CN103389285A - 表面等离子体共振系统及其检测方法 - 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及其检测方法，所述表面等离子体共振系统由探测光路和参考光路构成。本发明经探测光路形成了包含SPR相位、入射角信息和波长信息的三维探测图像。测试时，先后获取探测样品反应前后的第一探测图像和第二探测图像。然后在所述第一探测图像和第二探测图像中寻找产生SPR现象最佳的像素，以此推算出所述第一探测样品或第二探测样品的折射率变化量Δn′，此即相位SPR高灵敏度检测，而所述第一探测图像和第二探测图像是SPR相位、入射角度与光谱波长的三维图像，其动态范围大，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。

Description

表面等离子体共振系统及其检测方法

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，尤其涉及一种表面等离子体共振系统及其检测方法。

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技术具有更高的灵敏度，但动态范围小，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动态范围小的问题。

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：

线光源；

起偏器，用于从所述线光源中获取偏振光；

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；

会聚元件，用于使所述探测光会聚成一点；

设有样品池的棱镜，用于接收所述探测光，使其会聚点位于传感膜；

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；

色散元件，用于分解所述探测光，使之形成光谱；

面阵探测器，用于记录所述光谱的强度，以形成入射角度和光谱波长同时分辨的探测图像；

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：

点亮所述线光源，将第一探测样品注入所述样品池，由所述面阵探测器在所述调制偏振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，获取一系列入射角度和光谱波长同时分辨的第一探测图像；

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，由所述面阵探测器在所述调制偏振光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一系列入射角度和光谱波长同时分辨的第二探测图像；

在所述第一探测图像和第二探测图像中寻找产生SPR现象最佳的像素，以此推算出所述第一探测样品或第二探测样品的折射率变化量Δn′，从而获知所述第一探测样品与第二探测样品之间的相互作用。

本发明实施例先从线光源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，使探测光会聚于棱镜的传感膜，此时的探测光同时包含了入射角度信息和光谱波长信息，从棱镜出射的探测光色散后所形成光谱的强度由面阵探测器记录，形成入射角度和光谱波长同时分辨的探测图像。由此形成的探测图像为三维图像，其中一维包含角度信息，即面阵探测器在平行于线光源方向上各像素代表不同的光线入射角；另一维包含波长信息，即面阵探测器在垂直于线光源方向(亦为光谱方向)上各像素代表不同的光线波长；另一维包含相位信息，即探测光相对于参考光的相位变化(亦为SPR相位)。在调制偏振光一个调制周期内，面阵探测器以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一系列探测图像，该一系列图像中同一位置像素所记录的光强随时间变化形成一条曲线，面阵探测器具有多个像素，即可形成多条曲线，各曲线包含了SPR相位信息，经过计算获得各曲线的相位，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，此相位差的变化即反映了探测样品的折射率变化。

测试时，先点亮所述线光源，将第一探测样品注入所述样品池，由所述面阵探测器在所述调制偏振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，获取一系列入射角度和光谱波长同时分辨的第一探测图像。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，由所述面阵探测器在所述调制偏振光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一系列入射角度和光谱波长同时分辨的第二探测图像。然后在所述第一探测图像和第二探测图像中寻找产生SPR现象最佳的像素，以此推算出所述第一探测样品或第二探测样品的折射率变化量Δn′，从而获知所述第一探测样品与第二探测样品之间的相互作用。在此测量大范围的折射率变化通过在所述第一探测图像和第二探测图像中寻找产生SPR现象最佳的像素，此即相位SPR高灵敏度检测，而所述第一探测图像和第二探测图像是SPR相位、入射角度与光谱波长的三维图像，其动态范围大，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。

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是在不同入射角和波长下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。

本发明实施例先从线光源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，使探测光会聚于棱镜的传感膜，此时的探测光同时包含了入射角度信息和光谱波长信息，从棱镜出射的探测光色散后所形成光谱的强度由面阵探测器记录，形成入射角度和光谱波长同时分辨的探测图像。由此形成的探测图像为三维图像，其中一维包含角度信息，即面阵探测器在平行于线光源方向上各像素代表不同的光线入射角；另一维包含波长信息，即面阵探测器在垂直于线光源方向(亦为光谱方向)上各像素代表不同的光线波长；另一维包含相位信息，即探测光相对于参考光的相位变化(亦为SPR相位)。在调制偏振光一个调制周期内，面阵探测器以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一系列探测图像，该一系列图像中同一位置像素所记录的光强随时间变化形成一条曲线，面阵探测器具有多个像素，即可形成多条曲线，各曲线包含了SPR相位信息，经过计算获得各曲线的相位，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，此相位差的变化即反映了探测样品的折射率变化。

测试时，先点亮所述线光源，将第一探测样品注入所述样品池，由所述面阵探测器在所述调制偏振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，获取一系列入射角度和光谱波长同时分辨的第一探测图像。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，由所述面阵探测器在所述调制偏振光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一系列入射角度和光谱波长同时分辨的第二探测图像。然后在所述第一探测图像和第二探测图像中寻找产生SPR现象最佳的像素，以此推算出所述第一探测样品或第二探测样品的折射率变化量Δn′，从而获知所述第一探测样品与第二探测样品之间的相互作用。在此测量大范围的折射率变化通过在所述第一探测图像和第二探测图像中寻找产生SPR现象最佳的像素，此即相位SPR高灵敏度检测，而所述第一探测图像和第二探测图像是SPR相位、入射角度与光谱波长的三维图像，其动态范围大，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。

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。所述探测光路包括线光源1、起偏器2、光调制器3、分束器4、会聚元件5、设有样品池60的棱镜6、第一检偏器7、色散元件8以及面阵探测器9。所述参考光路包括线光源1、起偏器2、光调制器3、分束器4、第二检偏器10以及光电探测器11。

其中，所述线光源1、起偏器2、光调制器3以及分束器4为探测光路和参考光路共用。此处所述线光源1为准直线光源，其由宽带光源12(如LED、白光光源等)经非球面透镜13(如准直透镜)和狭缝14形成。在此由起偏器2从所述线光源1中获取本实施例所需的偏振光。由光调制器3改变所述偏振光空间上相位分布，使之成为调制偏振光。由分束器4将所述调制偏振光分为探测光和参考光。下面分别对所述探测光路和参考光路进行详细说明。

本发明实施例由会聚元件5接收上述探测光，所述会聚元件5为使探测光会聚成一点的第一柱面镜。在此由设有样品池60的棱镜6接收所述探测光，并使其会聚点位于传感膜61，此时的探测光包含了入射角度信息和光谱波长信息。经所述传感膜61反射的探测光投射至第一检偏器7，所述第一检偏器7的偏振方向与前述起偏器2的偏振方向垂直，并与所述光调制器3配合对所述探测光进行周期性调制。经所述棱镜6、第一检偏器7出射的探测光为线状探测光。此时探测光投射至色散元件8(如棱镜、光栅等)，由所述色散元件8分解所述探测光，使之形成光谱。最后由面阵探测器9(如CCD、CMOS等)记录所述光谱的强度，从而形成入射角度和光谱波长同时分辨的探测图像。

由此形成的探测图像为三维图像，其中一维包含角度信息，即面阵探测器9在平行于线光源方向上各像素代表不同的光线入射角；另一维包含波长信息，即面阵探测器9在垂直于线光源方向(亦为光谱方向)上各像素代表不同的光线波长；另一维包含相位信息，即探测光相对于参考光的相位变化(亦为SPR相位)。在调制偏振光一个调制周期内，面阵探测器9以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一系列探测图像，该一系列图像中同一像素所记录的光强随时间变化形成一条曲线，面阵探测器9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，经过计算能够获得各曲线的相位，再结合光电探测器11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，此相位差的变化即反映了探测样品的折射率变化。

本发明实施例先由第二检偏器10接收上述参考光，所述第二检偏器10的偏振方向与前述起偏器2的偏振方向垂直，并与所述光调制器3配合对所述参考光进行周期性调制。再由光电探测器11(如PIN、光电池等)将所述参考光转换为参考电信号，通常由数据采集卡15对所述参考电信号进行采集。

本发明实施例由计算机16采集分析上述探测图像和参考电信号，并控制所述光调制器3，使其对所述偏振光进行周期性调制。所述计算机16一般输出正弦或余弦空间光调制信号至所述光调制器3，使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。此处所述计算机16还可使正弦或余弦空间光调制信号经由数据采集卡15输出至所述光调制器3。

因从棱镜6出射的探测光束较宽，而现有面阵探测器9的探测面积较小。于所述棱镜6与第一检偏器7之间设将所述探测光缩至与面阵探测器9相适应大小的缩束装置17。此处所述缩束装置17由沿光轴依次设置的第二柱面镜18、第三柱面镜19及准直透镜20构成。

本发明实施例中所述调制偏振光经所述分束器4部分反射形成所述参考光，所述调制偏振光经所述分束器4部分透射形成所述探测光。所述色散元件为色散棱镜8，经所述第一检偏器7出射的探测光平行于所述色散棱镜的底面81。

综上所述，由于在平行线光源方向上每个象素对应不同入射角，因此可以得到各个入射角处的相位变化；同时，由于在垂直于线光源方向上每个象素对应不同波长，因此可以得到各个波长处的相位变化。综合入射角与波长信息，可以获得最佳入射角和波长处SPR相位信息，该处SPR信息最为灵敏。也就是说，通过角度、波长和相位三个变量，构成一幅合成三维图像，X轴为角度(或波长)、Y轴为波长(或者角度)、Z轴为探测光相对于参考光的相位变化(即SPR相位)。当样品折射率变化时，在三维图中存在相位变化最大的位置(此处用像素表示)，通过该像素所对应探测光的相位变化可以计算出探测样品的折射率变化。因此本发明实施例具有大的动态范围，更为重要的是，波长和入射角度不是通常SPR技术所采取的固定值，而是在一个大的范围内同时并行宽的入射角度和光谱波长分辨探测，无论折射率变化多大，始终可以保证存在一个最佳的入射角度和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，实际中受到柱面镜会聚光线的角度和光源谱宽限制。

采用上述系统检测时，先点亮所述线光源，将第一探测样品注入所述样品池，由所述面阵探测器在所述调制偏振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，获取一系列入射角度和光谱波长同时分辨的第一探测图像。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，由所述面阵探测器在所述调制偏振光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一系列入射角度和光谱波长同时分辨的第二探测图像。然后在所述第一探测图像和第二探测图像中寻找产生SPR现象最佳的像素，以此推算出所述第一探测样品或第二探测样品的折射率变化量Δn′，从而获知所述第一探测样品与第二探测样品之间的相互作用。

在所述第一探测图像和第二探测图像中寻找产生SPR现象最佳的像素的步骤具体为：提取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；提取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；计算出所述第一探测图像和第二探测图像中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像素，此即所述第一探测图像和第二探测图像中产生SPR现象最佳的像素。

此处所述面阵探测器9的像素可用λ、θ表示，其中λ表示投射于该像素的光线波长，θ表示投射于该像素的光线入射到传感膜时的入射角度表示。例如，面阵探测器9上第一像素可用λ₁、θ₁表示，第二像素可用λ₂、θ₂表示，第三像素可用λ₃、θ₃表示，...。应当理解，面阵探测器9的像素与探测图像的像素一一对应。

本发明实施例根据相位型SPR的相移公式作出不同角度和波长下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。

本发明实施例可由不同入射角和波长下SPR相位曲线推算出所述第一探测样品或第二探测样品的折射率变化量Δn′。例如，在所述第一探测图像和第二探测图像中寻找出产生SPR现象最佳的像素为面阵探测器9的第一像素(λ₁、θ₁)，此时可由第一像素(λ₁、θ₁)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的折射率变化量Δn′。又如，在所述第一探测图像和第二探测图像中寻找出产生SPR现象最佳的像素为面阵探测器9的第三像素(λ₃、θ₃)，此时可由第三像素(λ₃、θ₃)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：

线光源；

起偏器，用于从所述线光源中获取偏振光；

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；

会聚元件，用于使所述探测光会聚成一点；

设有样品池的棱镜，用于接收所述探测光，使其会聚点位于传感膜；

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；

色散元件，用于分解所述探测光，使之形成光谱；

面阵探测器，用于记录所述光谱的强度，以形成入射角度和光谱波长同时分辨的探测图像；

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，所述线光源为准直线光源，所述会聚元件为第一柱面镜；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，所述棱镜与第一检偏器之间设将所述探测光缩至与面阵探测器相适应大小的缩束装置。

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，所述缩束装置由沿光轴依次设置的第二柱面镜、第三柱面镜及准直透镜构成。

5.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，所述色散元件为色散棱镜或光栅，经所述第一检偏器出射的探测光平行于所述色散棱镜的底面。

6.如权利要求2所述的表面等离子体共振系统，其特征在于，所述计算机使空间光调制信号经由数据采集卡输出至所述光调制器，并由所述数据采集卡对所述参考电信号进行采集。

7.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。

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：

点亮所述线光源，将第一探测样品注入所述样品池，由所述面阵探测器在所述调制偏振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，获取一系列入射角度和光谱波长同时分辨的第一探测图像；

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，由所述面阵探测器在所述调制偏振光一个调制周期内，以等时间间隔或者不等时间间隔的方式获取一系列入射角度和光谱波长同时分辨的第二探测图像；

在所述第一探测图像和第二探测图像中寻找产生SPR现象最佳的像素，以此推算出所述第一探测样品或第二探测样品的折射率变化量Δn′，从而获知所述第一探测样品与第二探测样品之间的相互作用。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述在所述第一探测图像和第二探测图像中寻找产生SPR现象最佳的像素的步骤具体为：

提取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；

提取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；

计算出所述第一探测图像和第二探测图像中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像素，此即所述第一探测图像和第二探测图像中产生SPR现象最佳的像素。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，由不同入射角和波长下SPR相位曲线推算出所述第一探测样品或第二探测样品的折射率变化量Δn′。

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