CN108489940A - 基于表面等离子体共振的手机生化成像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子体共振的手机生化成像装置，包括智能手机和成像配件，所述成像配件包括底座以及固定在底座上的光学元件支架和传感器组件以及用以安装传感芯片的支架，所述传感光路包括输入光路、棱镜、传感芯片和输出光路。本发明的基于表面等离子体共振的手机生化成像装置，通过输入光路、传感芯片和输出光路的设置，便可有效的利用智能手机的闪光灯作为光源，发出的光照射到棱镜及传感芯片上进行反射，到达智能手机的摄像头内进行成像，可实现高通量、多分子的同时检测。

Description

基于表面等离子体共振的手机生化成像装置
技术领域
本发明涉及一种便携式生化成像装置，更具体的说是涉及一种基于棱镜耦合式表面等离子体共振(SPR)的手机生化成像装置，可实现高通量、多分子的同时检测。
背景技术
智能手机已成为人类现代生活中不可或缺的一部分，因为它自带Wi-Fi、蓝牙、高像素相机、跟内置传感器相结合的多媒体服务系统，如GPS导航、光线传感器、温度传感器等。如此功能强大又便于携带的智能手机，已经慢慢取代电脑的许多用途，成为人们更方便快捷的一种生活方式。伴随着手机软件的大发展，如若智能手机带有高像素的相机便可以发展作为显微镜，分光仪及各种传感工具。
而近年来，生物传感器在化学检测、环境监测和食品检测等领域得到广泛的应用。但目前，生物传感器的检测仍然存在许多问题和挑战，如制备选择性好、活性高、稳定性好的传感芯片；开发便携式生物传感器；开发实时分子检测的传感器及具有智能互联网功能的生物传感器等。因此，开发便携式的具有智能互联网功能的生物传感器势在必行。而智能手机的发展为便携式生物传感器的开发提供了新的机遇。与传统的生化检测装置相比，智能手机传感系统体积小易于携带，无需与电脑连接存储数据。而且智能手机不需额外的光源和复杂的光学器件，利用智能手机的闪光灯作为光源系统，同一智能手机的摄像头相机作为信号接收和成像系统。另外，部分研究小组已经利用智能手机进行化学和生物传感检测。
基于SPR的光学检测原理的生物传感器的市场需求越来越大。目前，市面上已有体积较小易于携带的SPR生化检测设备，但是这些设备大都需要连接电脑来实现数据读取。基于此，将两者联用，研发此便携式表面等离子体共振生化成像装置进行传感应用，同时可实现高通量、多分子检测。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种便携式、基于棱镜耦合式SPR的手机生化成像装置，能够实现多种生物分子的同时成像检测。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于表面等离子体共振的手机生化成像装置，包括智能手机和成像配件，所述成像配件可拆卸的连接在智能手机上，所述成像配件包括底座以及均固定在底座上的固定边框和传感光路以及用于连接流通池的样品支架，所述传感光路包括输入光路、棱镜、传感芯片和输出光路，所述智能手机安装在固定边框上，所述输出光路靠近智能手机的摄像头设置，所述棱镜、输入光路依次排列在输出光路背向智能手机的一侧，所述智能手机的闪光灯通过光纤与输入光路连接，所述样品支架设置在输入光路与输出光路之间，所述棱镜和传感芯片均固定在样品支架上，并相互贴合后粘贴到样品支架内的流通池上，所述智能手机闪光灯的光通过光纤进入到输入光路内，然后通过棱镜在传感芯片表面反射后，输出到输出光路，并在智能手机的摄像头内成像，另外，该闪光灯的出射光与传感芯片存在入射角θ，该入射角θ大小满足激发传感芯片的表面等离子体共振。
作为本发明的进一步改进，所述输入光路包括均安装在底座上的安装架以及分别依次对应的安装在安装架内的滤光镜、扩束镜组合、准直透镜和偏光片，所述偏光片安装在安装架靠近样品支架的位置上，所述滤光镜、扩束镜组合、准直透镜和偏光片呈直线排列，所述滤光镜安装在安装有偏光片的安装架背向样品支架的一侧，所述底座靠近安装有滤光镜的安装架的位置上设有光纤安装板，所述光纤安装板的上侧边开设有供光纤嵌入的光纤安装孔，与智能手机的闪光灯连接的光纤嵌入到光纤安装孔内，并且该光纤从智能手机的闪光灯导出的光路依次经过滤光镜、扩束镜组合、准直透镜和偏光片，到达棱镜耦合的传感芯片形成输入光路。
作为本发明的进一步改进，所述传感芯片包括棱镜、基底和纳米金属层，棱镜的折射率范围为1.4～1.9，所述基底可以是镧玻璃、BK7玻璃、普通玻璃或塑料基底的一种，纳米金属层通过蒸镀加工于基底上，蒸镀的第一层是2～5nm的铬金属，第二层金属材料是金、银、铜中的一种或者两种，总厚度为35～60nm。
作为本发明的进一步改进，所述输出光路包括通过安装架安装在底座(23)上的透镜(331)，其中，从传感芯片(34)反射出来的反射光，经过透镜(331)，到达智能手机(1)的摄像头内进行成像。
作为本发明的进一步改进，所述固定边框呈U型框架状，该U型的一侧边固定在底座上，所述U型框架的内侧上开设有沿U型框架延伸的嵌槽，当智能手机安装在固定边框上时，智能手机的侧边嵌入到嵌槽内固定。
作为本发明的进一步改进，所述样品支架包括上夹块和下夹块以及连接柱，所述下夹块固定在底座上，所述连接柱的上端与上夹块固定连接，下端与下夹块固定连接，以在上夹块和下夹块之间构成一个夹住棱镜的夹持空间。
作为本发明的进一步改进，所述上夹块和下夹块的一侧面上均开设有连接孔，采用螺栓穿过连接孔并与传感芯片、流通池固定连接，以将传感芯片通过匹配油等贴合固定在棱镜上。
作为本发明的进一步改进，所述上夹块的下侧面和下夹块的上侧面上均开设有呈三角形状的夹槽，当棱镜被夹持固定到上夹块和下夹块之间时，棱镜嵌入到夹槽内固定。
本发明的有益效果，通过智能手机的设置，可以有效的提供一个光源和摄像头单元的基础，而通过成像配件的设置，便可有效的利用智能手机的闪光灯照射到传感芯片上，之后反射成像到智能手机的摄像头内，如此很好的实现了一个成像的效果，相比于现有技术中采用光谱检测的方式，检测结果更加的直观快捷，且可实现高通量、多成分的检测。
附图说明
图1为本发明的基于表面等离子体共振的手机生化成像装置的结构示意图；
图2为本发明的基于表面等离子体共振的手机生化成像装置的原理图；
图3为通过实验测试，进行数据处理，作出的随折射率的变化得到的反射率变化的标准曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。
参照图1至3所示，本实施例的一种基于表面等离子体共振的手机生化成像装置，包括智能手机1和成像配件2，所述成像配件2可拆卸的连接在智能手机1，所述成像配件2包括底座23以及均固定在底座23上的固定边框21和传感光路3以及用于连接流通池的样品支架4，所述传感光路3包括输入光路32、棱镜31、传感芯片34和输出光路33，所述智能手机1安装在固定边框21上，所述输出光路33靠近智能手机1的摄像头设置，所述棱镜31、输入光路32依次排列在输出光路33背向智能手机1的一侧，所述智能手机1的闪光灯通过光纤与输入光路32连接安装在光纤安装板231上，所述棱镜31和传感芯片34均固定在样品支架4上，并与流通池固定，所述智能手机1闪光灯发出的光通过光纤进入到输入光路32内，然后通过棱镜反射后输出到输出光路33，进而输入到智能手机1的摄像头内进行成像，另外，该闪光灯的出射光与传感芯片34存在入射角θ，该入射角θ大小满足激发传感芯片34的表面等离子体共振。在使用本实施例的成像装置的过程中，只需要将智能手机1安装到固定边框21上，然后将传感芯片与流通池安装到样品支架4上，就完成了检测的前期准备步骤，之后按照下列步骤进行检测应用：
1.将棱镜和修饰过特异性受体的SPR传感芯片通过匹配油贴附，并固定在样品支架上，然后流通池贴附于传感芯片的表面，通过手机的摄像头采集样品的成像图或成像视频；
2.将不同浓度的检测样品通过蠕动泵或注射器加入到流通池中反应，记录传感芯片反应过程的视频；
3.通过手机或电脑软件处理，得到不同样品检测时随时间的反射率的变化曲线，进而实现对化学和生物样品的检测应用。
利用此方法，我们测试得到了此SPR智能手机成像装置的折射率分辨率。即设置滤光镜321的带通波长为632.8±0.2nm，通过在流通池中加入不同浓度的丙三醇水溶液，体积分数分别为：0，2％，4％，6％，8％，10％；可以获得如图3插图中所示的SPR装置的折射率反射曲线，其折射率灵敏度为1960R/RIU，从而根据数据噪音计算得到，此SPR智能手机成像装置的折射率分辨为5×10-5RIU。
如此便可有效的实现一个检测成像的效果，相比于现有技术中采用光谱检测的方式检测结果更为直观，更加的简便快捷，同时本实施例的程序装置设备结构简单，不需额外的光源和复杂的光学器件，利用智能手机的闪光灯作为光源系统，同一智能手机的摄像头作为信号接收和成像系统，与外挂件构成传感器检测系统，具有小型化、重量轻、便于携带、成本低等特点；利用棱镜耦合的SPR技术，不需要荧光标记，可对传感芯片部分成像并获得成像视频，最终实现高灵敏度、高选择性和高稳定性的检测生物分子；操作方便，具有智能化程度高，易控制等特点；有助于实现家庭个性化诊疗。
作为改进的一种具体实施方式，所述输入光路32包括均安装在底座上的安装架以及分别依次对应的安装在安装架内的滤光镜321、扩束镜组合322、准直透镜323和偏光片324，所述偏光片324安装在安装架靠近样品支架4的位置上，所述滤光镜321、扩束镜组合322、准直透镜323和偏光片324呈直线排列，所述滤光镜321安装在安装有偏光片的安装架背向样品支架4的一侧，所述底座23靠近安装有滤光镜的安装架的位置上设有光纤安装板231，所述光纤安装板231的上侧边开设有供光纤嵌入的光纤安装孔2311，与智能手机1的闪光灯连接的光纤嵌入到光纤安装孔2311内，并且该光纤从智能手机1的闪光灯导出的光路依次经过滤光镜321、扩束镜组合322、准直透镜323和偏光片324，到达棱镜耦合的传感芯片34形成输入光路，通过安装架的设置，便可有效的对偏光片324和滤光镜321进行安装，实现将智能手机1闪光灯输出的光源先进行偏光后滤光输出到棱镜31内，使得棱镜31能够更好的进行反射到智能手机1的摄像头内成像，而通过光纤引出光源的方式，可以很好的设计和调整入射光角度，同时本实施例中还可以在滤光镜321和偏光片324之间加设准直透镜和扩束镜组合可以达到准直和大光斑的效果，并使得进入棱镜31和芯片34表面的光斑强度均匀。
作为改进的一种具体实施方式，所述传感芯片34包括基底和纳米金属层，所述棱镜31的折射率范围为1.4～1.9，所述基底可以是镧玻璃、BK7玻璃、普通玻璃或塑料基底的一种，纳米金属层通过蒸镀加工于基底上，蒸镀的第一层是2～5nm的铬金属，第二层金属材料是金、银、铜中的一种或者两种，总厚度为35～60nm。。
作为改进的一种具体实施方式，所述固定边框21呈U型框架状，该U型的一侧边固定在底座23上，所述U型框架的内侧上开设有沿U型框架延伸的嵌槽211，当智能手机1安装在固定边框21上时，智能手机1的侧边嵌入到嵌槽211内固定，将固定边框21设置成U型，如此便能够很好的实现一个半包的方式，这样便能够很好的将智能手机1固定到底座23上了，同时也不会出现损伤智能手机1的情况出现。
作为改进的一种具体实施方式，所述样品支架4包括上夹块41和下夹块42以及连接柱43，所述下夹块42固定在底座23上，所述连接柱43的上端与上夹块41固定连接，下端与下夹块42固定连接，以在上夹块41和下夹块42之间构成一个夹住棱镜31的夹持空间，通过上夹块41和下夹块42的设置，便可有效的实现将棱镜31夹持固定在样品支架4上，如此便能够很好的接收滤光镜324输出的光然后进行反射成像了，而通过连接柱43的设置，便可有效的与上夹块41和下夹块42之间连接构成一个夹持棱镜31的夹持空间了，且结构简单容易实现。
作为改进的一种具体实施方式，所述上夹块41和下夹块42的一侧面上均开设有连接孔411，采用螺栓穿过连接孔411并与传感芯片固定连接，以将传感芯片贴合固定在棱镜31的一侧面上，通过连接孔411的设置便可有效的实现通过螺栓将传感芯片固定到样品支架4上，同时能够很好的与棱镜31相贴了，以实现表面等离子体共振。
作为改进的一种具体实施方式，所述上夹块41的下侧面和下夹块42的上侧面上均开设有呈三角形状的夹槽412，当棱镜31被夹持固定到上夹块41和下夹块42之间时，棱镜31嵌入到夹槽412内固定，通过夹槽412的设置，就可以更好的将棱镜31固定到上夹块41与下夹块42之间，同时能够对棱镜31进行有效的定位，保证SPR的正常发生。
综上所述，本实施例的基于棱镜耦合式表面等离子体共振的手机生化成像装置，通过智能手机1和成像配件2的设置，便能够有效的实现一个直接成像检测的效果，如此相比于现有技术中采用光谱检测的方式，检测结果更加直观，更加方便快捷。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于表面等离子体共振的手机生化成像装置，包括智能手机(1)和成像配件(2)，所述成像配件(2)可拆卸的连接在智能手机(1)上，所述成像配件(2)包括底座(23)以及均固定在底座(23)上的固定边框(21)和传感光路(3)以及用于连接流通池的样品支架(4)，所述传感光路(3)包括输入光路(32)、棱镜(31)、传感芯片(34)和输出光路(33)，所述智能手机(1)安装在固定边框(21)上，所述输出光路(33)靠近智能手机(1)的摄像头设置，所述棱镜(31)、输入光路(32)依次排列在输出光路(33)背向智能手机(1)的一侧，所述智能手机(1)的闪光灯通过光纤与输入光路(32)连接，所述样品支架(4)设置在输入光路(32)与输出光路(33)之间，所述棱镜(31)和传感芯片(34)均固定在样品支架(4)上，并通过匹配油等相互贴合后固定到样品支架(4)内的流通池上，所述智能手机(1)闪光灯的光通过光纤进入到输入光路(32)内，然后通过棱镜(31)在传感芯片(34)表面反射后，输出到输出光路(33)，并在智能手机(1)的摄像头内成像，另外，该闪光灯的出射光与传感芯片(34)存在入射角θ，该入射角θ大小满足激发传感芯片(34)的表面等离子体共振。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体共振的手机生化成像装置，其特征在于：所述输入光路(32)包括均安装在底座上的安装架以及分别依次对应的安装在安装架内的滤光镜(321)、扩束镜组合(322)、准直透镜(323)和偏光片(324)，所述偏光片(324)安装安装架在靠近样品支架(4)的位置上，所述滤光镜(321)、扩束镜组合(322)、准直透镜(323)和偏光片(324)呈直线排列，所述滤光镜(321)安装在安装有偏光片的安装架背向样品支架(4)的一侧，所述底座(23)靠近安装有滤光镜的安装架的位置上设有光纤安装板(231)，所述光纤安装板(231)的上侧边开设有供光纤嵌入的光纤安装孔(2311)，与智能手机(1)的闪光灯连接的光纤嵌入到光纤安装孔(2311)内，并且该光纤从智能手机(1)的闪光灯导出的光路依次经过滤光镜(321)、扩束镜组合(322)、准直透镜(323)和偏光片(324)，到达棱镜耦合的传感芯片(34)形成输入光路。
3.根据权利要求2所述的基于表面等离子体共振的手机生化成像装置，其特征在于：所述传感芯片(34)包括基底和纳米金属层，所述棱镜(31)的折射率范围为1.4～1.9，所述基底可以是镧玻璃、BK7玻璃、普通玻璃或塑料基底的一种，纳米金属层通过蒸镀加工于基底上，蒸镀的第一层是2～5nm的铬金属，第二层金属材料是金、银、铜中的一种或者两种，总厚度为35～60nm。
4.根据权利要求3所述的基于表面等离子体共振的手机生化成像装置，其特征在于：所述输出光路(33)包括通过安装架安装在底座(23)上的透镜(331)，其中，从传感芯片(34)反射出来的反射光，经过透镜(331)，到达智能手机(1)的摄像头内进行成像。
5.根据权利要求4所述的基于表面等离子体共振的手机生化成像装置，其特征在于：所述固定边框(21)呈U型框架状，该U型的一侧边固定在底座(23)上，所述U型框架的内侧上开设有沿U型框架延伸的嵌槽(211)，当智能手机(1)安装在固定边框(21)上时，智能手机(1)的侧边嵌入到嵌槽(211)内固定。
6.根据权利要求5所述的基于表面等离子体共振的手机生化成像装置，其特征在于：所述样品支架(4)包括上夹块(41)和下夹块(42)以及连接柱(43)，所述下夹块(42)固定在底座(23)上，所述连接柱(43)的上端与上夹块(41)固定连接，下端与下夹块(42)固定连接，以在上夹块(41)和下夹块(42)之间构成一个夹住棱镜(31)的夹持空间。
7.根据权利要求6所述的基于表面等离子体共振的手机生化成像装置，其特征在于：所述上夹块(41)和下夹块(42)的一侧面上均开设有连接孔(411)，采用螺栓穿过连接孔(411)并与传感芯片(34)固定连接，以将传感芯片(34)贴合固定在棱镜(31)的一侧面上。
8.根据权利要求7所述的基于表面等离子体共振的手机生化成像装置，其特征在于：所述上夹块(41)的下侧面和下夹块(42)的上侧面上均开设有呈三角形状的夹槽(412)，当棱镜(31)被夹持固定到上夹块(41)和下夹块(42)之间时，棱镜(31)嵌入到夹槽(412)内固定。
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