CN107843577A - 一种用于表面等离子体子共振检测系统的一体化棱镜组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于表面等离子体子共振检测系统的一体化棱镜组件，包括芯片外盒、芯片卡盒和一体化棱镜芯片，芯片外盒为中空且前后开放的正六面体形；芯片卡盒的顶面上形成有开孔，芯片卡盒内形成有容纳一体化棱镜芯片的空腔，芯片卡盒的左、右两侧各形成一个通孔，便于入射光和出射光通过；芯片卡盒的前端设置有便于芯片进出仓机构的插柱插入的插孔；一体化棱镜芯片具有三个光学表面，其中顶面为全反射面，镀有金属膜，另外两个光学表面分别位于顶面两侧且均为平面或柱面，分别为光线的入射面和出射面，三个光学表面的位置分别与所述芯片卡盒顶面上的开孔及两侧的通孔相对应。该组件检测精度及检测效率高，操作方便快捷，生产成本较低。

Description

一种用于表面等离子体子共振检测系统的一体化棱镜组件
技术领域
本发明本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种用于表面等离子体子共振检测系统的一体化棱镜组件。
背景技术
表面等离子体共振(SPR)传感技术具有高灵敏度、高精度、免标记、无损伤、实时快速检测等优点，在生物传感、药物开发、临床诊断、环境检测以及食品安全等领域具有广阔的应用前景，是国内外近年来研究的热点之一。
当激发光源通过棱镜界面并发生全内反射时，倏逝波能够引发金属膜中的自由电子产生表面等离子。在入射角或波长为某一适当值的条件下，表面等离子体与倏逝波的频率和波数相等，二者将发生共振，入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振峰(即SPR谱)。当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时，共振峰位置将不同。因而当属金膜表面结合的物质浓度发生改变时，其折射率也会发生变化，因而通过连续监测表面等离子体共振吸收峰的变化就能够适时监测到待测目标分析物的反应情况。SPR芯片一般为镀有金属膜的玻璃片。检测时，金属膜上已经包被试样的SPR芯片紧密贴近反应池的流道一侧，芯片的另一面紧密贴合在棱镜的底面上，此时往往需要用到折射率与棱镜折射率相近的耦合材料来降低反射界面的反射光。测量过程中，光学信号发射系统提供给芯片不同角度的光线，不同角度的光线入射到芯片上下表面，某一角度的光线与芯片上表面的物质发生作用，产生SPR现象被吸收，其它角度的光线被全反射，光学信号接受系统会接收被芯片全反射回来的光，分析吸收光线的角度及特征。
然而，目前在以上传统结构设计中，SPR传感器往往是棱镜与芯片分开，应用耦合材料将棱镜与芯片耦合在一起，耦合材料可以是液态的耦合剂也可以是固态的耦合片。入射光经过人工操作贴合的“棱镜-耦合材料界面”、“耦合材料-芯片界面”才能到达金属膜层，全反射后又经过上述两个界面才能回到棱镜，同样完成一次检查，光线在普通设计中比一体化棱镜中多经过4次界面，在每个界面都会有(由于折射率不同而引起的)光能损失，亦或容易在操作过程中造成反应池漏液、芯片损坏或耦合材料中产生气泡等，影响光学信号读取。传统芯片结构复杂，制作工艺繁琐，不利于实际推广使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、检测高效、成本低廉的一体化SPR传感器棱镜芯片。
本发明的技术方案如下：
一种用于表面等离子体子共振检测系统的一体化棱镜组件，包括芯片外盒、插入所述芯片外盒内的芯片卡盒和安装在所述芯片卡盒上的一体化棱镜芯片，所述芯片外盒为中空且前后开放的正六面体形；所述芯片卡盒的顶面上形成有开孔，芯片卡盒内形成有容纳所述一体化棱镜芯片的空腔，芯片卡盒的左、右两侧各形成一个通孔，便于入射光和出射光通过；芯片卡盒的前端设置有便于芯片进出仓机构的插柱插入的插孔；所述一体化棱镜芯片具有三个光学表面，其中顶面为全反射面，镀有金属膜，另外两个光学表面分别位于顶面的两侧且均为平面或柱面，分别为光线的入射面和出射面，所述三个光学表面的位置分别与所述芯片卡盒顶面上的开孔及两侧的通孔相对应。
其中所述的一体化棱镜芯片为柱状，其横截面上宽下窄，一体化棱镜芯片的底面与顶面平行，用于芯片定位；一体化棱镜芯片的前后两个端面平行；所述入射面和出射面均为柱面，且两个柱面的轴心线重合并位于所述顶面内。
所述一体化棱镜芯片的顶面靠近另外两个光学表面一侧各形成一向外向下倾斜的斜面，便于所述一体化棱镜芯片卡装在所述芯片卡盒上。
所述芯片卡盒的空腔两侧靠近其顶面处形成有用于卡住所述一体化棱镜芯片的斜面的卡点。
所述芯片卡盒的底面两侧形成有用于支撑所述一体化棱镜芯片的入射面和出射面的支撑部，所述一体化棱镜芯片的底面与芯片卡盒的底面接触，用于定位。
另外，在芯片外盒的内壁上还形成有多个导向筋，所述芯片卡盒沿所述多个导向筋插入芯片外盒内，以减少二者之间的滑动摩擦力。
与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：
(1)本发明把芯片与棱镜设计为一体，即一体化芯片，与传统的分体式相比，无需耦合，不需要使用者进行耦合操作，缩短了工作时间，且操作简单易行，避免误操作；减少由了于耦合带来的多个折射面引起的光能量损失，避免了耦合材料内部光学缺陷引起的光线散射及变形等缺点。
(2)本发明把芯片与棱镜设计为一体，即一体化芯片，把通常的棱镜和芯片两个零件合成一个组件，降低了成本。
(3)本发明通过芯片卡盒设计，使芯片模块可以被准确定位在表面等离子体共振系统中。
(4)本发明设计了芯片盒组件，可以有效保护芯片不受外界污染。
本发明在传统表面等离子检测模式中内嵌入样品净化模块，能够快速、高效分离目标分析物与干扰物，可用于农产品食品中生物毒素、农兽药残留、非法化学添加剂的分析检测，也可用于生物和医学的分子相互作用研究，具有样品需求量小、干扰小、灵敏度高、重现性好等优点，可广泛应用于食品安全检测和生物分子相互作用研究。
附图说明
图1a、1b为一体化棱镜组件的结构示意图；
图2为一体化棱镜组件中芯片外盒的结构示意图；
图3a、3b为一体化棱镜组件中芯片外盒的结构示意图；
图4a、4b为一体化棱镜组件中一体化棱镜芯片的结构示意图；
图中：
1、芯片外盒 2、芯片卡盒 3、一体化棱镜芯片 3a、入射面 3b、斜面 3c、顶面
3d、出射面 3e、底面 4、导向筋 5、插孔 6、芯片卡盒底面 7、支撑部
8、卡点 9a、9b：通孔 10、空腔
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一体化棱镜组件的结构作进一步详细说明。
参见图1a-图4b所示的本发明的一个实施例。图中的棱镜芯片组件包括一体化棱镜芯片以及所对应的芯片盒。其中一体化棱镜芯片可以由光学玻璃材料经冷加工得到，芯片盒可以由塑料材料注塑而成。芯片盒由芯片卡盒2和芯片外盒1组成，芯片卡盒2与芯片外盒1为抽屉结构，芯片卡盒2可装入芯片外盒1内，与芯片外盒1形成独立的腔室，保护芯片不被污染。
一体化棱镜芯片3为柱状，其横截面上宽下窄。一体化棱镜芯片3具有三个光学表面，其中顶面(图中位置)3c为平面，另外两个为柱面，两个柱面分别为光线的入射面3a和出射面3d，入射面3a和出射面3d的轴心线重合，且位于顶面3c内。顶面3c为全反射面，镀有金属膜(在本实施例中为金膜)，镀有金属膜的顶面用于与流动池等气路或液路元件连接，使待测样本流过芯片表面，为表面等离子体子谐振提供条件。
底面3e与顶面3c平行，用于芯片定位；一体化棱镜芯片的前后两个端面为平行的平面。在顶面3c靠近入射面3a和出射面3d一侧各形成一向外向下倾斜的斜面3b，便于一体化棱镜芯片3卡装在芯片卡盒2上。
芯片卡盒2的空腔10两侧靠近其顶面处均形成有用于卡住一体化棱镜芯片的斜面的卡点8，卡点8设计成斜坡形防反向脱落形状，从而可以在芯片装入芯片盒后将其卡紧。在芯片卡盒底面6的两侧均形成有用于支撑一体化棱镜芯片3的入射面3a和出射面3d的支撑部7，支撑部7的形状与入射面3a和出射面3d的柱面形状相适应。一体化棱镜芯片3的底面3e与芯片卡盒2的底面接触，用于定位，便于将一体化棱镜芯片3牢固地放置在芯片卡盒2里，并与芯片卡盒一起固定在表面等离子体子谐振系统的光路中。
在芯片外盒的内壁上还形成有多个导向筋4，芯片卡盒2沿多个导向筋4插入芯片外盒1内，以减少二者之间的滑动摩擦力。
本发明的用于表面等离子体子共振检测系统的镀金属膜一体化棱镜芯片，形成表面等离子体子共振的镀金属膜芯片与检测系统中的棱镜设计为一体。光源进入棱镜后直接入射至金属膜，可提升表面等离子体子共振检测仪的检测精度及检测效率，也可应用于病理、生物学、生命科学研究以及药物检测等诸多领域。其操作方便快捷，所有部件可采用光学塑料注塑技术进行加工，生产成本相对较低。

Claims (6)

1.一种用于表面等离子体子共振检测系统的一体化棱镜组件，其特征在于：包括芯片外盒、插入所述芯片外盒内的芯片卡盒和安装在所述芯片卡盒上的一体化棱镜芯片，
所述芯片外盒为中空且前后开放的正六面体形；
所述芯片卡盒的顶面上形成有开孔，芯片卡盒内形成有容纳所述一体化棱镜芯片的空腔，芯片卡盒的左、右两侧各形成一个通孔，便于入射光和出射光通过；芯片卡盒的前端设置有便于芯片进出仓机构的插柱插入的插孔；
所述一体化棱镜芯片具有三个光学表面，其中顶面为全反射面，镀有金属膜，另外两个光学表面分别位于顶面的两侧且均为平面或柱面，分别为光线的入射面和出射面，所述三个光学表面的位置分别与所述芯片卡盒顶面上的开孔及两侧的通孔相对应。
2.根据权利要求1所述的一体化棱镜组件，其特征在于：所述一体化棱镜芯片为柱状，其横截面上宽下窄，一体化棱镜芯片的底面与顶面平行，用于芯片定位；一体化棱镜芯片的前后两个端面平行；所述入射面和出射面均为柱面，且两个柱面的轴心线重合并位于所述顶面内。
3.根据权利要求2所述的一体化棱镜组件，其特征在于：所述一体化棱镜芯片的顶面靠近另外两个光学表面一侧各形成一向外向下倾斜的斜面，便于所述一体化棱镜芯片卡装在所述芯片卡盒上。
4.根据权利要求3所述的一体化棱镜组件，其特征在于：所述芯片卡盒的空腔两侧靠近其顶面处形成有用于卡住所述一体化棱镜芯片的斜面的卡点。
5.根据权利要求3所述的一体化棱镜组件，其特征在于：所述芯片卡盒的底面两侧形成有用于支撑所述一体化棱镜芯片的入射面和出射面的支撑部，所述一体化棱镜芯片的底面与芯片卡盒的底面接触，用于定位。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一体化棱镜组件，其特征在于：在所述芯片外盒的内壁上形成有多个导向筋，所述芯片卡盒沿所述多个导向筋插入芯片外盒内。
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