CN105628655B - 一种基于表面等离子体共振的光学显微镜 - Google Patents

一种基于表面等离子体共振的光学显微镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子体共振的光学显微镜，包括有沿着光路依次布置的激光发生器、入射角调整组件、分束器、光学显微放大物镜和等离子共振传感芯片，还包括有图像传感器，所述的入射角调整组件包括有用于将入射光转换成p偏振光的偏振片，所述的激光发生器的入射光经过入射角调整组件、分束器、光学显微放大物镜并以表面等离子体共振角（θ）入射到等离子共振传感芯片，在等离子共振传感芯片上激发等离子表面共振，等离子共振传感芯片上的反射光经过光学显微放大物镜、分束器并入射成像于图像传感器上。本发明的优点是分辨率高且无需荧光标记。

Description

一种基于表面等离子体共振的光学显微镜
技术领域
本发明涉及一种基于表面等离子体共振（SPR）的光学显微镜系统。
背景技术
一直以来，在生命科学、生物研究、材料科学等领域，光学显微镜都扮演着极其重要的角色。相比于其他高分辨率的显微镜，光学显微镜具有其独特的优势:例如跟电子显微镜相比，光学显微镜具有实时、动态观察活体样本的优点。单就这一优点，使得光学显微镜在生物学研究中的地位是无可比拟的。但是光学显微镜也有其自身的缺点，其中最大的缺点是光学显微镜的分辨率受到光学衍射极限的限制。普通荧光显微镜的分辨率也在~200nm，超高分辨荧光显微镜可实现小于10nm结构的成像，但是均需要对样品进行荧光标记，这可能会使得样品的活性等性质发生改变而无法反应样品的真实特性。因此对于光学显微镜而言，提高其分辨率，并实现无需荧光标记是至关重要。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种分辨率高且无需荧光标记的基于表面等离子体共振的光学显微镜。
为实现上述目的，本发明的技术方案是包括有沿着光路依次布置的激光发生器、入射角调整组件、分束器、光学显微放大物镜和等离子共振传感芯片，还包括有图像传感器，所述的入射角调整组件包括有用于将入射光转换成p偏振光的偏振片，所述的激光发生器的入射光经过入射角调整组件、分束器、光学显微放大物镜并以表面等离子体共振角（θ）入射到等离子共振传感芯片，在等离子共振传感芯片上激发等离子表面共振，等离子共振传感芯片上的反射光经过光学显微放大物镜、分束器并入射成像于图像传感器上。
进一步设置是所述的入射角调整组件包括有设置于偏振片光路前端的准直透镜和设置于偏振片光路后端的聚光透镜，且入射光经过入射角调整组件和分束器后聚焦于光学显微放大物镜的后聚焦面上。
进一步设置是所述的入射角调整组件整体置于移动平台上。通过该移动平台整体带动入射角调整组件移动，从而调节入射到等离子共振传感芯片上的入射光的入射角满足表面等离子体共振角（θ）。
进一步设置是所述的光学显微放大物镜的外端和等离子共振传感芯片的内端面之间填充有光学匹配油，该光学匹配油的折射率范围为1.515～1.780。
进一步设置是所述的图像传感器为CCD图像传感器或者CMOS图像传感器。
进一步设置是所述的偏振片为天然的双折射晶体或人造的偏振片。
进一步设置是所用的光学显微放大物镜的放大倍数在40～100倍之间，其数值孔径范围为1.40～1.69。
进一步设置是分束器是棱镜、分色镜、薄膜分束器或半片全反射镜中的一种。
进一步设置是所述的等离子共振传感芯片由基底材料和金属层构成，其中基底材料为镧玻璃、BK7玻璃、普通玻璃或塑料基片中的一种，在该基底材料上先蒸镀一层2 nm±1的金属铬，再蒸镀一层厚度为40～60nm的金、银、铜、铝、铂的一种或多种材料的复合层。
进一步设置是所述的分束器向图像传感器之间的反射光路上还设置有透镜。
本发明的工作原理是，利用表面等离子体共振（SPR）技术所得到的SPR显微镜可以有效提高光学显微镜的分辨率达到小于50nm，并无需荧光标记，本发明所用的表面等离子体共振是一种发生在金属与电介质分界面上的物理光学现象，它是一种电磁表面波，场强在表面处最大，垂直于分界面的方向上场强以指数趋势衰减。表面等离子体共振需要满足共振条件，通常利用棱镜或者光栅将入射光耦合到介质层的表面激发得到表面等离子体波，跟入射光发生全内反射产生的消逝波能量相同时发生共振，使得反射光的能量急剧减少。
本发明中，我们利用光学显微放大物镜直接接触到介质层,在介质层与物镜之间通过匹配油连接,高数值孔径能够提供足够大的入射角,实现矢量匹配,从而实现表面等离子体共振，表面等离子体共振对介质层的折射率变化非常敏感，利用这种特性可以区分折射率不同的材料，而形成明暗不同的像，从而构成一种具有高分辨率，高灵敏度，免荧光标记的SPR显微镜。
本发明的技术方案可以应用在以下领域：
（1）直径大于50 nm的纳米颗粒免标记成像，例如病毒与其表面受体的相互作用成像。
（2）生物分子领域的实时检测，例如生物分子以及生物细胞相互作用的实时检测，又如生物分子在DNA或蛋白质芯片上的信息的实时检测。
（3）细胞分子领域的实时免标记检测，例如细胞分子相互作用以及细胞胶原纤维形成的免标记检测。
（4）药物大分子，多肽等与细胞、组织的相互作用实时检测。
本发明与现有技术相比所具备的优点是：
本发明的SPR显微镜，不需要荧光标记，便可实现高分辨率，高灵敏度，高稳定性的实时检测生物分子。
本发明的SPR显微镜，可以定量检测样品中某种颗粒的含量，这种技术可以弥补其他只能定性检测的不足。
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步介绍。
附图说明
图1所示为本发明的结构示意图。
图2所示为CCD相机上所探测到反射光强度的图像。
图3所示为金纳米颗粒在CCD相机上的灰度图。
图4所示为从CCD相机一个像素点上探测到反射光强度随入射角变化的改变图。
图5所示为从CCD相机上探测到反射光的光强随入射角变化的改变图，即所谓的表面等离子体共振图像（SPRi）。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述，只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述发明的内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。
参阅图1所示结构示意图，按照光路次序各个部件依次为激光发生器1，光纤2，移动平台3，准直透镜4，偏振片5，聚光透镜6，分束器7，光学显微放大物镜8，匹配油9，等离子共振传感芯片10，待测样品11，透镜12，图像传感器13。
以利用SPR显微镜检测一个直径为80nm的金纳米颗粒为例，来说明使用SPR显微镜进行检测的实验步骤：
（1）等离子共振传感芯片制备，选BK7玻璃作为基底，在该玻璃片先蒸镀一层2nm的金属铬，第二层蒸镀厚约47 nm的金层，在金芯片表面自组装一层直径为80nm的金纳米颗粒。
（2）打开激光发生器，调节光路，使得图像传感器（优选为CCD相机）上接收到较强的信号。
（3）参阅图1，调节移动平台在x方向移动来线性调节入射光到光学显微放大物镜的位置，使得从物镜出来的光束到达金芯片的入射角发生变化，获得SPR角度光谱图，并获得能激发SPR的入射角度。
（4）如图2所示，在CCD相机上观测到的图像，其中亮点部分是所放置的其中一个金纳米颗粒，其灰度图如图3所示，其半峰宽（FWHM）大概在650nm左右。
（5）利用图像传感器探测从等离子共振传感芯片反射回来的光强，可以发现当等离子共振传感芯片上入射光的角度在某个值的时候，反射到相机的光强最弱，此时说明已经发生表面等离子体共振，入射光的一部分能量转化为了表面等离子体波的能量。图4所示为图像传感器一个像素点上当光入射角度变化时，反射光强度随之发生的变化。可见，一个像素约160nm×160nm的大小范围，也能测出SPR角度光谱图。由此为之后在一个像素的小面积上分析分子的相互作用成为可能，甚至为单分子检测成为可能。
（6）通过扫描入射光的入射角度，从图像传感器上可以探测到反射光的光强随之变化，而获得SPR角度光谱图。如图5所示，在单个80nm的金纳米颗粒吸附在金片上后，SPR角度增加了约2°。通过表面等离子共振图像的变化和SPR角度的变化，可以计算出待测样品的属性，包括含量、折射率，甚至质量等信息。

Claims (9)

1.一种基于表面等离子体共振的光学显微镜，其特征在于：包括有沿着光路依次布置的激光发生器、光纤、入射角调整组件、分束器、光学显微放大物镜和等离子共振传感芯片，还包括有图像传感器，所述的入射角调整组件包括有用于将入射光转换成p偏振光的偏振片，所述的激光发生器的入射光经过入射角调整组件、分束器、光学显微放大物镜并以表面等离子体共振角（θ）入射到等离子共振传感芯片，在等离子共振传感芯片上激发等离子表面共振，等离子共振传感芯片上的反射光经过光学显微放大物镜、分束器并入射成像于图像传感器上；所用的光学显微放大物镜的放大倍数在40～100倍之间，其数值孔径范围为1.40～1.69。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的光学显微镜，其特征在于：所述的入射角调整组件包括有设置于偏振片光路前端的准直透镜和设置于偏振片光路后端的聚光透镜，且入射光经过入射角调整组件和分束器后聚焦于光学显微放大物镜的后聚焦面上。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的光学显微镜，其特征在于：所述的入射角调整组件整体置于移动平台上。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的光学显微镜，其特征在于：所述的光学显微放大物镜的外端和等离子共振传感芯片的内端面之间填充有光学匹配油，该光学匹配油的折射率范围为1.515～1.780。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的光学显微镜，其特征在于：所述的图像传感器为CCD图像传感器或者CMOS图像传感器。
6.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的光学显微镜，其特征在于：所述的偏振片为天然的双折射晶体或人造的偏振片。
7.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的光学显微镜，其特征在于：分束器是棱镜、分色镜、薄膜分束器或半片全反射镜中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的光学显微镜，其特征在于：所述的等离子共振传感芯片由基底材料和金属层构成，其中基底材料为镧玻璃、BK7玻璃、普通玻璃或塑料基片中的一种，在该基底材料上先蒸镀一层2 nm±1的金属铬，再蒸镀一层厚度为40～60nm的金、银、铜、铝、铂的一种或多种材料的复合层。
9.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的光学显微镜，其特征在于：所述的分束器向图像传感器之间的反射光路上还设置有透镜。
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