CN103389284A - 表面等离子体共振系统和其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光电检测技术领域，提供了一种表面等离子体共振系统和其检测方法，所述表面等离子体共振系统由探测光路和参考光路构成。本发明由探测光路获取不同窄带光波长下多组第一探测图像和第二探测图像。在此通过在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长后，推算出探测样品折射率变化，即为相位SPR高灵敏度检测。而该多组第一探测图像和第二探测图像均包含了SPR相位与光谱波长信息，在此通过光谱扫描即改变所述窄带光的波长，使其获得大的动态范围，这样既保证了表面等离子体共振系统动态范围大的应用要求，又保证了高的灵敏度。另外，本表面等离子体共振系统实现面探测，相比点探测而言，效率极高。

Description

表面等离子体共振系统和其检测方法

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，尤其涉及一种表面等离子体共振系统和其检测方法。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种新兴的传感技术，具有高的灵敏度、高通量、易于实现特异性检测和实时性，而且不需要标记等优点，已广泛应用到生物、医药、食品质量安全、化学和环境监测等行业，特别是在线实时检测DNA与蛋白质之间、蛋白质分子之间以及药物-蛋白质、核酸-核酸、抗原-抗体、受体-配体等生物分子之间的相互作用等。

目前，SPR技术主要有角度型SPR、光谱型SPR和相位型SPR，其中相位型SPR传感技术具有更高的灵敏度，但测量范围较小，限制了其广泛应用。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种表面等离子体共振系统，旨在解决现有表面等离子体共振系统测量范围较小的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种表面等离子体共振系统，包括：

宽带光源，用于产生宽带光；

可调滤光器，用于过滤所述宽带光，使之成为窄带光；

起偏器，用于从所述窄带光中获取偏振光；

光调制器，用于改变所述偏振光空间上相位分布，使之成为调制偏振光；

分束器，用于将所述调制偏振光分为探测光和参考光；

设有样品池的棱镜，用于接收所述探测光，使其投射至传感面，形成面照明；

第一检偏器，其偏振方向与所述起偏器的偏振方向垂直，并与所述光调制器配合对所述探测光进行周期性调制；

成像机构，用于记录经所述传感面反射的探测光强分布，形成探测图像；

第二检偏器，其偏振方向与所述起偏器的偏振方向垂直，并与所述光调制器配合对所述参考光进行周期性调制；

光电探测器，用于将所述参考光转换为参考电信号；以及

计算机，用于采集分析所述探测图像和参考电信号，并控制所述可调滤光器和光调制器。

本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述表面等离子体共振系统进行检测的方法，所述方法包括以下步骤：

点亮所述宽带光源，将第一探测样品注入所述样品池，由所述成像机构在所述探测光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一组第一探测图像；

改变所述窄带光的波长，所述窄带光的波长每改变一次，即由所述成像机构获取一组第一探测图像，由此获得多组第一探测图像；

将第二探测样品注入所述样品池，使其与所述第一探测样品反应，由所述成像机构在所述探测光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一组第二探测图像；

使所述窄带光的波长及其变化情况与探测样品反应前相同，由此获得多组第二探测图像；

在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长，以此推算出所述第一探测样品或第二探测样品在所述传感面各探测点的折射率变化量Δn′，从而获知各探测点所述第一探测样品与第二探测样品反应前后性状变化情况。

本发明实施例先产生宽带光，从该宽带光中获取窄带光，又从该窄带光中获取偏振光并使之成为调制偏振光，接着将该调制偏振光分为探测光和参考光，使所述探测光投射至棱镜的传感面，记录经所述传感面反射的探测光强分布，形成探测图像。在探测光一个调制周期内，成像机构以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一组探测图像，该一组探测图像中同一像素所记录的光强随时间变化形成一条曲线，而探测图像具有多个像素，即可形成多条曲线，各曲线包含了SPR相位信息，由此提取各曲线的相位，再结合光电探测器生成的参考电信号，最后计算出各曲线与参考电信号的相位差，此相位差的变化反映了探测样品的折射率变化。

测试时，先点亮宽带光源，将第一探测样品注入样品池，由所述成像机构在所述探测光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一组第一探测图像；多次改变所述窄带光的波长，所述窄带光的波长每改变一次，即由所述成像机构获取一组第一探测图像，由此获得多组第一探测图像；接着，将第二探测样品注入所述样品池，使其与所述第一探测样品反应，由所述成像机构在所述探测光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一组第二探测图像；同时，使所述窄带光的波长及其变化情况与探测样品反应前相同，由此获得多组第二探测图像；然后，在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长，以此推算出所述第一探测样品或第二探测样品在所述传感面各探测点的折射率变化量Δn′，从而获知各探测点所述第一探测样品与第二探测样品反应前后性状变化情况。此处测量大范围的折射率变化系通过在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长后推算获得，即为相位SPR高灵敏度检测。而多组第一探测图像和第二探测图像均包含了SPR相位与光谱波长信息，在此通过光谱扫描即改变所述窄带光的波长，使其获得大的动态范围，这样既保证了表面等离子体共振系统动态范围大的应用要求，又保证了高的灵敏度。另外，本表面等离子体共振系统实现面探测，相比点探测而言，效率极高。

附图说明

图1是本发明实施例提供的表面等离子体共振系统的结构图；

图2是空间光调制信号的波形图；

图3是不同相位的探测光与参考光的波形图；

图4是传感面上某一探测点在探测光入射角一定、不同波长下SPR相位曲线。

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。

本发明实施例先产生宽带光，从该宽带光中获取窄带光，又从该窄带光中获取偏振光并使之成为调制偏振光，接着将该调制偏振光分为探测光和参考光，使所述探测光投射至棱镜的传感面，记录经所述传感面反射的探测光强分布，形成探测图像。在探测光一个调制周期内，成像机构以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一组探测图像，该一组探测图像中同一像素所记录的光强随时间变化形成一条曲线，而探测图像具有多个像素，即可形成多条曲线，各曲线包含了SPR相位信息，由此可提取各曲线的相位，再结合光电探测器生成的参考电信号，最后计算出各曲线与参考电信号的相位差，此相位差的变化反映了探测样品的折射率变化。

测试时，先点亮宽带光源，将第一探测样品注入样品池，由所述成像机构在所述探测光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一组第一探测图像；多次改变所述窄带光的波长，所述窄带光的波长每改变一次，即由所述成像机构获取一组第一探测图像，由此获得多组第一探测图像；接着，将第二探测样品注入所述样品池，使其与所述第一探测样品反应，由所述成像机构在所述探测光一个调制周期内，以等时间间隔的方式获取一组第二探测图像；同时，使所述窄带光的波长及其变化情况与探测样品反应前相同，由此获得多组第二探测图像；然后在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长，以此推算出所述第一探测样品或第二探测样品在所述传感面各探测点的折射率变化量Δn′，从而获知各探测点所述第一探测样品与第二探测样品反应前后性状变化情况。此处测量大范围的折射率变化系通过在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长后推算获得，此即相位SPR高灵敏度检测。而多组第一探测图像和第二探测图像均包含了SPR相位与光谱波长信息，在此通过光谱扫描即改变所述窄带光的波长，使其获得大的动态范围，这样既保证了表面等离子体共振系统动态范围大的应用要求，又保证了高的灵敏度。另外，本表面等离子体共振系统实现面探测，相比点探测而言，效率极高。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的表面等离子体共振系统由探测光路和参考光路构成。所述探测光路包括宽带光源1、可调滤光器3、起偏器4、光调制器5、分束器6、设有样品池9的棱镜7、第一检偏器10以及成像机构。所述参考光路包括宽带光源1、可调滤光器3、起偏器4、光调制器5、分束器6、第二检偏器14以及光电探测器15。

其中，所述宽带光源1、可调滤光器3、起偏器4、光调制器5以及分束器6为探测光路和参考光路共用。此处所述宽带光源1为准直宽带光源，其由宽带光源1(如LED、白光光源等)经非球面透镜2(如准直透镜或透镜组)形成。在此先由可调滤光器3过滤所述宽带光源1产生的宽带光，使之成为窄带光。接着由起偏器4从所述窄带光中获取本实施例所需的偏振光。然后由光调制器5改变所述偏振光空间上相位分布，使之成为调制偏振光。最后由分束器6将所述调制偏振光分为探测光和参考光。具体地，所述调制偏振光经所述分束器6部分反射形成所述参考光，经所述分束器6部分透射形成所述探测光。下面分别对所述探测光路和参考光路进行详细说明。

在所述探测光路中，先由设有样品池9的棱镜7接收所述探测光，使其投射至传感面8，形成面照明。经所述传感面8反射的探测光投射至第一检偏器10，所述第一检偏器10的偏振方向与前述起偏器4的偏振方向垂直，并与所述光调制器5配合对所述探测光进行周期性调制。接着由成像机构记录经所述传感面8反射的探测光强分布，形成探测图像。此处所述成像机构包括沿光轴依次设置的第二透镜11、第三透镜12以及面阵探测器13(如CCD、CMOS等)，所述第二透镜11与第三透镜12构成成像透镜组。

在所述参考光路中，先由第二检偏器14接收上述参考光，所述第二检偏器14的偏振方向与前述起偏器4的偏振方向垂直，并与所述光调制器5配合对所述参考光进行周期性调制。接着由光电探测器15(如PIN、光电池等)将所述参考光转换为参考电信号，然后由数据采集卡16对所述参考电信号进行采集。

通常，由计算机17采集分析上述探测图像和参考电信号，并控制所述可调滤光器3和光调制器5。其中，所述可调滤光器3用于改变所述窄带光的波长，其可以是液晶可调滤光片、可调FP腔、单色仪等任何可调滤波功能的器件。所述光调制器5对所述偏振光进行周期性调制，使之成为调制偏振光。所述计算机17一般输出正弦或余弦空间光调制信号至所述光调制器5，使某一个调制周期内多幅探测图像中同一像素所记录的光强曲线为正弦或余弦曲线，如图2、3所示。此外，所述计算机17还可使正弦或余弦空间光调制信号经由数据采集卡16输出至所述光调制器5。

上述探测图像为三维图像，其中二维为位置信息，即所述探测图像各像素位置信息，所述探测图像各像素位置与面阵探测器各像素位置、传感面各探测点位置一一对应；另一维为相位信息，即探测光相对于参考光的相位变化(亦即SPR相位)。在探测光一个调制周期内，面阵探测器13以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一组探测图像，该一组探测图像中同一像素所记录的光强随时间变化形成一条曲线，而面阵探测器13具有多个像素，即可形成多条曲线，各曲线包含了SPR相位信息，由此提取各曲线的相位，再结合光电探测器15生成的参考电信号即正弦或余弦参考信号，最后计算出各曲线与参考电信号的相位差，此相位差的变化反映了探测样品的折射率变化。

采用上述系统进行检测时，先点亮宽带光源1，将第一探测样品注入样品池9，由所述成像机构在所述探测光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一组第一探测图像；通过可调滤光器3改变所述窄带光的波长，所述窄带光的波长每改变一次，即由所述成像机构获取一组第一探测图像，由此获得多组第一探测图像；接着，将第二探测样品注入所述样品池9，使其与所述第一探测样品反应，由所述成像机构在所述探测光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一组第二探测图像；同时使所述窄带光的波长及其变化情况与探测样品反应前相同，由此获得多组第二探测图像；然后在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找所述传感面8各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长，以此推算出所述第一探测样品或第二探测样品在所述传感面8各探测点的折射率变化量Δn′，从而获知各探测点所述第一探测样品与第二探测样品反应前后性状变化情况。由此可知，此处测量大范围的折射率变化系通过在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长后推算获得的，此即相位SPR高灵敏度检测。而多组第一探测图像和第二探测图像均包含了SPR相位与光谱波长信息，在此通过光谱扫描即改变所述窄带光的波长，使其获得大的动态范围，这样既保证了表面等离子体共振系统动态范围大的应用要求，又保证了高的灵敏度。

换言之，在入射角度不变的条件下，随着波长的变化，SPR共振位置也相应发生变化，即波长增大，SPR共振点将向折射率增大的方向移动。因此，通过波长扫描，可以实现共振位置扫描，也就是在很大的折射率范围内都能够通过改变波长实现共振点扫描，即增加了折射率的测量范围。更为重要的是，波长不是通常SPR技术所采取的固定值，无论折射率变化多大，始终可以保证存在一个最佳的光谱波长产生最佳的SPR现象。理论上其动态范围可以做到无限的大，实际中受到光源谱宽限制。另外，本表面等离子体共振系统实现面探测，相比点探测而言，效率极高。

上述在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长的步骤具体为：

依序提取各窄带光波长下，所述第一探测图像各像素所对应探测光的相位，并与所述参考光的相位比较，计算出所述第一探测图像各像素所对应探测光的相位与所述参考光的相位的差，将此相位差记为所述第一探测样品与第二探测样品反应前的初始相位；

依序提取各窄带光波长下，所述第二探测图像各像素所对应探测光的相位，并与所述参考光的相位比较，计算出所述第二探测图像各像素所对应探测光的相位与所述参考光的相位的差，将此相位差记为所述第一探测样品与第二探测样品反应后的变化相位；

依序计算各窄带光波长下，所述第一探测图像和第二探测图像中各相应像素的初始相位与变化相位的差，将此相位差记为所述第一探测样品与第二探测样品反应前后的作用相位，选取所述作用相位绝对值最大所对应的窄带光波长，此即探测图像中该像素所对应传感面探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长，由此获得所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长。

例如，所述传感面某一探测点在波长为λ₁的探测光作用下，探测样品反应的初始相位为50°，反应后的变化相位为80°，则探测样品反应前后的作用相位为30°，即探测样品反应前后相位变化了30°。在波长为λ₂的探测光作用下，探测样品反应的初始相位为40°，反应后的变化相位为100°，则探测样品反应前后的作用相位为60°，即探测样品反应前后相位变化了60°。在波长为λ₃的探测光作用下，探测样品反应的初始相位为45°，反应后的变化相位为102°，则探测样品反应前后的作用相位为57°，即探测样品反应前后相位变化了57°。此时选取探测样品反应前后相位变化最大的探测光波长λ₂作为有效相位SPR信号，即探测样品反应前后相位变化60°为有效SPR相位变化。

同理，对所述传感面另一探测点在波长为λ₁的探测光作用下，探测样品反应的初始相位为20°，反应后的变化相位为62°，则探测样品反应前后的作用相位为42°，即探测样品反应前后相位变化了42°。在波长为λ₂的探测光作用下，探测样品反应的初始相位为45°，反应后的变化相位为110°，则探测样品反应前后的作用相位为65°，即探测样品反应前后相位变化了65°。在波长为λ₃的探测光作用下，探测样品反应的初始相位为25°，反应后的变化相位为102°，则探测样品反应前后的作用相位为77°，即探测样品反应前后相位变化了77°。此时选取探测样品反应前后相位变化最大的探测光波长λ₃作为有效相位SPR信号，即探测样品反应前后相位变化77°为有效SPR相位变化。以此类推，可以获得所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长。应当理解，所述探测光波长即为窄带光波长。

本发明实施例根据相位型SPR的相移公式作出入射角度一定、波长不同的SPR相位曲线，如图4所示。此处相位型SPR的相移公式为：

$\widetilde{r_p}=\frac{r_{01}+r_{12}{e}^{2i{k}_{1z}d}}{1+r_{01}\·r_{12}{e}^{2i{k}_{1z}d}}---\left(1\right)$

$r_{i,i+1}=\frac{X_i-X_{i+1}}{X_i+X_{i+1}},i=\mathrm{0,1}---\left(2\right)$

$X_j=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_j}{k_{\mathrm{jz}}}---\left(3\right)$

$k_{\mathrm{jz}}=\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_j-{\mathrm{\ϵ}}_0{\sin }^2\mathrm{\θ}},j=\mathrm{0,1,2}---\left(4\right)$

其中，

为反射系数，r_i，i+1(i＝0，1)为界面反射系数，d为金属膜的厚度，ω为入射光的角频率，c为真空中的光速，ε_j(j＝0，1，2)分别为棱镜、金属膜和电介质的介电常数，k_jz(j＝0，1，2)分别为棱镜、金属膜和电介质的波矢，θ为光波在入射媒质中的入射角，

为光波相位。

本发明实施例可由入射角度一定、波长不同的SPR相位曲线推算出所述第一探测样品或第二探测样品在所述传感面各探测点的折射率变化量Δn′。例如，在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找出所述传感面探测点M产生SPR现象最佳的窄带光波长系λ₁，此时可由窄带光波长λ₁所对应的SPR相位曲线推算出所述第一探测样品或第二探测样品于所述传感面探测点M的折射率变化量Δn′。又如，在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找出所述传感面探测点N产生SPR现象最佳的窄带光波长系λ₂，此时可由窄带光波长λ₂所对应的SPR相位曲线推算出所述第一探测样品或第二探测样品于所述传感面探测点N的折射率变化量Δn′。当然，若第一探测样品为DNA，则第二探测样品为蛋白质；若第一探测样品为抗原，则第二探测样品为抗体。

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 (10)

1.一种表面等离子体共振系统，其特征在于，所述系统包括：

宽带光源，用于产生宽带光；

可调滤光器，用于过滤所述宽带光，使之成为窄带光；

起偏器，用于从所述窄带光中获取偏振光；

光调制器，用于改变所述偏振光空间上相位分布，使之成为调制偏振光；

分束器，用于将所述调制偏振光分为探测光和参考光；

设有样品池的棱镜，用于接收所述探测光，使其投射至传感面，形成面照明；

第一检偏器，其偏振方向与所述起偏器的偏振方向垂直，并与所述光调制器配合对所述探测光进行周期性调制；

成像机构，用于记录经所述传感面反射的探测光强分布，形成探测图像；

第二检偏器，其偏振方向与所述起偏器的偏振方向垂直，并与所述光调制器配合对所述参考光进行周期性调制；

光电探测器，用于将所述参考光转换为参考电信号；以及

计算机，用于采集分析所述探测图像和参考电信号，并控制所述可调滤光器和光调制器。

2.如权利要求1所述的表面等离子体共振系统，其特征在于，所述计算机输出正弦或余弦空间光调制信号至所述光调制器。

3.如权利要求1或2所述的表面等离子体共振系统，其特征在于，所述宽带光源与可调滤光器之间设将所述宽带光调整为平行光的第一透镜。

4.如权利要求3所述的表面等离子体共振系统，其特征在于，所述成像机构包括沿光轴依次设置的第二透镜、第三透镜以及面阵探测器。

5.如权利要求2所述的表面等离子体共振系统，其特征在于，所述计算机经由数据采集卡对所述参考电信号进行采集。

6.如权利要求1或2所述的表面等离子体共振系统，其特征在于，所述调制偏振光经所述分束器部分反射形成所述参考光，所述调制偏振光经所述分束器部分透射形成所述探测光。

7.如权利要求6所述的表面等离子体共振系统，其特征在于，所述宽带光源与可调滤光器之间设将所述宽带光调整为平行光的第一透镜。

8.一种采用如权利要求1所述的表面等离子体共振系统进行检测的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

点亮所述宽带光源，将第一探测样品注入所述样品池，由所述成像机构在所述探测光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一组第一探测图像；

改变所述窄带光的波长，所述窄带光的波长每改变一次，即由所述成像机构获取一组第一探测图像，由此获得多组第一探测图像；

将第二探测样品注入所述样品池，使其与所述第一探测样品反应，由所述成像机构在所述探测光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一组第二探测图像；

使所述窄带光的波长及其变化情况与探测样品反应前相同，由此获得多组第二探测图像；

在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长，以此推算出所述第一探测样品或第二探测样品在所述传感面各探测点的折射率变化量Δn′，从而获知各探测点所述第一探测样品与第二探测样品反应前后性状变化情况。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在多组第一探测图像和第二探测图像中寻找所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长的步骤具体为：

依序提取各窄带光波长下，所述第一探测图像各像素所对应探测光的相位，并与所述参考光的相位比较，计算出所述第一探测图像各像素所对应探测光的相位与所述参考光的相位的差，将此相位差记为所述第一探测样品与第二探测样品反应前的初始相位；

依序提取各窄带光波长下，所述第二探测图像各像素所对应探测光的相位，并与所述参考光的相位比较，计算出所述第二探测图像各像素所对应探测光的相位与所述参考光的相位的差，将此相位差记为所述第一探测样品与第二探测样品反应后的变化相位；

依序计算各窄带光波长下，所述第一探测图像和第二探测图像中各相应像素的初始相位与变化相位的差，将此相位差记为所述第一探测样品与第二探测样品反应前后的作用相位，选取所述作用相位绝对值最大所对应的窄带光波长，此即探测图像中该像素所对应传感面探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长，由此获得所述传感面各探测点产生SPR现象最佳的窄带光波长。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，由入射角度一定、波长不同的SPR相位曲线推算出所述第一探测样品或第二探测样品在所述传感面各探测点的折射率变化量Δn′。

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