CN106996924B - 一种角度扫描型spr传感器系统 - Google Patents
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Abstract
一种角度扫描型SPR传感器系统，大、小转盘由两个伺服电机驱动，等腰直角三棱镜固设于小转盘的上部，金属薄膜附着在等腰直角三棱镜底面上；流通池附着于金属薄膜上；流通池入口通过管路与电磁换向阀一的A口连接，其出口通过管路与注射泵连接；电磁换向阀一的C口与待测液容器连接，其B口与电磁换向阀二的A口连接；电磁换向阀二的C口与配体容器连接，其B口与缓冲液容器连接；凹透镜与第二凸透镜的焦点重合；CCD探测器和衰减片均固设在大转盘上；注射泵、电磁换向阀一和二、伺服电机一和二均与控制器电连接。该传感器可扩大角度扫描范围、增大可检测区域面积，且能提高检测精度，能实现高通量列阵检测，既可用于角度扫描又可用于光强调制检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，具体涉及一种角度扫描型SPR传感器系统，属于光学传感器领域。
背景技术
表面等离体激元共振(SPR)是一种物理现象，即当入射光以大于临界角的入射角照射到两种不同折射率的介质界面时，可引起金属中的自由电子发生共振，吸收入射光的能量，使反射光在特定角度范围内大大减弱，其中，使反射光强度减少最显著的入射角称为SPR角，SPR角随表面折射率的变化而发生改变，而折射率又和结合在金属表面额生物分子有一定的比例关系。可以通过对SPR角的检测来得到生物分子相互作用信息。因此，可以通过对SPR角的监测来得到生物分子相互作用信息。具有生物样品无需标记、无需纯化、实时监测等特点。广泛应用于生物、化学、医药、医学、环境科学检测，特别是在生物大分子相互作用的实时监测医疗诊断等领域具有独特的优势。
现有的统角度调制模式SPR是采用非扫描模式，利用光传播特点，将激光束经过发散、聚焦后，照射到棱镜的光束具有不同的入射角，在反射光射出的地方使用线阵CCD作为接收装置，整个过程中不需要机械转动装置即可完成角度调制检测，但这种检测可以测量的角度范围只有几度，限制了系统的使用，并且这种检测通常只能执行单个或者少数几个通道的样品检测，很难实现多通道、多种样品、多个探针的检测。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种角度扫描型SPR传感器系统，该传感器可扩大角度扫描范围，能增大可检测区域面积，且能提高检测精度，能实现高通量列阵检测，既可以用于角度扫描又可用于光强调制检测。
为了实现上述目的，本发明提供一种角度扫描型SPR传感器系统，包括光路系统、传感系统、数据采集系统和流通系统，所述光路系统由激光光源、第一凸透镜、凹透镜、第二凸透镜、偏振片和衰减片组成；
所述传感系统由等腰直角三棱镜和金属薄膜组成；
所述数据采集系统主要由动作机构、CCD探测器组成；所述动作机构包括大转盘、小转盘、支撑座、伺服电机一、伺服电机二和控制器；
所述流通系统包括流通池、注射泵、电磁换向阀一、电磁换向阀二、待测液容器、配体容器和缓冲液容器；
所述支撑座的中部设置有第一凹槽，所述大转盘下部的旋转轴通过轴承装配于所述第一凹槽中，大转盘的外圆面上设置有外齿圈，伺服电机一固定设置在支撑座上，伺服电机一的输出轴上装配有与所述外齿圈相啮合的齿轮一；大转盘的中心区域设置有凹台，小转盘可转动地设置在所述凹台中，小转盘下部中心区域设置开设有盲孔，所述盲孔中设置有内齿圈，所述伺服电机二固定设置在所述凹台的中心区域，伺服电机二的输出轴上装配有与所述内齿圈啮合的齿轮二；大转盘的转动角速度是小转盘转动角速度的2倍；
所述等腰直角三棱镜固定设置于小转盘的上部，等腰直角三棱镜的底边中心与小转盘的旋转中心重合；
所述金属薄膜固定附着在等腰直角三棱镜底边所在的侧面上；
所述流通池竖向地固定附着于金属薄膜远离等腰直角三棱镜的一个侧面上，流通池设置有流通池入口和流通池出口；所述流通池入口通过管路与电磁换向阀一的A口连接，流通池出口通过管路与所述注射泵连接；所述电磁换向阀一的C口通过管路与待测液容器连接，其B口通过管路与电磁换向阀二的A口连接；所述电磁换向阀二的C口通过管路与配体容器连接，其B口通过管路与缓冲液容器连接；
所述激光光源、第一凸透镜、凹透镜、第二凸透镜、偏振片的中心处于同一条水平线上，且依次靠近大转盘的设置；所述凹透镜与第二凸透镜的焦点重合以组成扩束系统；
所述CCD探测器和衰减片均固定设置在大转盘上，且均位于小转盘外沿的外侧；所述衰减片位于等腰直角三棱镜和CCD探测器之间；
所述注射泵、电磁换向阀一、电磁换向阀二和伺服电机一和伺服电机二均与控制器电连接。
本发明通过扩束系统对光源发出的光进行扩束以及CCD探测器的应用实现金属薄膜整个表面的传感检测，通过动作机构中大小转盘的转动能实现高精度的角度扫描以改变扩束光入射到金属薄膜的入射角，扫描范围能达到30°—70°，扩束系统和CCD探测器的设置可以显著地扩大了检测范围及精度，CCD探测器上的一个像素可以对应金属膜片上一块区域，经过扩束的光打在金属膜片上可有效增加检测区域，能使被激光照射到的金属膜片区域都能被检测到，进而可实现高通量阵列检测。
进一步，为了便于清洗金属薄膜，所述金属薄膜镀在薄盖玻片的一个侧面上，薄盖玻片的另一个侧面与等腰直角三棱镜底边所在的侧面固定连接。
进一步，为了避免交叉污染，进而能满足不同试验阶段对不同溶液的需求，所述注射泵采取抽液的方式工作。
作为一种优选，所述金属薄膜为金膜或银膜。
进一步，为了便于实现试验图像的显示、处理和保存，所述数据采集系统还包括计算机，所述计算机通过USB通信线与CCD探测器连接。通过使计算机与CCD探测器连接，能便于通过算法计算选取区域的反射光强值以得到各个通道SPR曲线，提高了检测精度，其既可以用于角度扫描检测又可用于光强调制检测。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中流通系统的结构示意图；
图3是本发明中大转盘和小转盘的转动配合示意图。
图中：1-1、激光光源，1-2、第一凸透镜，1-3、凹透镜，1-4、第二凸透镜，1-5、偏振片，1-6、衰减片，2-1、等腰直角三棱镜，2-2、金属薄膜，3-1、大转盘，3-2、小转盘，3-3、CCD探测器，3-4、计算机，3-5、USB数据线，4-1、流通池入口，4-2、流通池出口，4-3、流通池，4-4、注射泵，4-5、电磁换向阀一，4-6、电磁换向阀二，4-7、待测液容器，4-8、配体容器，4-9、缓冲液容器，5-1、支撑座，5-2、伺服电机一，5-3、伺服电机二，5-4、外齿圈，5-5、内齿圈，5-6、齿轮一，5-7、齿轮二。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，一种角度扫描型SPR传感器系统，包括光路系统、传感系统、数据采集系统和流通系统，所述光路系统由激光光源1-1、第一凸透镜1-2、凹透镜1-3、第二凸透镜1-4、偏振片1-5和衰减片1-6组成；所述传感系统由等腰直角三棱镜2-1和金属薄膜2-2组成；所述数据采集系统由动作机构、CCD探测器3-3、计算机3-4和USB通信线3-5组成；所述动作机构包括大转盘3-1、小转盘3-2、支撑座5-1、伺服电机一5-2、伺服电机二5-3和控制器；所述流通系统包括流通池4-3、注射泵4-4、电磁换向阀一4-5、电磁换向阀二4-6、待测液容器4-7、配体容器4-8和缓冲液容器4-9；所述支撑座5-1的中部设置有第一凹槽，所述大转盘3-1下部的旋转轴通过轴承装配于所述第一凹槽中，大转盘3-1的外圆面上设置有外齿圈5-4，伺服电机一5-2固定设置在支撑座5-1上，伺服电机一5-2的输出轴上装配有与所述外齿圈5-4相啮合的齿轮一5-6；大转盘3-1的中心区域设置有凹台，小转盘3-2可转动地设置在所述凹台中，小转盘3-2下部中心区域设置开设有盲孔，所述盲孔中设置有内齿圈5-5，所述伺服电机二5-3固定设置在所述凹台的中心区域，伺服电机二5-3的输出轴上装配有与所述内齿圈5-5啮合的齿轮二5-7；大转盘3-1的转动角速度是小转盘3-2转动角速度的2倍；即小转盘3-2转动θ°，大转盘3-1转动2θ°所述等腰直角三棱镜2-1固定设置于小转盘3-2的上部，等腰直角三棱镜2-1的底边中心与小转盘3-2的旋转中心重合；所述金属薄膜2-2固定附着在等腰直角三棱镜2-1底边所在的侧面上；所述金属薄膜2-2表面可修饰抗体等生物分子实现特异性检测，其可以是金膜或银膜。所述流通池4-3竖向地固定附着于金属薄膜2-2远离等腰直角三棱镜2-1的一个侧面上，流通池4-3设置有流通池入口4-1和流通池出口4-2；流通池4-3的材料主要采用聚二甲基硅氧烷，这种材料无毒无味，具有良好的化学稳定性和疏水性，而且材料较软，与金属膜片2-2结合起来密封性较好，液体不易渗漏。所述流通池入口4-1通过管路与电磁换向阀一4-5的A口连接，流通池出口4-2通过管路与所述注射泵4-4连接；所述电磁换向阀一4-5的C口通过管路与待测液容器4-7连接，其B口通过管路与电磁换向阀二4-6的A口连接；所述电磁换向阀二4-6的C口通过管路与配体容器4-8连接，其B口通过管路与缓冲液容器4-9连接；所述激光光源1-1、第一凸透镜1-2、凹透镜1-3、第二凸透镜1-4、偏振片1-5的中心处于同一条水平线上，且依次靠近大转盘3-1的设置；所述凹透镜1-3与第二凸透镜1-4的焦点重合以组成扩束系统；扩束光经过所述偏振片1-5得到可以激发表面等离体激元共振的P波；所述CCD探测器3-3和衰减片1-6均固定设置在大转盘3-1上，且均位于小转盘3-2外沿的外侧；所述衰减片1-6位于等腰直角三棱镜2-1和CCD探测器3-3之间；所述计算机3-4通过USB通信线3-5与CCD探测器3-3连接，以用于实现试验图像的显示、处理和保存；计算机3-4通过计算CCD探测器3-3获取视频的感兴趣通道区域的光强值以得到各通道SPR曲线。所述控制器可以采用STC12C5410芯片及其外围电路组成。
通过扩束系统对光源1-1发出的光进行扩束以及CCD探测器3-3的应用实现金属薄膜2-2整个表面的传感检测，通过动作机构能实现高精度的角度扫描以改变扩束光入射到金属薄膜2-2的入射角，扫描范围能达到30°—70°，显著地扩大了检测范围及精度，进而可实现高通量检测。通过使计算机3-4与CCD探测器3-3连接，能便于通过算法计算选取区域的反射光强值以得到各个通道SPR曲线，提高了检测精度，其既可以用于角度扫描检测又可用于光强调制检测。
所述注射泵4-4、电磁换向阀一4-5、电磁换向阀二4-6、伺服电机一5-2和伺服电机二5-3均与控制器电连接。
为了便于清洗金属薄膜，所述金属薄膜2-2镀在薄盖玻片的一个侧面上，薄盖玻片的另一个侧面与等腰直角三棱镜2-1底边所在的侧面固定连接。薄盖玻片与等腰直角三棱镜2-1之间通过折射率匹配液进行固定，比如香柏油。
为了避免交叉污染，进而能满足不同试验阶段对不同溶液的需求，所述注射泵4-4采取抽液的方式工作。
所述动作机构还可以内置光耦及二极管，以便于判断光源1-1、等腰直角三棱镜2-1底边、CCD探测器3-3三者是否位于同一轴线上。
工作原理：激光光源1-1所发射的光经过第一凸透镜1-2后变为平行光，平行光再经过凹透镜1-3和第二凸透镜1-4组成的扩束系统形成扩束光，扩束光经过偏振片1-5得到可以激发表面等离体激元共振的P波，经等腰直角三棱镜2-1折射后，光斑落在金属薄膜2-2上，这个过程中，通过控制器控制注射泵4-4得电工作，控制电磁换向阀一4-5或电磁换向阀二4-6的电控口得电，使缓冲液、配体或待测液中的一种或两种在注射泵4-4的吸取作用由流通池入口4-1进入流通池4-3，再由流通池出口4-1流出，即流通池4-3中始终有溶液，反应物质浓度或者物质的变化均会改变溶液的折射率和反射光强。经过等腰直角三棱镜2-1底面反射的光出射被CCD探测器接收。大转盘3-1和小转盘3-2的设置，可以通过小转盘3-2的转动来改变光的入射角度，再通过大转盘3-1的转动，来使CCD探测器3-3和衰减片1-6对准到等腰直角三棱镜2-1的反射腰面来进行对光强的检测，从而能便于通过CCD探测器3-3找出不同入射角度下的最小光强点，即SPR角。控制器通过控制伺服电机一5-2和伺服电机二5-3的转动来驱动大转盘3-1和小转盘3-2的转动。
使用方法：1)将激光光源1-1、第一凸透镜1-2、凹透镜1-3、第二凹透镜1-4放于光具座上并使光轴们于同一水平线上；打开光源电源1-1开关进行预热；
2)角度扫描检测时，通过控制器控制伺服电机一5-2和伺服电机二5-3驱动大转盘3-1和小转盘3-2达到初始角度；特别的为了保证CCD探测器3-3能够接收到反射的光信号，小转盘3-2的转速是大转盘的一半。控制器可以通过控制注射泵4-4来控制流通系统的流速，注射泵4-4对流通体系中的溶液(缓冲液、配体、待测液，缓冲液、配体、待测液分别存储在待测液容器4-7、配体容器4-8和缓冲液容器4-9中)的抽取保持在设定的速率；具体选择不同的溶液时通过电磁换向阀来控制，当电磁换向阀一4-5或电磁换向阀二4-6的电控口未通电时，电磁换向阀一4-5或电磁换向阀二4-6内部的A口到B口的通道打开，当电磁换向阀通电一4-5或电磁换向阀二4-6的电控口通电时，电磁换向阀通电一4-5或电磁换向阀二4-6的A口到C口的通道打开。控制器还可以根据计算机3-4的指令对电磁换向阀通电断电的控制实现缓冲液、配体、与待测液的抽取。CCD探测器3-3将接收到的视频数据通过通信单元传至计算机3-4中视频显示。在计算机3-4中选取想要查看的区域的大小及数量，点击开始按钮，通信单元与控制器进行通讯，控制器通过调节伺服电机的频率脉冲来驱动大小转盘的转动来进行逐步扫描，计算机3-4中的分析数据显示单元会显示各个区域的SPR曲线。进一步的分析数据与图像会保存在计算机3-4的数据库中。
3)光强检测时：1、事先进行SPR曲线预扫描，确定SPR共振角的位置，基于预扫描得到的SPR共振角，再通过控制器控制大转盘3-1与小转盘3-2转到相应的角度。控制器可以通过控制注射泵4-4来控制流通系统的流速，注射泵4-4对流通体系中的溶液(缓冲液、配体、待测液，缓冲液、配体、待测液分别存储在待测液容器4-7、配体容器4-8和缓冲液容器4-9中)的抽取保持在设定的速率；具体选择不同的溶液时通过电磁换向阀来控制，当电磁换向阀一4-5或电磁换向阀二4-6的电控口未通电时，电磁换向阀一4-5或电磁换向阀二4-6内部的A口到B口的通道打开，当电磁换向阀通电一4-5或电磁换向阀二4-6的电控口通电时，电磁换向阀通电一4-5或电磁换向阀二4-6的A口到C口的通道打开。控制器还可以根据计算机3-4的指令对电磁换向阀通电断电的控制实现缓冲液、配体、与待测液的抽取。CCD探测器3-3将接收到的视频数据通过通信单元传至计算机3-4中视频显示。在计算机3-4中选取想要查看的区域大小及数量，点击开始测量按钮，计算机3-4中的分析数据显示单元会计算通道内光强随时间变化情况并显示各通道随时间的变化的SPR曲线。进一步的分析数据与图像会保存在计算机3-4的数据库中。
Claims (5)
1.一种角度扫描型SPR传感器系统，包括光路系统、传感系统、数据采集系统和流通系统，其特征在于，所述光路系统由激光光源（1-1）、第一凸透镜（1-2）、凹透镜（1-3）、第二凸透镜（1-4）、偏振片（1-5）和衰减片（1-6）组成；
所述传感系统由等腰直角三棱镜（2-1）和金属薄膜（2-2）组成；
所述数据采集系统主要由动作机构和CCD探测器（3-3）组成；所述动作机构包括大转盘（3-1）、小转盘（3-2）、支撑座（5-1）、伺服电机一（5-2）、伺服电机二（5-3）和控制器；
所述流通系统包括流通池（4-3）、注射泵（4-4）、电磁换向阀一（4-5）、电磁换向阀二（4-6）、待测液容器（4-7）、配体容器（4-8）和缓冲液容器（4-9）；流通池（4-3）的材料主要采用聚二甲基硅氧烷；
所述支撑座（5-1）的中部设置有第一凹槽，所述大转盘（3-1）下部的旋转轴通过轴承装配于所述第一凹槽中，大转盘（3-1）的外圆面上设置有外齿圈（5-4），伺服电机一（5-2）固定设置在支撑座（5-1）上，伺服电机一（5-2）的输出轴上装配有与所述外齿圈（5-4）相啮合的齿轮一（5-6）；大转盘（3-1）的中心区域设置有凹台，小转盘（3-2）可转动地设置在所述凹台中，小转盘（3-2）下部中心区域设置开设有盲孔，所述盲孔中设置有内齿圈（5-5），所述伺服电机二（5-3）固定设置在所述凹台的中心区域，伺服电机二（5-3）的输出轴上装配有与所述内齿圈（5-5）啮合的齿轮二（5-7）；大转盘（3-1）的转动角速度是小转盘（3-2）转动角速度的2倍；
所述等腰直角三棱镜（2-1）固定设置于小转盘（3-2）的上部，等腰直角三棱镜（2-1）的底边中心与小转盘（3-2）的旋转中心重合；
所述金属薄膜（2-2）固定附着在等腰直角三棱镜（2-1）底边所在的侧面上；
所述流通池（4-3）竖向地固定附着于金属薄膜（2-2）远离等腰直角三棱镜（2-1）的一个侧面上，流通池（4-3）设置有流通池入口（4-1）和流通池出口（4-2）；所述流通池入口（4-1）通过管路与电磁换向阀一（4-5）的A口连接，流通池出口（4-2）通过管路与所述注射泵（4-4）连接；所述电磁换向阀一（4-5）的C口通过管路与待测液容器（4-7）连接，其B口通过管路与电磁换向阀二（4-6）的A口连接；所述电磁换向阀二（4-6）的C口通过管路与配体容器（4-8）连接，其B口通过管路与缓冲液容器（4-9）连接；
所述激光光源（1-1）、第一凸透镜（1-2）、凹透镜（1-3）、第二凸透镜（1-4）、偏振片（1-5）的中心处于同一条水平线上，且依次靠近大转盘（3-1）地设置；所述凹透镜（1-3）与第二凸透镜（1-4）的焦点重合以组成扩束系统；
所述CCD探测器（3-3）和衰减片（1-6）均固定设置在大转盘（3-1）上，且均位于小转盘（3-2）外沿的外侧；所述衰减片（1-6）位于等腰直角三棱镜（2-1）和CCD探测器（3-3）之间；
所述注射泵（4-4）、电磁换向阀一（4-5）、电磁换向阀二（4-6）、伺服电机一（5-2）和伺服电机二（5-3）均与控制器电连接。
2.根据权利要求1所述一种角度扫描型SPR传感器系统，其特征在于，所述金属薄膜（2-2）镀在薄盖玻片的一个侧面上，薄盖玻片的另一个侧面与等腰直角三棱镜（2-1）底边所在的侧面固定连接。
3.根据权利要求1或2所述一种角度扫描型SPR传感器系统，其特征在于，所述注射泵（4-4）采取抽液的方式工作。
4.根据权利要求1或2所述一种角度扫描型SPR传感器系统，其特征在于，所述金属薄膜（2-2）为金膜或银膜。
5.根据权利要求3所述一种角度扫描型SPR传感器系统，其特征在于，所述数据采集系统还包括计算机（3-4），所述计算机（3-4）通过USB通信线（3-5）与CCD探测器（3-3）连接，以用于实现试验图像的显示、处理和保存。
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