CN105203504A - 一种提高表面等离子共振传感器灵敏度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光谱响应曲线来提高表面等离子体共振传感器的灵敏度的方法。所述方法包含步骤：获得在所选波长范围内单调下降的第一光谱响应曲线；调整SPR传感器的入射角，使在预设折射率测量范围内，SPR共振波长都在光谱响应曲线的波长范围内且在尽量长波的一端；直接通过系统的原始光谱数据判断SPR共振波长位置，作为传感器输出数据，从而实现光谱型SPR传感器灵敏度的增大。

Description

一种提高表面等离子共振传感器灵敏度的方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，特别是涉及一种提高SPR(表面等离子体共振)传感器的灵敏度的方法，更具体的，涉及一种基于光谱响应曲线来提高SPR(表面等离子体共振)传感器的灵敏度的方法。

背景技术

表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance,简写为SPR)传感方法是一种高灵敏、无需标记的传感方法，在生物、化学、环境、临床等领域有着广泛应用(ChemRev,2008,108:462–493)。

该方法利用专门的SPR激发装置(如棱镜斜面上镀一层金属膜)，通过检测反射光的强度、相位与波长、入射角的关系，能够以优于10^-5至10^-7(折射率单位，RIU)的分辨率检测金属膜表面的折射率变化，通过金属膜表面的功能膜，能够高精度地间接检测生物、化学分子等被测物的浓度变化。SPR传感器按照传感原理，可以分为强度型、相位型、光谱型、角度谱型(ReviewofScientificinstruments,2011,82,0231009)。其中光谱型SPR由于结构简单、线性较好而得到广泛应用。

光谱型SPR传感器中，入射光为宽谱光，入射角为单一角度，用光谱解析装置测量得到的SPR激发装置的出射光谱，存在一个反射率接近于零的凹陷，这个凹陷所对应的波长称为SPR共振波长。SPR共振波长随着被测物折射率的改变而移动，因此光谱SPR传感器的灵敏度就是被测物的单位折射率变化所产生的SPR共振波长移动。

光谱型SPR传感器的理论灵敏度能够通过多层膜反射理论计算出，因此本领域的研究人员一般认为其灵敏度是由其SPR的膜层结构决定的。但是我们在研究中发现，除了SPR的膜层结构以外，光谱型SPR传感器的光谱响应曲线也会对实际系统的灵敏度产生影响。

发明内容

本发明提出一种提高光谱型SPR传感器灵敏度的方法，其能够进一步的提高SPR传感器的实际检测效果。

更具体的，本发明提出一种利用光源与探测器的光谱响应曲线来增大光谱型SPR传感器灵敏度的方法，该方法基于光谱响应曲线对光谱SPR灵敏度的影响，有利于提高SPR传感器的实际检测效果。

为了实现上述目的，本发明提出了一种提高SPR传感器灵敏度的方法，包含步骤：

步骤(1)，提供光源与探测器，获取所述光源与探测器的第一光谱响应曲线，其中，在该第一光谱响应曲线的波长范围内，光谱响应特性随波长增加而单调下降。

优选的，所述光源例如为卤钨灯、氙灯、LED；

优选的，所述探测器例如为硅基CCD、CMOS、光电二极管阵列。

优选的，获取所述光源与探测器的整体光谱响应曲线，并在整体光谱响应曲线中选取第一光谱响应曲线；其中，整体光谱响应曲线分为第一光谱响应曲线和第二光谱响应曲线，其中第一光谱响应曲线为整体光谱响应曲线中光谱响应特性随波长增加而单调下降的部分，第二光谱响应曲线为整体光谱响应曲线中光谱响应特性随波长增加而并非单调下降的部分。

步骤(2)，调整SPR传感器的入射角，使在预设折射率测量范围内，折射率最大值所对应的SPR共振波长达到第一光谱响应曲线的允许最大波长值。

优选的，使在预设的折射率测量范围内，折射率最小值所对应的SPR共振波长处于第一光谱响应曲线的波长范围内。

步骤(2)可包含如下子步骤：

步骤(2-A)、调整SPR传感器的入射角，使预设范围内折射率最大值所对应的SPR共振波长、预设范围内折射率最小值所对应的SPR共振波长移动到第一光谱响应曲线上的波长范围内。

步骤(2-B)、调整SPR传感器的入射角，使预设范围内折射率最大值所对应的SPR共振波长向长波长方向移动预设步长；

优选的，预设步长为1nm、2nm、3nm或者5nm；

步骤(2-C)、改变被测折射率到预设范围内的折射率最大值，由判断单元来判断SPR光谱曲线是否能正常检测出共振波长；若判断单元判断能正常检测出共振波长，则返回步骤(2-B)，若判断单元判断不能正常检测出共振波长，则进入步骤(2-D)；

步骤(2-D)、调整SPR传感器的入射角，使预设范围内折射率最大值所对应的SPR共振波长向短波长方向移动预设步长。

优选的，在步骤(2-B)中，预设范围内折射率最小值所对应的SPR共振波长同时向长波长方向移动；在步骤(2-D)中，预设范围内折射率最小值所对应的SPR共振波长同时向短波长方向移动。

步骤(3)，在步骤(2)调整结束后，直接选取当前选定的入射角作为SPR传感器的最终入射角。

优选的，在步骤(3)调整结束后采集当前数据，通过光谱解析装置测量到的原始光谱数据来检测当前SPR共振波长值，作为传感器输出数据，则当前的SPR传感器具有比调整前更大的灵敏度。

优选的，所述SPR传感器为光谱型SPR传感器。

优选的，通过更换样品来改变折射率。

本发明的有益效果是：

传统方法是按照以往的光谱测量方法，未考虑光谱响应曲线的影响或作用，通过得到的理论模拟SPR曲线进行折射率测量，从而决定了其SPR系统的灵敏度。和本发明按照有光谱响应曲线的影响或作用的实际SPR系统的灵敏度相对比，可以看到，在共振波长的不同位置，合适的光谱响应曲线都可以使系统的灵敏度增大，而且共振波长越长，增加的灵敏度越大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明步骤的流程图。

图2是一个实际SPR系统的光谱响应曲线。

图3是具有图2光谱响应曲线的光谱型SPR传感器，在不同的入射角下的理论模拟(或理论计算)光谱曲线(1、2、3、4、5)，以及折射率增加相同数量后发生移动的理论模拟光谱曲线(1’、2’、3’、4’、5’)。

图4是实际上SPR系统得到的去除噪声后的SPR实测曲线，为图3中SPR理论模拟光谱曲线与图2中的光谱响应曲线的乘积。

图5是图3的理论SPR系统的灵敏度(放大前)和图4的实际SPR系统的灵敏度(放大后)。

图6是包含步骤(2)的具体调整步骤的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在SPR光谱测量中，探测器(例如线阵CCD)测量得到的原始实测光谱数据中，不仅包含SPR光谱信息，实际上还包含系统的光谱响应曲线(包括光源的光谱分布和探测器对不同波长的响应)。按照光谱测量领域的传统观点，通常的光谱测量仪器会把这个光源和探测器造成的光谱响应曲线从探测结果中去除，得到与光源和探测器无关的理论模拟光谱数据。

但是对于SPR传感器，重要的是能够精确地判断SPR共振波长的位置，而实际测量的原始数据的噪声水平和灵敏度都会受到光谱响应曲线的影响，因此实际上需要带着光谱响应曲线来分析光谱型SPR传感器的测量结果。事实上SPR传感器的最重要性能指标——“折射率分辨率”等于“共振波长的测量精确程度”(与噪声和SPR凹陷形状有关)除以“SPR传感器的灵敏度”，而这两者都被光谱响应曲线所影响。

实施例一

本发明实施例提供一种提高SPR传感器灵敏度的方法，包含步骤：

步骤(1)，提供光源与探测器，获取所述光源与探测器的第一光谱响应曲线，其中，在该第一光谱响应曲线的波长范围内，光谱响应特性随波长增加而单调下降。

所述光源例如可以为卤钨灯、氙灯、LED，本实施例中选用卤钨灯(大恒光电GCI-060101M,150W)。

所述探测器例如为硅基CCD、CMOS、光电二极管阵列，本实施例中选用硅基CCD相机(QimaingQClick1394)。

本实施例中所述SPR传感器为光谱型SPR传感器。

获取所述光源与探测器的整体光谱响应曲线，并在整体光谱响应曲线中选取第一光谱响应曲线；其中，整体光谱响应曲线分为第一光谱响应曲线和第二光谱响应曲线，其中第一光谱响应曲线为整体光谱响应曲线中光谱响应特性随波长增加而单调下降的部分，第二光谱响应曲线为整体光谱响应曲线中光谱响应特性随波长增加而并非单调下降的部分。

图2中提供了一个实际SPR系统中光源与探测器的光谱响应曲线，其中光源为卤钨灯(大恒光电GCI-060101M,150W)，探测器为硅基CCD相机(QimaingQClick1394)。从图2中我们可以看到，在波长600-850nm范围内，光谱响应曲线是单调下降的。因此，我们选取波长600-850nm范围内的光谱响应曲线部分作为第一光谱响应曲线。

步骤(2)，调整SPR传感器的入射角，使在预设折射率测量范围内，折射率最大值所对应的SPR共振波长为第一光谱响应曲线的允许最大波长值。

优选的，折射率最小值所对应的SPR共振波长在第一光谱响应曲线的波长范围内。

在本实施例中预设折射率测量范围[n1，n2]，其中n1<n2。本实施例中预设折射率测量范围1.33-1.34。本领域技术人员应当知晓的是，该预设折射率测量范围可以根据实际需求来选取，本发明并不限制在特定的唯一预设折射率测量范围。

优选的，可以通过更换样品来改变样品的折射率。例如，通过更换由葡萄糖溶液所配成的标准样品。

步骤(2)可包含如下子步骤：

步骤(2-A)、调整SPR传感器的入射角，使预设范围内折射率最大值所对应的SPR共振波长、预设范围内折射率最小值所对应的SPR共振波长移动到第一光谱响应曲线上的任一波长值；

步骤(2-B)、调整SPR传感器的入射角，使预设范围内折射率最大值所对应的SPR共振波长向长波长方向移动预设步长；优选的，预设步长为1nm、2nm、3nm、5nm、10nm或者20nm；优选的，在折射率最大值所对应的SPR共振波长向长波长方向移动时，预设范围内折射率最小值所对应的SPR共振波长也同时向长波长方向移动；

步骤(2-C)、改变被测折射率到预设范围的最大值，由判断单元来判断SPR光谱曲线是否能正常检测出共振波长且该共振波长在第一光谱响应曲线的波长范围内；若判断单元判断能正常检测出共振波长且该共振波长在第一光谱响应曲线的波长范围内，则返回步骤(2-B)，若判断单元判断不能正常检测出共振波长，则进入步骤(2-D)；

步骤(2-D)、调整SPR传感器的入射角，使预设范围内折射率最大值所对应的SPR共振波长向短波长方向移动所述预设步长；优选的，在折射率最大值所对应的SPR共振波长向短波长方向移动时，预设范围内折射率最小值所对应的SPR共振波长同时向短波长方向移动。

如图3所示，具有上述光谱响应曲线的光谱型SPR传感器，在不同的入射角(第一入射角Ф1、第二入射角Ф2、第三入射角Ф3、第四入射角Ф4、第五入射角Ф5，其中Ф1>Ф2>Ф3>Ф4>Ф5)下，对应预设折射率范围内折射率最小值n1分别具有第一组理论模拟光谱曲线(1、2、3、4、5)，以及折射率增加相同数量Δn(例如Δn＝n2-n1)后，在相同的所述入射角Ф1、Ф2、Ф3、Ф4、Ф5下，对应预设折射率范围内折射率最大值n2获得向长波方向发生移动的第二组理论模拟光谱曲线(1’、2’、3’、4’、5’)。

我们可以从图3中发生的SPR共振波长移动量(δλ₁、δλ₂、δλ₃、δλ₄、δλ₅，其中δλ₁<δλ₂<δλ₃<δλ₄<δλ₅，δλ₁、δλ₂、δλ₃、δλ₄、δλ₅分别为折射率最大值n2所对应的第二组理论模拟光谱曲线1’、2’、3’、4’、5’的SPR共振波长值和折射率最小值n1所对应的第一组理论模拟光谱曲线1、2、3、4、5的SPR共振波长值之差)中可以看出，随着折射率n2与折射率n1所对应的SPR共振波长分别向长波长方向移动(从λ₁→λ₂→λ₃→λ₄→λ₅，从λ₁’→λ₂’→λ₃’→λ₄’→λ₅’)，相同的折射率变化Δn所导致的SPR共振波长移动δλ变得越来越大，即系统灵敏度随共振波长向长波长方向移动而提高。

图3中是理论模拟的SPR共振曲线，而实际上SPR传感器得到的是该理论拟合SPR共振曲线与图2中光谱响应曲线的乘积，如图4。

比较图3和图4，我们可以看出，由于图2的光谱响应曲线在波长600-850nm范围内单调下降，图4中的实际测量得到的去噪后的SPR曲线的共振波长位置相对于图3中向长波长方向移动，且原来SPR共振波长越大的移动越大，因此图4中的由于折射率增加Δn所导致的共振波长移动量(δλ’₁、δλ’₂、δλ’₃、δλ’₄、δλ’₅)也比图3中的大(δλ₁<δλ’₁，δλ₂<δλ’₂，δλ₃<δλ’₃，δλ₄<δλ’₄，δλ₅<δλ’₅)，即系统灵敏度因为光谱响应曲线而变大。因此，合适的光谱响应能够增大光谱SPR的灵敏度。

在入射角Ф1时，预设折射率范围内折射率边界值n1和n2分别对应SPR曲线1和1’，其中，折射率测量范围中折射率最小值n1对应SPR曲线1，最大值n2对应SPR曲线1’，折射率边界值n1和n2所对应的两个SPR共振波长均可以检测出，且均位于第一光谱响应曲线的波长范围内(600-850nm)，则可以看出，加入光谱响应曲线因素后的入射角Ф1时能够获得比图3未加入光谱响应曲线因素时更大的灵敏度。

在入射角Ф2时，预设折射率范围内折射率边界值n1和n2分别对应SPR曲线2和2’，其中，折射率测量范围中折射率最小值n1对应SPR曲线2，最大值n2对应SPR曲线2’，折射率边界值n1和n2所对应的两个SPR共振波长均可以检测出，且均位于第一光谱响应曲线的波长范围内(600-850nm)，则可以看出，加入光谱响应曲线因素后的入射角Ф2时能够获得比图3未加入光谱响应曲线因素时更大的灵敏度。

在入射角Ф3时，预设折射率范围内折射率边界值n1和n2分别对应SPR曲线3和3’，其中，折射率测量范围中折射率最小值n1对应SPR曲线3，最大值n2对应SPR曲线3’，折射率边界值n1和n2所对应的两个SPR共振波长均可以检测出，且均位于第一光谱响应曲线的波长范围内(600-850nm)，则可以看出，加入光谱响应曲线因素后的入射角Ф3时能够获得比图3未加入光谱响应曲线因素时更大的灵敏度。

在入射角Ф4时，预设折射率范围内折射率边界值n1和n2分别对应SPR曲线4和4’，其中，折射率测量范围中折射率最小值n1对应SPR曲线4，最大值n2对应SPR曲线4’，折射率边界值n1和n2所对应的两个SPR共振波长均可以检测出，且均位于第一光谱响应曲线的波长范围内(600-850nm)，则可以看出，加入光谱响应曲线因素后的入射角Ф4时能够获得比图3未加入光谱响应曲线因素时更大的灵敏度。

在入射角Ф5时，预设折射率范围内折射率边界值n1和n2分别对应SPR曲线5和5’，其中，折射率测量范围中折射率最小值n1对应SPR曲线5，最大值n2对应SPR曲线5’，折射率边界值n1和n2所对应的两个SPR共振波长均可以检测出，且均位于第一光谱响应曲线的波长范围内(600-850nm)，则可以看出，加入光谱响应曲线因素后的入射角Ф5时能够获得比图3未加入光谱响应曲线因素时更大的灵敏度。

若再调整入射角，使得SPR波长向更长波长移动时，已经不能由SPR曲线检测得到凹陷(或者溢出第一光谱响应曲线600-850nm的波长范围导致噪声过大而数据不可信)，由此不能检测到共振波长，则入射角Ф5时所获得的即为最大的灵敏度。

本实施例中的判断单元是这样一种测量装置，其用于测量这些SPR信号，并且使得当所测量的噪声小于标准噪声值时，根据SPR曲线斜率来检测得到SPR共振波长值；并且，该测量装置还检测所得到的共振波长是否在预设的波长范围内。至于该判断单元的具体结构，基于本申请中对其原理和功能的详细介绍，本领域技术人员可以根据本申请的原理将其实现而无需再付出创造性的劳动而。

需要说明的是，上述五个入射角(第一入射角Ф1、第二入射角Ф2、第三入射角Ф3、第四入射角Ф4、第五入射角Ф5，其中Ф1>Ф2>Ф3>Ф4>Ф5)并非是穷举按照预设波长一步一步调整的所有过程，而仅仅是从调整过程中选取的例子来说明调整SPR共振波长的过程、判断的步骤和对灵敏度结果的影响，并不对本发明构成限制。

步骤(3)，在步骤(2)调整结束后，以当前入射角作为SPR传感器的最终入射角。

优选的，直接采集当前数据，通过光谱解析装置测量到的原始光谱数据来检测当前SPR共振波长值，作为传感器输出数据，则当前的SPR传感器具有比调整前更大的灵敏度。

图5是传统方法和本发明实施例中方法的灵敏度结果比较，其中传统方法是采用图3的理论模拟SPR系统的灵敏度(按照传统的光谱测量方法，去除光谱响应曲线的影响或作用，所得到如图3的SPR曲线，进行折射率测量的灵敏度)，和图4的实际SPR系统的灵敏度(有光谱响应曲线的影响或作用)。我们可以看到，在共振波长的不同位置，合适的光谱响应曲线都可以使系统的灵敏度增大，而且共振波长越长，增加的灵敏度越大。因此我们调整SPR传感器的入射角，使在所需的折射率测量范围内，SPR共振波长都在光谱响应曲线的波长尽量长的一端。这里需要注意的是，随着共振波长向长波长移动，SPR共振曲线的右半部会降得越来越低。这样SPR共振波长如果太长，则可能导致SPR共振曲线的右半边太低而影响共振波长的正常判断。因此我们需要寻求在SPR光谱曲线能正常判断出共振波长的前提下，在所需的折射率测量范围内，SPR共振波长都在光谱响应曲线的波长尽量长的一端。

本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种提高SPR传感器灵敏度的方法，包含步骤：

步骤(1)，提供光源与探测器，获取所述光源与探测器的第一光谱响应曲线，其中，在该第一光谱响应曲线的波长范围内，光谱响应特性随波长增加而单调下降；

步骤(2)，调整SPR传感器的入射角，使在预设的折射率测量范围内，折射率最大值所对应的SPR共振波长达到第一光谱响应曲线的允许最大波长值；

步骤(3)，在步骤(2)调整结束后，直接选取当前选定的入射角作为SPR传感器的最终入射角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在预设的折射率测量范围内，预设折射率最小值所对应的SPR共振波长处于第一光谱响应曲线的波长范围内。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(2)可包含如下子步骤：

步骤(2-A)、调整SPR传感器的入射角，使预设范围内折射率最大值所对应的SPR共振波长、预设范围内折折射率最小值所对应的SPR共振波长移动到第一光谱响应曲线上的波长范围内；

步骤(2-B)、调整SPR传感器的入射角，使预设范围内折射率最大值所对应的SPR共振波长向长波长方向移动预设步长；

步骤(2-C)、由判断单元来判断预设折射率范围内折射率最大值所对应的SPR光谱曲线是否能正常检测出共振波长；若判断单元判断能正常检测出共振波长，则返回步骤(2-B)，若判断单元判断不能正常检测出共振波长，则进入步骤(2-D)；

步骤(2-D)、调整SPR传感器的入射角，使预设范围内折射率最大值所对应的SPR共振波长向短波长方向移动预设步长。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在步骤(2-B)中，预设范围内折射率最小值所对应的SPR共振波长同时向长波长方向移动；

在步骤(2-D)中，预设范围内折射率最小值所对应的SPR共振波长同时向短波长方向移动。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

获取所述光源与探测器的整体光谱响应曲线，并在整体光谱响应曲线中选取第一光谱响应曲线；

其中，整体光谱响应曲线分为第一光谱响应曲线和第二光谱响应曲线，其中第一光谱响应曲线为整体光谱响应曲线中光谱响应特性随波长增加而单调下降的部分，第二光谱响应曲线为整体光谱响应曲线中光谱响应特性随波长增加而并非单调下降的部分。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述SPR传感器为光谱型SPR传感器。

优选的，通过更换样品来改变样品的折射率。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

在步骤(1)中，所述光源例如为卤钨灯、氙灯、LED。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述探测器例如为硅基CCD、CMOS、光电二极管阵列。

9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

优选的，预设步长为1nm、2nm、3nm、5nm、10nm或者20nm。

10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括

在步骤(3)调整结束后采集当前数据，通过光谱解析装置测量到的原始光谱数据来检测当前SPR共振波长值，作为传感器输出数据，则当前的SPR传感器具有比调整前更大的灵敏度。