光源点亮而将其它位置的点光源关闭，之后利用光谱扫描技术对该点光源进行光谱精细扫描，获得最佳线性区的光谱位置，将该光谱位置的对应波长设置为光谱滤波器工作波长。该系统及方法通过光谱对SPR共振位置的改变，实现小角度高精度的连续扫描，充分利用了光源的谱宽，避免了阵列光源中密集的点光源排列，解决了角度高分辨率与光源点阵密度之间的矛盾，因而可降低产品成本、简化工艺。另外，相对于现有的窄带光源SPR技术，可提高动态范围，消除激光散斑噪声；相对于现有的宽带光源SPR技术，提高了系统检测灵敏度，将角度、相位与光谱技术结合，能够在保证最大灵敏度条件下，获得最大的动态范围，即可覆盖整个SPR的范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来控制相关的硬件完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于SPR的检测系统，其特征在于，所述系统包括：

由若干点光源排列而成的阵列宽带光源，用于产生传感光；

光学组件，用于对所述传感光准直后，获取偏振光，并使得所述偏振光入射到传感面；

控制器，用于控制各点光源依次点亮，使得各偏振光依次以不同角度照射到所述传感面；

面阵探测器，用于记录各点光源对应的干涉图像或所述偏振光经所述传感面后的反射光强度，获得SPR角度曲线，得到SPR共振角，并由所述控制器控制所述阵列光源中、所述SPR共振角对应位置的点光源点亮而其它位置点光源关闭；

光谱滤波器，采用可调滤光片，设置在所述偏振光经所述传感面后的反射光光路上，用于对所述控制器点亮的点光源进行光谱扫描，同时记录一系列对应的SPR光谱信息，获得最佳线性区的光谱位置，之后由所述控制器设置所述光谱位置的对应波长为所述光谱滤波器的工作波长。

2.如权利要求1所述的基于SPR的检测系统，其特征在于，所述光学组件还包括：

第一透镜，用于依次对各所述点光源依次产生的所述传感光进行准直，并形成不同角度出射光，各点光源置于所述第一透镜的焦平面上，与阵列点光源结合起到电控角度粗扫描功能；

第一起偏器，用于依次从所述第一透镜准直后的所述传感光中获取各偏振光；

第一棱镜，用于接收所述第一起偏器获取的各偏振光，将各偏振光依次以不同角度照射到所述传感面上，所述传感面上放置有样品池；

第二透镜，用于依次将经所述传感面的反射光进行准直；

第一检偏器，用于依次从所述第二透镜准直后的反射光中获取各偏振光；

第三透镜，用于将各反射光中的所述偏振光聚焦到所述面阵探测器，由所述面阵探测器获取SPR角度扫描曲线，得到SPR共振角。

3.如权利要求1所述的基于SPR的检测系统，其特征在于，所述光学组件还包括：

第四透镜，用于依次对各所述点光源依次产生的所述传感光进行准直，各所述点光源置于所述第四透镜的焦平面上；

第二起偏器，用于依次从所述第四透镜准直后的所述传感光中获取各偏振光；

相位调制器，用于依次对所述起偏器获取的各偏振光进行调制；

第二棱镜，用于依次接收所述相位调制器调制后的各偏振光，将调制后的各偏振光以不同角度照射到所述传感面上，所述传感面上放置有样品池；

第五透镜，用于依次将经所述传感面的反射光进行准直；

第二检偏器，用于依次从所述第五透镜准直后的反射光中获取中各所述偏振光；

第六透镜，用于将各反射光中的所述偏振光聚焦到所述面阵探测器，由所述面阵探测器获取SPR角度扫描曲线，得到SPR共振角。

4.如权利要求2所述的基于SPR的检测系统，其特征在于，所述传感面是SPR传感膜。

5.如权利要求4所述的基于SPR的检测系统，其特征在于，所述SPR传感膜是金膜或银膜。

6.如权利要求1所述的基于SPR的检测系统，其特征在于，所述阵列宽带光源是线阵光纤耦合的线阵发光二极管或带有电控开关的线阵光纤耦合的宽带光源。

7.如权利要求1、2或3所述的基于SPR的检测系统，其特征在于，所述可调滤光片是液晶可调滤光片或可调F-P滤光片。

8.一种如权利要求1至3任一项所述的基于SPR的检测系统的检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

控制器控制各点光源依次点亮，光学组件使得对应的各偏振光依次以不同角度照射到传感面，面阵探测器获取SPR角度扫描曲线，并从低角度分辨率的SPR角度曲线得到SPR共振角，控制器控制阵列光源中、所述SPR共振角对应位置的点光源点亮而其它位置点光源关闭；

光谱滤波器对点亮的点光源进行光谱精细扫描，实现SPR角度精细扫描，获得最佳线性区的光谱位置，控制器设置所述光谱位置的对应波长为光谱滤波器的工作波长；

在样品池中通入被测样品进行SPR信号记录，实时记录经传感面反射的反射光强度信息，提取出SPR光强度或相位，获得被测样品的性状。