CN105021574A - 用于检测样本特性的光学传感装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测样本特性的光学传感装置和方法。该光学传感装置包括：宽带光源，配置为生成包含p极化分量和s极化分量的第一光束；干涉仪，配置为将p极化分量和s极化分量分别导向第一路径和第二路径，第一路径具有不同于第二路径的长度，以使p极化分量和s极化分量被反射并随后重组，从而提供具有干涉的第二光束；参考装置，配置为接收第二光束的一部分以提取由干涉引起的参考光学特性变化；SPR传感器，配置为接收第二光束的其他部分并将与样本相关的SPR效应引入至第二光束，从而生成带有探测光学特性变化的第三光束；以及检测器，配置为从第三光束提取探测光学特性变化并比较其与参考光学特性变化以确定样本特性。

Description

用于检测样本特性的光学传感装置和方法

技术领域

本申请涉及一种用于检测样本特性的光学传感装置和方法。

背景技术

经过三十多年的发展，表面等离子体共振(SPR)技术已成为用于双分子相互作用的非标记特性描述的标准技术。其优点之一是SPR传感器能够通过观察SPR影响的光的振幅、角反射率、光谱吸收凹陷或相应的相移提供实时定量测量(Ann.Phys.(berlin),524,637-662,2012)。最近的研究工作已经集中在具有宽动态范围和高灵敏度的SPR传感器的开发上。

许多所谓的宽动态范围相位SPR传感器已经得到了开发。Van Wiggeren等人在US 7027676中提出了一种通过使用光学极化延迟单元和可调谐激光器来替代光学外差相位检测方案的塞曼激光器(Zeeman’s laser)。随着跨越光源频率范围进行扫描，在p极化光和s极化光之间发生了频率偏移。通过p极化光和s极化光的干涉能够产生调制光学检测信号。Ho等人在US 8169617中提出了一种结合相位检测和角解调的新设计以同时实现高灵敏度和宽动态范围。

后来，Wu等人在US 13/113,837中提出了一种白光SPR干涉法方案以通过不同的机理实现兼备高灵敏度和宽动态范围。在他们的方案中，采用迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer)作为对于p极化光和s极化光两者的相位检测器。本质上，该设计具有借助相同的路径对p极化分量和s极化分量独立起作用的两个干涉仪。借助干涉仪的一个臂所带有的SPR传感头，研究人员通过使用极化分离的沃拉斯顿棱镜(Wollaston prism)分别测量p极化光和s极化光的相位而实现了微分SPR相位检测。因为SPR效应只影响p极化而留下s极化不变，在从两个极化测得的相位值之间的简单减法会产生摆脱由环境变动或系统自身引起的任何干扰信号的真实的SPR相位。

发明内容

本申请提出了一种用于检测样本特性的光学传感装置和方法。

根据本申请实施方式，公开了一种光学传感装置。该装置可包括宽带光源、干涉仪、参考装置、SPR传感器以及检测器。宽带光源配置为产生包含p极化分量和s极化分量的第一光束。干涉仪配置为将p极化分量和s极化分量分别导向第一路径和第二路径。第一路径具有不同于第二路径的长度，以使p极化分量和s极化分量被反射并随后重组以提供带有p极化分量与s极化分量之间的干涉的第二光束。参考器件配置为接收第二光束的一部分以提取由第二光束的p极化分量与s极化分量之间的干涉引起的参考光学特性变化。SPR传感器配置为接收第二光束的其他部分并将与样本相关的SPR效应引入至第二光束，从而生成带有由SPR效应引起的探测光学特性变化的第三光束。检测器配置为接收第三光束以提取由SPR效应引起的探测光学特性变化并通过比较参考光学特性变化和探测光学特性变化以确定样本特性。

根据本申请的其他实施方式，公开了一种用于检测样本特性的方法。该方法可包括：从宽带光源生成包含p极化分量和s极化分量的第一光束；将p极化分量和s极化分量分别导向第一路径和第二路径，其中第一路径具有不同于第二路径的长度，以使p极化分量和s极化分量被反射并随后重组，从而提供带有p极化分量与s极化分量之间的干涉的第二光束；提取由第二光束的p极化分量与s极化分量之间的干涉引起的参考光学特性变化；将与样本相关的SPR效应引入至第二光束，从而生成带有由SPR效应引起的探测光学特性变化的第三光束；提取由第三光束的SPR效应引起的探测光学特性变化；并且比较参考光学特性变化和探测光学特性变化以确定样本特性。

附图说明

下面参照附图描述了本发明的示例性非限制性实施方式。附图是说明性的且一般不按照精确比例绘制。

图1是示出了根据一些公开实施方式的光学传感装置的示意图。

图2是示出了根据一些公开实施方式的宽带光源的示意图。

图3是示出了根据一些公开实施方式的干涉仪的示意图。

图4是示出了根据一些公开实施方式的光学传感装置的结构示意图。

图5是示出了根据一些公开实施方式的SPR传感器的示意图。

图6是示出了根据一些公开实施方式的用于检测样本特性的方法的流程图。

图7是示出了根据一些公开实施方式的参考装置的原始信号的曲线图。

图8是示出了根据一些公开实施方式的探测器件的原始信号的曲线图。

图9通过比较参考装置和探测器件的信号示出了计算光谱和光谱相位信息。

图10示出了从盐和水的混合物获得的宽动态范围光谱相位灵敏SPR传感器的实验结果。

具体实施方式

现在将详细参照示例性实施方式，其示例示出在附图中。适当时，图中各处使用的相同的参考数字指代相同或相似的部分。

图1是示出了根据一些公开实施方式的光学传感装置1000的示意图。如图1所示，装置1000可包括宽带光源100、干涉仪200、SPR传感器300、参考装置400以及检测器500。

根据一个实施方式，宽带光源100可配置为产生包含p极化分量和s极化分量的第一光束。在另一实施方式中，宽带光源100可通过串联一个以上的单波长光源或多波长光源而制成，比如气体激光器、固态激光器、激光二极管、发光二极管和任何其他合适的电磁辐射源。电磁辐射可为可见光、可见光至红外光、红外光、紫外光或紫外光至可见光。

根据一个实施方式，干涉仪200可配置为将p极化分量和s极化分量分别导向第一路径和第二路径。第一路径具有不同于第二路径的长度，以使p极化分量和s极化分量被反射并随后重组以提供带有p极化分量与s极化分量之间的干涉的第二光束。干涉仪200可为迈克尔逊干涉仪(Michelson interferometer)、马赫-曾德尔干涉仪(Mach–Zehnder interferometer)或任何其他合适的干涉仪。

在一个实施方式中，参考装置400可配置为接收第二光束的一部分以提取由第二光束的p极化分量与s极化分量之间的干涉引起的参考光学特性变化。SPR传感器300可配置为接收第二光束的其他部分并将与样本相关的SPR效应引入至第二光束，以便产生带有由SPR效应引起的探测光学特性变化的第三光束。检测器500可配置为接收第三光束以提取由SPR效应引起的探测光学特性变化并比较参考光学特性变化和探测光学特性变化以确定样本特性。

在该申请中，使用宽带光源和干涉仪能够提供关于SPR光谱的宽动态范围和带有高灵敏度的光谱相位。这还能够提供与以前的SPR生物传感器相比较为简单的光学配置。

图2是示出了根据一些公开实施方式的宽带光源100的示意图。如图2所示，宽带光源100可包括宽带电磁辐射源101、校准器102、极化器103以及可变光圈104。

在该实施方式中，宽带电磁辐射源101可配置为发射包含p极化分量和s极化分量的宽带光束。替代地或另外地，宽带电磁辐射源101可为多波长电磁辐射源，比如发光二极管(LED)、钨灯、卤素灯、弧光放电灯、超辐射发光二极管(SLD)、荧光管、超连续激光器以及任何其他合适的多波长电磁辐射源。例如，采用带有(例如)3瓦额定功率的固态WLED且其极化视为随机。

校准器102可配置为将宽带光束转换为平行光束。替代地或另外地，校准器102可为透镜系统或视场限制系统。极化器103可配置为通过改变其极化轴角度来选择p极化分量和s极化分量之间的含量比例。p极化分量与s极化分量之间的含量比例可设定为50:50。这意味着极化器的极化角与s极化轴成45°角。此外，可变光圈104配置为调节光束的束直径并限制光束的角视场。

如图3所示，干涉仪200可包括宽带极化分束器201、第一四分多色波片202和第二四分多色波片202和203以及第一反射单元204和第二反射单元204和205。在一个实施方式中，宽带极化分束器201可配置为将第一光束分离划分为经过第一路径的p极化光束和经过第二路径的s极化光束。根据该实施方式，s极化分量经90度反射而p极化分量直接传输。第一路径中的第一四分多色波片202位于宽带极化分束器201与第一反射单元204之间以改变经过的光束的极化极化性。其结果是当光束来回经过第一四分多色波片202时，光束极化极化性从s极化改变至p极化。第一反射单元204可配置为反射经过第一路径的光束。

类似地，在第二路径中的第二四分多色波片203位于宽带极化分束器201与第二反射单元205之间以改变经过的光束的极化性。其结果是当光束来回经过第二四分多色波片203时，光束极化性从p极化改变至s极化。第二反射单元205可配置为反射经过第二路径的光束。反射单元204和205可为高精度表面平滑反射镜，并放置为引入两条路径之间不同且充足的光程以及合适的光学校准，以确保在p极化分量与s极化分量之间的有效干涉。

随后反射的光束由宽带极化分束器201重组，从而产生在p极化分量与s极化分量之间的干涉。此外，干涉仪200还可包括非极化分束器206，而且反射的光束可穿过宽带极化分束器201传至非极化分束器206。非极化分束器206可配置为将重组的光束分离为两部分。例如，只有总强度5％的那一部分用于参考束以传输至参考装置400，而其他部分用于探测束以传输至SPR传感器300。该配置能够避免光束沿相反的路径反射回到宽带光源100。

如图4所示，参考装置400可包括极化器401、透镜402以及分析器403。在一个实施方式中，极化器401可配置为接收第二光束的一部分(约5％)以生成参考光束。极化器401可置于透镜402的前面并配置为接收第二光束的一部分以生成参考光束。透镜402可配置为将参考光束耦合至分析器403。分析器403可配置为提取由参考光束的p极化分量与s极化分量之间的干涉引起的参考光学特性变化。例如，极化器401可设定为与第二光束的s极化分量的光学轴成45度，以产生从p极化分量与s极化分量之间的干涉输出的信号。光谱干涉图形的光强变化能够转换为如图7所示的电子信号。

参照图5，SPR传感器300可包括棱镜301、转换层302以及样本流腔室303。根据一个实施方式，棱镜301可配置为接收第二光束的其他部分(约95％)。棱镜301可由透明介电材料制成，比如塑料、玻璃或任何其他合适的材料以匹配在入射的光学光束中的动量以及在传感表面上激发的表面等离子体波的动量。在该实施方式中，可采用由BK7玻璃制成的直角三角形棱镜。

转换层302可覆盖在棱镜301的表面上以用作由接收的第二光束经过的传感表面。在一个实施方式中，转换层302通常由导电材料制成，比如金或银。在该实施方式中，因为其良好的化学抗性而采用了约50nm薄的金层。这种层的厚度一般在5nm至85nm范围内，取决于应用以及还有转换层是否进一步覆盖在金属薄膜上。另外，转换层302可为单层结构、多层结构、栅格结构、图案结构或用于表面等离子体激发的任何其他合适的结构。

在转换层上可设置样本流腔室303以允许样本304流通过传感表面，以使与样本有关的SPR效应引入至经过的第二光束。样本一般为水相或气体形式。在该实施方式中，可使用重量百分比浓度从0％至10％的氯化钠(NaCl)和水的混合物以表明该方案的操作。当使用注射泵将不同浓度的氯化钠(NaCl)和水的混合物连续引入至样本流腔室303时，记录为SPR吸收凹陷的光谱位置相对于时间的实验结果如图10所示。由于只有经过的光束的p极化分量受SPR效应影响，而s极化分量保持不变，因此p极化分量与s极化分量之间相位差的任何改变只与样本光学特性中的相移有关，例如在实施方式中改变氯化钠(NaCl)浓度，则随之改变传感表面的SPR条件。

回到图4，检测器500可包括极化器501、透镜502、分析器503以及处理模块504。根据一个实施方式，极化器501可配置为接收第三光束以生成探测光束。透镜可置于极化器501后方并配置为将探测光束连接耦合至分析器503。分析器503可配置为提取由探测光束的SPR效应引入的探测光学特性变化。处理模块504可配置为通过比较参考光学特性变化和探测光学特性变化来测定确定样本特性。在另一实施方式中，检测器还可包括反射镜505和可变光圈506。反射镜505可配置为改变接收的第三光束的方向。可变光圈506可配置为限制检测器500的视场。

在一个实施方式中，分析器503还可包括用于将光束根据其波长分离为不同衍射角的光栅。而且，分析器503还可包括收集衍射光用于光学检测的透镜和具有多个像素的线性探测器阵列，其中每个像素捕捉特定波长的光强。检测器阵列可为线性电荷耦合器件(CCD)检测器阵列。来自光学检测阵列的信号轨迹包括表示在覆盖SPR光谱凹陷的光谱范围内单独波长强度的一系列数据点。处理模块504可读取数据系列并计算与发生在SPR传感器300中的SPR效应有关的光谱相位和光谱强度凹陷，还计算在使用产生自参考装置400的数据的光谱分布和光谱相位中的微分变化。图9示出了由处理模块504生成的典型SPR光谱凹陷和光谱相位。

图6是示出了根据一些公开实施方式的用于检测样本特性的方法的流程图。在步骤S601中，宽带光源100产生包含p极化分量和s极化分量的第一光束。在步骤S602中，干涉仪200将p极化分量和s极化分量分别导向第一路径和第二路径。第一路径具有不同于第二路径的长度，以使p极化分量和s极化分量被反射并随后重组以提供带有p极化分量与s极化分量之间的干涉的第二光束。在步骤S603中，参考装置400接收第二光束的一部分以提取由第二光束的p极化分量与s极化分量之间的干涉引起的参考光学特性变化。在步骤S604中，SPR传感器300接收第二光束的其他部分并将与样本相关的SPR效应引入至第二光束，以便产生带有由SPR效应引起的探测光学特性变化的第三光束。在步骤S605中，检测器接收第三光束以提取由SPR效应引起的探测光学特性变化并比较参考光学特性变化和探测光学特性变化以确定样本特性。

本发明的实施方式可使用某些硬件、软件或其组合来实施。另外，本发明的实施方式可适用于在包括计算机程序代码的一个或多个计算机可读存储媒介上(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等等)实现的计算机程序产品。

在前面的描述中，将多个方面、步骤或部分聚集在一起成为单独的实施方式以便于说明。本公开不被解读为需要用于所要求的主题的所有公开的变形。所附的权利要求体现在示例性实施方式的这部分描述中，其中每个权利要求本身都作为本公开的独立实施方式。

此外，对于本领域技术人员显而易见的是，考虑到本公开的说明和实践，对于公开的系统和方法能够作出各种修改和变化而不背离如权利要求所限定的本公开的范围。因此，说明书和示例旨在仅作为示例性考虑，而本公开的真实范围由所附权利要求及其等同指明。

Claims (20)

1.一种光学传感装置，包括：

宽带光源，配置为生成包含p极化分量和s极化分量的第一光束；

干涉仪，配置为将所述p极化分量和所述s极化分量分别导向第一路径和第二路径，其中所述第一路径具有不同于所述第二路径的长度，以使所述p极化分量和所述s极化分量被反射并随后重组，从而提供带有所述p极化分量与所述s极化分量之间的干涉的第二光束；

参考装置，配置为接收所述第二光束的一部分以提取由干涉引起的参考光学特性变化；

SPR传感器，配置为接收所述第二光束的其他部分并将与样本相关的SPR效应引入至所述第二光束，从而生成带有由SPR效应引起的探测光学特性变化的第三光束；以及

检测器，配置为从所述第三光束提取探测光学特性变化并比较所述参考光学特性变化和所述探测光学特性变化以确定样本特性。

2.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述SPR传感器包括：

棱镜，配置为接收所述第二光束的其他部分；

转换层，覆盖于所述棱镜的表面以用作传感表面，并且接收的第二光束经过所述传感表面；以及

样本流腔室，布置在所述转换层上以允许所述样本流过所述传感表面，从而使与所述样本有关的SPR效应引入至经过所述传感表面的第二光束。

3.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述宽带光源包括：

宽带电磁辐射源，配置为发射包含所述p极化分量和所述s极化分量的宽带光束；

校准器，配置为将所述宽带光束转换为平行光束；以及

极化器，配置为选择所述p极化分量和所述s极化分量之间的含量比例。

4.如权利要求3所述的光学传感装置，其中，所述宽带光源还包括：

可变光圈，配置为调节光束的束直径并限制光束的角视场。

5.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述参考装置包括：

极化器，配置为接收所述第二光束的一部分以产生参考光束；

透镜，置于所述极化器后方并配置为将所述参考光束耦合至分析器；以及

分析器，配置为提取由所述参考光束的p极化分量与s极化分量之间的干涉引起的参考光学特性变化。

6.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述干涉仪包括：

宽带极化分束器，配置为将所述第一光束分离为经过所述第一路径的所述p极化分量和经过所述第二路径的所述s极化分量；

第一四分多色波片，位于所述第一路径中；

第二四分多色波片，位于所述第二路径中，其中，所述第一四分多色波片和所述第二四分多色波片配置为改变经过的光束的p极化分量和s极化分量的极化性；

第一反射单元，位于所述第一四分多色波片后方以反射经过所述第一路径的光束；

第二反射单元，位于所述第二四分多色波片后方以反射经过所述第二路径的光束；以及

其中，反射的光束通过所述宽带极化分束器重组，从而生成反射的光束中的p极化分量与s极化分量之间的干涉。

7.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述干涉仪还包括：

非极化分束器，配置为将重组的光束分离为所述第二光束的一部分和所述第二光束的其他部分。

8.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述检测器包括：

极化器，配置为接收所述第三光束以产生探测光束；

透镜，置于所述极化器后方并配置为将所述探测光束耦合至分析器，以便所述分析器提取由所述探测光束的SPR效应引起的探测光学特性变化；以及

处理模块，配置为通过比较参考光学特性变化和探测光学特性变化来确定样本特性。

9.如权利要求8的光学传感装置，其中，所述检测器还包括反射镜和可变光圈，其中所述反射镜配置为将接收的第三光束导向所述可变光圈，以使所述可变光圈限制所述检测器的视场。

10.如权利要求8所述的光学传感装置，其中，所述处理模块接收来自所述参考装置的参考光学特性变化和来自所述分析器的探测光学特性变化，并通过比较所述参考光学特性变化和所述探测光学特性变化来确定与所述样本有关的折射率变化。

11.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述光学特性包括光谱相位延迟、光强以及光谱分布中的至少一个。

12.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述宽带光源包括钨灯、卤素灯、弧光放电灯、白光发光二极管、宽带超辐射发光二极管以及超连续激光光源中的至少一种。

13.如权利要求3所述的光学传感装置，其中，所述宽带光束通过串联多个单独的电磁辐射源而生成。

14.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述干涉仪为迈克尔逊干涉仪或马赫-曾德尔干涉仪。

15.一种用于检测样本特性的方法，包括：

从宽带光源生成包含p极化分量和s极化分量的第一光束；

将所述p极化分量和所述s极化分量分别导向第一路径和第二路径，其中所述第一路径具有不同于所述第二路径的长度，以使所述p极化分量和所述s极化分量被反射并随后重组从而提供带有所述p极化分量与所述s极化分量之间的干涉的第二光束；

提取由在所述第二光束的一部分的p极化分量与s极化分量之间的干涉引起的参考光学特性变化；

将与所述样本有关的SPR效应引入至所述第二光束的其他部分，从而生成带有由所述SPR效应引起的探测光学特性变化的第三光束；

提取由所述第三光束的SPR效应引起的探测光学特性变化；以及

比较所述参考光学特性变化和所述探测光学特性变化以确定样本特性。

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述引入的步骤包括：

通过棱镜接收所述第二光束的其他部分；

将转换层覆盖于所述棱镜的表面以用作传感表面，接收的第二光束经过所述传感表面；以及

通过允许所述样本流过所述传感表面将与所述样本有关的SPR效应引入至经过所述传感表面的第二光束。

17.如权利要求15所述的方法，其中，所述生成的步骤包括：

发射包含所述p极化分量和所述s极化分量的宽带光束；

将所述宽带光束转换为所述平行光束；以及

选择所述p极化分量和所述s极化分量之间的含量比例。

18.如权利要求17所述的方法，其中，所述生成的步骤还包括：

调节光束的束直径并限制光束的角视场。

19.如权利要求15所述的方法，其中，所述提取参考光学特性变化的步骤包括：

接收所述第二光束的一部分以生成参考光束；

将所述参考光束耦合至所述分析器；以及

提取由所述参考光束的p极化分量与s极化分量之间的干涉引起的参考光学特性变化。

20.如权利要求15所述的方法，其中，所述导向的步骤包括：

将所述第一光束分离为经过所述第一路径的p极化分量和经过所述第二路径的s极化分量；

改变在所述第一路径和所述第二路径中经过的光束的极化性；

分别反射经过所述第一路径和所述第二路径的光束；以及

重组反射的光束，从而产生所述p极化分量与所述s极化分量之间的干涉。