CN107643268A - 一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置，该装置通过对显微物镜后焦面即SPR吸收谱的辨识从而实现对待测样品的折射率等特征信号检测。该装置主要包括表面等离子体光学系统、聚焦调节系统以及图像处理系统三部分。该装置使用具有高数值孔径的固浸显微物镜或者油浸显微物镜进行表面等离子体共振(SPR)的激发。本装置具有能实现无损检测、高分辨率和高灵敏度等特点。

Description

一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置

技术领域

本发明涉及一种纳米传感装置，尤其涉及一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置。

背景技术

SPR是一种沿金属和电介质表面传播的电磁波，它对金属和电解质的折射率和厚度的变化十分敏感，能够对亚细胞结构、亚纳米量级的薄膜、大分子结构、分子与分子的相互作用等进行检测，而且检测的结果具有高灵敏度、稳定性和高重复性，在化学、医疗、生物、半导体材料、信息等领域有广泛的应用。传统的SPR传感系统是棱镜式SPR系统，其不足之处在于其横向分辨率受制于SPR波的传播长度，通常在十多个微米，远大于常规光学系统的衍射极限即半波长量级。为了实现对于微纳材料、液态样品和气态样品的实时检测，本发明提出了一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置。本装置使用高数值孔径的固浸显微物镜或油浸显微物镜用于激发SPR，将入射光严格聚焦到亚微米尺度的焦点并在焦点的局域范围内激发SPR，有效提高了横向分辨率。此外，使用一种后焦面信号识别算法精确提取出后焦面上SPR吸收环的半径，从而得到待测样品的特征信息。该发明具有系统简单、高分辨率、成本低、以及能实现无损检测等优点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

棱镜式SPR显微技术横向分辨率不足，难以对样品表面的局部信息进行检测。本发明为实现局部的高分辨率检测，提出了一种使用高数值孔径显微物镜来激发表面等离子体的高分辨率纳米传感装置。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置。该传感装置主要由表面等离子体显微成像系统、聚焦调节系统和图像处理系统组成。

其中表面等离子体光学系统由照明光路和成像光路组成。照明光路用于对光路进行照明，由相干照明光源发出线性偏振态或者径向偏振态光束，由扩束透镜来扩大入射光半径以充满通光孔径。成像光路用于对光路进行成像，主要包括显微物镜、成像透镜组和图像传感器。显微物镜采用高数值孔径固浸显微物镜或油浸显微物镜，将扩束后的光聚焦到样品表面，其中固浸显微物镜由长工作距透镜和超半球组成。成像透镜组使得固浸或油浸显微物镜后焦面与图像传感器共轭，图像传感器用于采集显微物镜后焦面的图像。

聚焦调节系统，包括样品夹持装置、传感芯片、样品池和移动平台；样品夹持装置用于夹持传感芯片；所述样品池的样品形态可以为固态、液态或者气态；移动平台用于沿轴向运动将传感芯片精确调节于物镜焦点处。使用固浸显微物镜时超半球作为传感芯片的一部分随聚焦调节系统进行位置调节。

图像处理系统用于对后焦面反射图谱上信号的高精度自动识别。使用一种高精度的后焦面SPR激发角的提取算法对SPR吸收圆弧位置进行精确的拟合，获得样品池内待测样品的局部特征信息。

以上描述了该传感装置的主要工作原理和特征。本装置具有以下优点：

(1)提供一种高精度检测方法，横向和轴向分辨率分别达到亚微米和亚纳米量级；

(2)可以实现入射光零角度入射，机械结构简单；

(3)不用荧光标记，使用会聚光作为虚拟探针，不用与样品接触，实现无损检测；

(4)使用具有超高数值孔径的固浸显微物镜激发SPR，可以实现对固态、气态、液态等各类样品进行检测。

附图说明

图1为使用固浸显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置的光路图；

图2为表面等离子体激发的原理图；

图3为表面等离子体显微镜后焦面的反射图谱进行信号提取；其中左图为该装置工作在线性偏振模态下信号的提取，右图为径向偏振模态下信号的提取；

图4为使用油浸显微物镜时的光路图；

其中图1中：1为相干照明光源，2为扩束透镜组，3为分光镜，4为长工作距透镜，5为超半球，6为聚焦调节系统，7为成像透镜组，8为图像传感器；

其中图4中：1为相干照明光源，2为扩束透镜组，3为分光镜，4为油浸显微物镜，5为聚焦调节系统，6为成像透镜组，7为图像传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

具体实施方式一：本实施方式所述的一种使用高分辨率固浸显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置，其光学系统如附图1所示，包括：相干照明光源(1)，扩束透镜组(2)，分光镜(3)，长工作距透镜(4)，超半球(5)，聚焦调节系统(6)，成像透镜组(7)，图像传感器(8)。相干照明光源(1)，扩束透镜组(2)，分光镜(3)的中心位于同一光轴上；固浸显微物镜(4)，超半球(5)，聚焦调节系统(6)成像透镜组(7)，图像传感器(8)位于同一光轴上。

该装置使用相干照明光源进行照明，扩束透镜组(2)对照明光源进行扩束以充满油浸显微物镜的数值孔径。长工作距透镜(4)和一个超半球(5)组成具有高数值孔径的固浸显微物镜，用于将入射光聚焦在纳米尺度的焦点下。经过分光镜的反射后，固浸显微物镜将扩束后的光线聚焦到样品表面。

图像传感器(7)经成像透镜组(8)与固浸显微物镜的后焦面共轭，用于采集物镜后焦面上的图像。

本实施方式所述的一种纳米传感装置，所述的聚焦调节系统，包括样品夹持装置、传感芯片、样品池和移动平台；样品夹持装置用于夹持传感芯片；所述传感芯片上样品池的样品形态可以为固态、液态或者气态；附图1中聚焦调节系统(6)的箭头简要示意出当样品池中样品为液体或气体时的注入或流出。移动平台用于沿轴向运动将传感芯片精确调节于物镜焦点处；超半球(5)为传感芯片的一部分随聚焦调节系统进行位置调节。

本实施方式所述的一种纳米传感装置，对图像传感器采集到的后焦面的反射图谱使用一种精确的信号提取算法对样品的局部特征信息进行计算。使用线性偏振模态的入射光激发SPR时，在与显微物镜后焦面共轭的图像传感器上得到的反射图谱，其特征为在通光孔径内产生一对对称的SPR吸收圆弧。线性偏振下后焦面反射图谱产生原理图如附图2所示。当使用径向偏振激发下后焦面上的反射图谱特征为在通光孔径内产生一个完整的圆环。当样品的折射率或者厚度发生变化时，SPR吸收角度会变化，对应在后焦面上产生的SPR吸收圆弧的位置也会发生变化。通过提取后焦面上SPR激发角的位置信息，使用后焦面SPR激发角的提取算法对该圆弧或者圆环的位置进行精确的拟合，获得待测样品的特征信息。使用这种高精度提取算法对线性偏振模态和径向偏振模态下的后焦面反射图谱上信号识别的实现分别如附图3的左图和右图所示所示。依据测得的特征信息可以确定待测固体、液体或者气体样品的折射率等信息，对照其相应仿真结果可以获得样品的成分、浓度或者厚度信息，实现对待测样品的实时检测。

具体实施方式二：该纳米传感装置可以使用油浸显微物镜代替固浸显微物镜实现入射光在传感芯片上的汇聚。当本装置使用油浸显微物镜时光路的布置如附图4所示。相干照明光源(1)，扩束透镜组(2)，分光镜(3)的中心位于同一光轴上；油浸显微物镜(4)，聚焦调节系统(5)成像透镜组(6)，图像传感器(7)位于同一光轴上。使用油浸显微物镜时对物镜后焦面图像的处理与具体实施方式一相同。

Claims (7)

1.一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置，包括：

表面等离子体光学系统，用于进行SPR的激发与检测，包括照明系统和成像系统；

聚焦调节系统，用于将传感芯片和样品调节于显微物镜焦点处；

图像处理系统，用于对采集到的后焦面上的反射图谱进行样品特征信号的自动提取。

2.如权利要求1所述的一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置，其特征在于，所述表面等离子体光学系统的照明系统由相干照明光源、扩束装置、分光镜组成，成像系统由高数值孔径显微物镜、成像透镜组和图像传感器组成。

3.如权利要求1所述的一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置，其特征在于，所述扩束装置能够扩大入射光的半径，以充满该装置中显微物镜的通光孔径并可满足表面等离子体的激发角度的要求；所述光源、扩束装置与分光镜位于同一光轴；显微物镜的后焦面经成像透镜组与传感器感光面共轭，成像光路中光束经显微物镜和成像透镜组后，被图像传感器采集。

4.如权利要求1所述的一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置，其特征在于，所述表面等离子体光学系统的高数值孔径显微物镜可以使用高数值孔径的固浸显微物镜或者油浸显微物镜；其中高数值孔径固浸显微物镜由长工作距透镜和超半球组成。

5.如权利要求1所述的一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置，其特征在于，所述聚焦调节系统包括样品夹持装置、传感芯片、样品池和移动平台；样品夹持装置用于夹持传感芯片；所述样品池的待检测样品形态可以为固态、液态或者气态；移动平台用于沿轴向运动将传感芯片精确调节于物镜焦点处；使用固浸显微物镜时超半球为传感芯片的一部分随聚焦调节系统进行位置调节。

6.如权利要求1所述的一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置，其特征在于，所述表面等离子体光学系统光源偏振态可以为线性偏振或者径向偏振。

7.如权利要求1所述的一种使用显微物镜激发的表面等离子体纳米传感装置，其特征在于，所述图像处理系统通过一种高精度的SPR激发角的提取算法，用于对光学系统采集到的后焦面上的SPR反射图谱进行自动的信号提取，得到样品池中样品的局部特征信息。