CN104849237A - 基于波长调制spr的折射率测量装置 - Google Patents

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单旭晨
高来勖
兰国强
王艺桥
李希双
刘书钢
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Abstract

基于波长调制SPR的折射率测量装置，涉及镀金属膜的介质折射率测量技术。它为了解决采用棱镜系统的折射率测量技术分辨率低的问题。本发明包括宽带光源、缩束透镜组和显微物镜，所述宽带光源发出的光经缩束透镜组缩束后入射至显微物镜，并经该显微物镜聚焦到待测样品的表面，经该表面反射的光束经过显微物镜出射，采用光谱仪和迈克尔逊干涉仪测量出射光在显微物镜的后焦面处的光信息，得到待测样品表面一个点的折射率，移动显微物镜，对待测样品表面进行扫描，可得到整个表面的折射率分布情况，进而还原待测样品的表面材质分布情况。本发明的折射率测量精度能够达到10－7，适用于镀金属膜的介质的折射率测量。

Description

基于波长调制SPR的折射率测量装置
技术领域
本发明涉及镀金属膜的介质折射率测量技术。
背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonace，SPR)是光波与金属表面电子相互作用引起的一种物理光学现象。它利用了金属/介质界面处发生全反射时渗透到金属薄膜中的倏逝波激发金属薄膜中的自由电子产生等离子体波。当入射角、波长或相位取某一适当值时，表面等离子体波和倏逝波的频率和波数相等，从而发生共振，入射光被强烈吸收，在反射光谱上出现反射强度最低值。附着在金属表面介质的折射率变化会影响共振峰的位置(共振角度、共振波长或共振相位)。基于此技术的传感器具有灵敏度高、检测速度快、样品消耗量少、生物样品无需标记、无损伤等优点，广泛应用于表面检测、生化免疫分析、药物筛选和环境监测等领域，已经成为测量金属/介质界面结构的高灵敏度的光学技术。
目前出现的基于棱镜架构的折射率测量技术，由于棱镜物理尺寸的原理，其横向分辨率较低，约为12um，远远大于光学显微镜的分辨率(约200nm)，图像在X方向上基本上不能分辨，其原因正是因为横向的传播长度太长(约22um，银，波长633)。为了提高SPR图像的分辨率，利用具有较大吸收系数的铝作为金属膜的材料，才获得接近3um的分辨率。另外，棱镜采用的斜入射方式，图像会发生变形，导致测量结果不准确，测量折射率的分辨率仅为5*10-7。且由于棱镜几乎不能移动，只能进行单通道检测，即只能检测一个点，不能对整个表面进行扫描，导致这种技术无法满足迅速发展起来的生命科学领域所需求的高通量、大范围生命物质分析的需求。
发明内容
本发明的目的是为了解决采用棱镜系统的折射率测量技术分辨率低的问题，提供一种基于波长调制SPR的折射率测量装置。
本实施方式所述的基于波长调制SPR的折射率测量装置，它包括宽带光源1、缩束透镜组2和显微物镜7，所述宽带光源1发出的光经缩束透镜组2缩束后入射至显微物镜7，并经该显微物镜7聚焦到待测样品9的表面，经该表面反射的光束经过显微物镜7出射。
本发明的优点：折射率测量精度能够达到10－7，能够对待测样品的表面进行逐点扫描，获得待测样品的折射率分布情况。
附图说明
图1为本发明所述的基于波长调制SPR的折射率测量装置的结构示意图；
图2为实施方式四中的缩束透镜组2的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于波长调制SPR的折射率测量装置，它包括宽带光源1、缩束透镜组2和显微物镜7，所述宽带光源1发出的光经缩束透镜组2缩束后入射至显微物镜7，并经该显微物镜7聚焦到待测样品9的表面，经该表面反射的光束经过显微物镜7出射。
波长调制SPR是指利用复色光(白光)入射，通过待测样品9产生SPR现象后在另一端接收，利用光谱仪检测，波长弱的部分即为吸收部分，从而推导出样品折射率。
本实施方式使用宽带光源1配合高数值孔径的显微物镜7实现激发SPR。宽带光源1发出的光为平行光。待测样品9的表面(镀膜的一面)位于显微物镜7的焦平面上。采用光谱仪对显微物镜7的出射光光谱进行测量。
显微物镜7能够提高空间分辨率，达到衍射极限，而且能够避免图像畸变。通过处理显微物镜7后焦面(Back Focal Plane，BFP)的傅里叶光谱来获得光谱图，光谱图中凹陷位置对应的波长即为共振波长。采用迈克尔逊干涉仪测量得到显微物镜7后焦面的干涉图像，该干涉图像能反映出相位的变化。采用CCD采集显微物镜7后焦面的图像，该图像为环形，不同的环形对应不同的折射率。
由于折射率能够反映出待测样品9的材质，通过移动显微物镜7对待测样品9的表面逐点测量，得到每个点的折射率，利用软件模拟，可以还原待测样品9的表面材质分布情况的图像。
本实施方式的折射率测量精度能够达到10－7，且能够对待测样品的表面进行逐点扫描，获得待测样品的折射率分布情况，在此基础上还原待测样品9的表面图像，为新一代高分辨率SPR成像仪器的奠定了基础。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的基于波长调制SPR的折射率测量装置的进一步限定，本实施方式中，所述折射率测量装置还包括一号透镜3、一号分束镜4、二号透镜5、二号分束镜10和三号透镜11，所述一号透镜3、二号透镜5和三号透镜11均为凸透镜；
所述一号透镜3与二号透镜5共轴，一号分束镜4位于一号透镜3与二号透镜5的公共焦点上；
经缩束透镜组2缩束后的光束依次经过一号透镜3、一号分束镜4和二号透镜5透射后，入射至显微物镜7；从显微物镜7出射的光束经二号透镜5透射后，被一号分束镜4分为反射光和透射光两部分，反射光入射至二号分束镜10后，一部分经二号分束镜10透射，另一部分被二号分束镜10反射后经过三号透镜11透射。
一号分束镜4为分束棱镜，具有六个面，能产生不同角度的透射。
经二号分束镜10透射的光束进入光谱仪，经三号透镜11透射的光束进入CCD，经一号分束镜4透射的光进入迈克尔逊干涉仪。
本实施方式在实施方式一的基础上增加的光学元件，不仅仅是对显微物镜7出射光束进行分光，以使光谱仪、CCD和迈克尔逊干涉仪能够同时采集光信息以进行测量，更重要的是通过透镜变换，使光谱仪、CCD和迈克尔逊干涉仪采集到的光信息均为显微物镜7的后焦面处的光信息。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的基于波长调制SPR的折射率测量装置的进一步限定，本实施方式中，所述折射率测量装置还包括全反镜6，宽带光源1发出的光经二号透镜5透射后，通过所述全反镜6反射进入显微物镜7，从显微物镜7出射的光经所述全反镜6反射后入射至二号透镜5。
采用全反镜6对显微物镜7的入射光和出射光进行反射，改变光的传播方向，以节省空间。
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的基于波长调制SPR的折射率测量装置的进一步限定，本实施方式中，所述的缩束透镜组2包括一个长焦距凸透镜和一个短焦距凸透镜，且所述长焦距凸透镜和短焦距凸透镜共轴并具有一个公共焦点，宽带光源1发出的光依次经过长焦距凸透镜和短焦距凸透镜后入射至一号透镜3。
本实施方式中的缩束透镜组2结构简单，能够缩小入射光束的横截面积。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一至四所述的基于波长调制SPR的折射率测量装置的进一步限定，本实施方式中，显微物镜7与待测样品9之间填充有折射率匹配液8。
在显微物镜7与待测样品9之间填充折射率匹配液8，能够减小光的损耗，进一步提高测量结果的精度。

Claims (5)

1.基于波长调制SPR的折射率测量装置，其特征在于：它包括宽带光源(1)、缩束透镜组(2)和显微物镜(7)，所述宽带光源(1)发出的光经缩束透镜组(2)缩束后入射至显微物镜(7)，并经该显微物镜(7)聚焦到待测样品(9)的表面，经该表面反射的光束经过显微物镜(7)出射。
2.根据权利要求1所述的基于波长调制SPR的折射率测量装置，其特征在于：所述折射率测量装置还包括一号透镜(3)、一号分束镜(4)、二号透镜(5)、二号分束镜(10)和三号透镜(11)，所述一号透镜(3)、二号透镜(5)和三号透镜(11)均为凸透镜；
所述一号透镜(3)与二号透镜(5)共轴，一号分束镜(4)位于一号透镜(3)与二号透镜(5)的公共焦点上；
经缩束透镜组(2)缩束后的光束依次经过一号透镜(3)、一号分束镜(4)和二号透镜(5)透射后，入射至显微物镜(7)；从显微物镜(7)出射的光束经二号透镜(5)透射后，被一号分束镜(4)分为反射光和透射光两部分，反射光入射至二号分束镜(10)后，一部分经二号分束镜(10)透射，另一部分被二号分束镜(10)反射后经过三号透镜(11)透射。
3.根据权利要求1所述的基于波长调制SPR的折射率测量装置，其特征在于：所述折射率测量装置还包括全反镜(6)，宽带光源(1)发出的光经二号透镜(5)透射后，通过所述全反镜(6)反射进入显微物镜(7)，从显微物镜(7)出射的光经所述全反镜(6)反射后入射至二号透镜(5)。
4.根据权利要求1所述的基于波长调制SPR的折射率测量装置，其特征在于：所述的缩束透镜组(2)包括一个长焦距凸透镜和一个短焦距凸透镜，且所述长焦距凸透镜和短焦距凸透镜共轴并具有一个公共焦点，宽带光源(1)发出的光依次经过长焦距凸透镜和短焦距凸透镜后入射至一号透镜(3)。
5.根据权利要求1所述的基于波长调制SPR的折射率测量装置，其特征在于：显微物镜(1)与待测样品(4)之间填充有折射率匹配液(5)。
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