CN105717076A - 一种声光滤光的光谱spr成像传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生化传感检测领域，具体涉及一种基于声光滤光的光谱SPR成像传感系统；该光谱SPR成像系统和方法，基于声光可调谐滤光器AOTF实现光谱成像，利用SPR成像原理实现传感；宽光谱光源经光束整形准直系统后，入射到AOTF实现滤光，并进入由耦合三棱镜和生物传感芯片经折射率匹配液匹配连接构成的SPR传感核心部件，最后面阵列成像CCD实现成像；本发明是在传统SPR成像基础上，引入AOTF光谱成像技术，进而实现光谱SPR成像传感检测，是一种生物分子相互作用检测的有效手段，具有实时，无标记，高通量和高灵敏的传感检测优势。

Description

一种声光滤光的光谱SPR成像传感系统

技术领域

本发明涉及生化传感检测领域，具体涉及一种基于声光滤光的光谱SPR成像传感系统，该系统将表面等离子体共振技术和光谱成像技术结合，是一种生物分子相互作用检测的有效手段，具有实时、无标记、高通量和高灵敏的传感检测优势。

背景技术

表面等离子体共振(Surfaceplasmonresonance,SPR)通常由倏逝波在透射金属薄膜层边界激发。根据金属薄膜层与结合的分析物分子，不同波长的入射光，SPR共振角度不同。SPR传感器金属薄膜表面结合的分析物分子，引起表面折射率变化，通过SPR原理测量这种变化，可得到分子作用动力学及浓度等信息，从而理解分子间的相互作用。近年来，利用SPR原理制作的传感器受到了广泛的研究。

传统的SPR传感器，当传感器金属薄膜表面结合分析物分子时，选择固定入射光波长或SPR共振角度，测量另外一个参量的变化，来分析待测生物分子。该类传感器实现了较高灵敏度的生物分子分析，并且成本相对较低。但是，传统的SPR传感器，用点探测器探测光强，传感区域有限，并且测量过程通常需单色仪调节入射光波长或旋转耦合三棱镜来寻找SPR共振角，测量耗时。为了增大传感区域，提高SPR传感器的工作效率。目前，SPR传感器多为成像传感器，并且多为激光光源的SPR传感器，实现了实时的和高通量的生化分析探测。但是，单波长的SPR成像传感器灵敏度受限于杂散光和照射光束的均匀性等。用单色仪实现的光谱SPR成像传感器，虽然提高了单波长照明的SPR成像传感器的灵敏度，但同时降低了检测的速度。因此，有必要对其进行改进。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，提供一种光谱成像速率快、精度和灵敏度高、高通量、无生物标记且实时的声光滤光的光谱SPR成像传感系统。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种声光滤光的光谱SPR成像传感系统，包括宽光谱光源、第一透镜、光阑、第二透镜、声光可调谐滤光器AOTF、AOTF射频驱动器、偏振片、遮光板、耦合三棱镜、折射率匹配液、生物传感芯片、成像镜头、面阵列成像CCD和控制计算机，所述第一透镜、光阑和第二透镜构成光束整形准直系统，所述光束整形准直系统将宽光谱光源发出的光进行收集准直，整形为平行光，并垂直于声光可调谐滤光器AOTF的通光面入射，所述AOTF射频驱动器通过控制计算机控制，对声光可调谐滤光器AOTF施加不同频率的正弦交变电压，实现不同波长的光衍射，经声光可调谐滤光器AOTF衍射的0级和+1级衍射光用遮光板遮挡，衍射的-1级衍射光经偏振器调节偏振方向后进入耦合三棱镜，通过耦合三棱镜和折射率匹配液后，经生物传感芯片反射进入成像镜头，所述控制计算机触发面阵列成像CCD采集成像镜头上图像，并完成图像的光谱信息提取。

所述生物传感芯片包括平板玻璃基底和金膜，所述金膜镀置在平板玻璃基底上，所述金膜厚度为50nm，所述金膜表面点制待分析的生物分子样品微阵列或制作微流生化反应池。

所述平板玻璃基底的另一面为非镀膜面，所述非镀膜面用折射率匹配液与耦合三棱镜匹配连结。

所述声光可调谐滤光器AOTF衍射的-1级衍射光偏振方向与偏振片的透光轴平行，调节偏振片使-1级衍射光的偏振方向正好在耦合三棱镜中平行于入射面。

所述平板玻璃基底的反射角为35°-50°。

所述声光可调谐滤光器AOTF的成像光谱范围为0.4～1.7μm，成像光谱带宽为100nm，并且声光互作用晶体设置有光楔。

所述AOTF射频驱动器的工作频率为60～220MHz，光谱分辨率优于2nm。

所述耦合三棱镜的材质为BK-7玻璃。

所述成像镜头的焦距可调，使其对生物传感芯片反应区清晰成像。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：

1)利用AOTF实现光谱成像，在保证光谱分辨率的前提下，与单色仪实现的光谱SPR成像系统相比具有更快的光谱成像速率；

2)将AOTF光谱成像技术与SPR成像传感技术相结合，利用了SPR成像的高通量传感优点，同时利用AOTF光谱成像寻找不同分析物分子引起的SPR共振波长漂移的方法实现传感，消除了杂散光和光束不均匀等缺陷对SPR成像传感灵敏度和精度的影响；

3)利用AOTF超快的滤光调谐速率，系统没有机械调节部件，能够稳定的完成实时生化传感；

4)生化传感芯片通过折射率匹配液与耦合三棱镜匹配连接，根据不同的分析生物分子，可方便灵活地设计和制作生化传感芯片；

5)AOTF滤光和CCD图像采集均由控制计算机控制，实现光谱SPR成像，并在计算机中完成光谱信息的提取，绘制光谱曲线，判断分析物分子的SPR共振波长，进而实现生化传感，该传感具有无生物标记，高通量，测量精度和灵敏度高，测量速率快的优点，便于工业自化集成应用。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为生物分子点样阵列芯片；

图3为微流控生化反应芯片。

图中：1为宽光谱光源、2为第一透镜、3为光阑、4为第二透镜、5为声光可调谐滤光器AOTF、6为AOTF射频驱动器、7为偏振片、8为遮光板、9为耦合三棱镜、10为折射率匹配液、11为生物传感芯片、11.1为平板玻璃基底、11.2为金膜、11.3为生物分子样品微阵列、11.4为微流生化反应池、12为成像镜头、13为面阵列成像CCD、14为控制计算机。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，一种基于声光滤光的光谱SPR成像传感系统，该光谱SPR成像传感系统结构主要包括：宽光谱光源1，第一透镜2、光阑3和第二透镜4构成的光束整形准直系统，声光可调谐滤光器(Acousto-opticTunableFilter,AOTF)5，AOTF射频驱动器6、偏振片7、遮光板8、耦合三棱镜9和生物传感芯片11由折射率匹配液10匹配构成的SPR传感核心部件，成像镜头12，面阵列成像CCD13和控制计算机14。本发明是在传统SPR成像基础上，引入AOTF光谱成像技术，进而实现光谱SPR成像传感检测。

将宽光谱光源1(一般为卤钨灯光源)发出的光进行汇聚收集，并进行光束整形准直，使入射光束接近于平行光垂直AOTF5通光面入射。AOTF射频驱动器6的工作频率和驱动功率通过控制计算机14可调，依据AOTF的工作原理，通过AOTF射频驱动器6给AOTF5施加不同的频率的正弦交变电压，实现不同波长的光衍射。实施例选用的AOTF5，在声光互作用晶体的出射面，引入光楔设计来消除因为色散造成的不同波长衍射光的衍射角度差别，并将0级和+1级衍射光用遮光板8遮挡。

AOTF5衍射的-1级衍射光，经偏振片7入射到耦合三棱镜9。耦合三棱镜9材质一般为BK-7玻璃。传统的SPR传感器是在三棱镜的底面镀置一层金属膜，使得当入射光在三棱镜底面放生全内反射时，在金属表面层激发表面等离子体波。研究表明，只有入射光的P分量(TM波)满足动量匹配的条件时才能够激发表面等离子体波。

通常将全内反射的P分量波矢描述为

$k_x=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{n}_{P}sin\mathrm{\θ}---\left(1\right)$

其中，λ为入射光在真空中的波长，n_P为P分量在耦合三棱镜中的折射率，θ为入射光在三棱镜底面的内反射角。将表面等离子体波的波矢描述为

$k_{SP}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\sqrt{\frac{{n_m}^2{n_s}^2}{{n_m}^2+{n_s}^2}}---\left(2\right)$

其中，n_m和n_s分别表示金属膜和金属膜表面待分析生物样品的折射率。由式(1)和(2)，内全反射的P分量能够激发表面等离子体波满足的条件为

k_x≥k_SP(3)

其中，当k_x＝k_SP时，表面等离子体达到共振，P分量被全部转化为等离子体波，对应的全内反射角称之为SPR共振角θ_SPR。因为等离子体波同倏逝波一样在厚度方向呈e指数衰减，因此金属膜层厚度一般为波长量级，对于镀置的金膜一般为50nm。对于内反射出射光强来说，表面等离子体波的激发使反射光强减弱，并且激发程度不同，反射光强减弱的程度不同。由(1)式和(2)式可知，不同的测量样品具有不同的表面等离子体波矢。对于不同波长的入射光，SPR共振角不同。固定入射角的情况下，不同测量样品的共振波长不一样。SPR传感技术就是利用SPR现象的这些特点建立起来的。对于光谱SPR传感器，内反射角一般设置在35°～50°，并且调节偏振片7使入射光的偏振方向平行与入射面，实施例中AOTF出射的-1级衍射光调节与偏振片7透光轴平行。

但是传统的SPR传感器多在三棱镜的底面镀置金属膜，使得传感样品设计加工耗时，成本高，更换样品不方便。为了克服这些缺陷，本发明的SPR传感系统中，采用在平板玻璃基底11.1上镀置金膜11.2，再在金膜11.2表面制作待测生物分子的结构，设计的生物传感芯片11如图2所示。一般在金膜11.2表面点制生物分子样品微阵列11.3或制作微流生化反应池11.4，然后将非镀膜面与耦合三棱镜9底面透过折射率匹配液10匹配连结。

利用AOTF5实现扫频工作模式，输出不同波长的光，同时触发面阵列CCD13采集图像，图像经USB传输到控制计算机14，在计算机中完成图像的光谱信息提取，判断每个或几个像元位置的共振波长，进而实现生物分子间的相互作用和生化反应的检测。

此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了较详细的说明，所属领域的技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种声光滤光的光谱SPR成像传感系统，其特征在于：包括宽光谱光源(1)、第一透镜(2)、光阑(3)、第二透镜(4)、声光可调谐滤光器AOTF(5)、AOTF射频驱动器(6)、偏振片(7)、遮光板(8)、耦合三棱镜(9)、折射率匹配液(10)、生物传感芯片(11)、成像镜头(12)、面阵列成像CCD(13)和控制计算机(14)，所述第一透镜(2)、光阑(3)和第二透镜(4)构成光束整形准直系统，所述光束整形准直系统将宽光谱光源(1)发出的光进行收集准直，整形为平行光，并垂直于声光可调谐滤光器AOTF(5)的通光面入射，所述AOTF射频驱动器(6)通过控制计算机(14)控制，对声光可调谐滤光器AOTF(5)施加不同频率的正弦交变电压，实现不同波长的光衍射，经声光可调谐滤光器AOTF(5)衍射的0级和+1级衍射光用遮光板(8)遮挡，衍射的-1级衍射光经偏振器(7)调节偏振方向后进入耦合三棱镜(9)，通过耦合三棱镜(9)和折射率匹配液(10)后，经生物传感芯片(11)反射进入成像镜头(12)，所述控制计算机(14)触发面阵列成像CCD(13)采集成像镜头(12)上图像，并完成图像的光谱信息提取。

2.根据权利要求1所述的一种声光滤光的光谱SPR成像传感系统，其特征在于：所述生物传感芯片(11)包括平板玻璃基底(11.1)和金膜(11.2)，所述金膜(11.2)镀置在平板玻璃基底(11.1)上，所述金膜(11.2)厚度为50nm，所述金膜(11.2)表面点制待分析的生物分子样品微阵列(11.3)或制作微流生化反应池(11.4)。

3.根据权利要求2所述的一种声光滤光的光谱SPR成像传感系统，其特征在于：所述平板玻璃基底(11.1)的另一面为非镀膜面，所述非镀膜面用折射率匹配液(10)与耦合三棱镜(9)匹配连结。

4.根据权利要求2所述的一种声光滤光的光谱SPR成像传感系统，其特征在于：所述声光可调谐滤光器AOTF(5)衍射的-1级衍射光偏振方向与偏振片(7)的透光轴平行，调节偏振片(7)使-1级衍射光的偏振方向正好在耦合三棱镜(9)中平行于入射面。

5.根据权利要求4所述的一种声光滤光的光谱SPR成像传感系统，其特征在于：所述平板玻璃基底(11.1)的反射角为35°-50°。

6.根据权利要求1所述的一种声光滤光的光谱SPR成像传感系统，其特征在于：所述声光可调谐滤光器AOTF(5)的成像光谱范围为0.4～1.7μm，成像光谱带宽为100nm，并且声光互作用晶体设置有光楔。

7.根据权利要求6所述的一种声光滤光的光谱SPR成像传感系统，其特征在于：所述AOTF射频驱动器(6)的工作频率为60～220MHz，光谱分辨率优于2nm。

8.根据权利要求1所述的一种声光滤光的光谱SPR成像传感系统，其特征在于：所述耦合三棱镜(9)的材质为BK-7玻璃。

9.根据权利要求1所述的一种声光滤光的光谱SPR成像传感系统，其特征在于：所述成像镜头(12)的焦距可调，使其对生物传感芯片(11)反应区清晰成像。