CN108709874A - 基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置及方法，线偏振激光束入射到激励棱镜内部，并在该棱镜内部经设置有金属膜的棱镜面反射后进入匹配棱镜，从匹配棱镜射出，成为物光束，被测样品通过样品池与金属膜接触，物光束经反射镜反射后，成为反馈光，并经原路返回激光腔，反馈光与腔内的激光产生自混合干涉效应，纳米平移台驱动反射镜做平移运动以改变反馈光的光程，实现对自混合干涉信号的调制，通过光电探测器将调制的自混合干涉信号采集到计算机，由计算机软件系统进行处理得到干涉信号的位相和强度信息。本发明以自混合干涉的方式获取表征SPR生物芯片的位相和强度信息，简化光路结构、提高信息获取速度、降低数据处理量。

Description

基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置及方法

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域，具体涉及一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置及方法。

背景技术

生物传感器是一种将生物识别元素与目标物质结合的物理传感器，对生命科学和生物化学的研究与探索具有相当重要的作用，尤其对于生物分子间相互作用的研究，相比传统的生物法和酶联免疫法，其具有免标记、高特异性和灵敏度、反应速度快、成本低等优点。其中，表面等离子体共振(surface plasmons resonance，SPR)生物传感器是光学生物传感器的代表。SPR效应是利用P偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射时进入金属薄膜内的倏逝波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体，当倏逝波的波矢与表面等离子体的波矢相匹配时，二者将发生共振，入射光的能量被表面等离子体吸收，反射光强急剧下降，在反射光谱上出现共振峰。由于SPR现象发生在金属和介质的表面，因此它对金属表面的电介质折射率变化具有非常高的灵敏度，当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率稍有变化时，共振峰位置也随之改变，反射光的位相和强度均发生变化。如果将探针或配体固定于传感芯片(金属薄膜)表面，含待分析物的样品流经传感芯片表面，分子间发生特异性结合时引起传感芯片表面的折射率改变，通过检测SPR信号改变可实现检测分子间相互作用的特异性、浓度、动力学、亲合性、协同作用、相互作用模式等。SPR技术能实时监测生物分子相互作用的动态过程、分析样品不需要纯化、生物样品无需标记、检测过程方便快捷、灵敏度高等特点，使其可广泛应用于临床诊断、药物筛选、生物分子检测、环境监测以及食品安全监控等领域。

随着生命科学技术的不断发展，SPR技术在各类生物体系测定中的研究更为深入，市场对SPR技术提出越来越高的要求，使得提高SPR传感器性能，特别是通过采用新型传感装置和检测技术来实现高分辨率、高速检测，成为当前及未来SPR传感技术发展的趋势之一。为了提高SPR技术的探测分辨率，已有研究表明采用位相信号探测方式，理论上可达10^{- 8}RIU的探测分辨率。尽管认为位相探测方式具有最高的探测分辨率，但是目前采用这种方式的商用SPR传感器并不常见，究其原因主要有以下几方面导致难于达到理论探测分辨率：

(1)目前应用于SPR位相探测的主要有双光束干涉技术，所需装置复杂、工作环境要求苛刻，抗震动要求高。双光束干涉技术要求参与干涉的两光束强度不能相差太大，以便获得较好的干涉信号对比度和高的信噪比。而在SPR技术中，由于参与干涉的探测物光波被共振吸收，光强大为减弱，导致物光波和参考光波光强不匹配。为了两者匹配如果将参考光波的光强衰减，又会导致干涉信号过于微弱、信噪比低，不利于探测。

(2)位相型探测方式的动态测量范围较窄，一般的生物反应在很短的时间内就可能越过可测量的范围，要求采集信号的速度足够快。

自混合干涉(Self-mixing Interference,SMI，也称激光回馈)效应是指当激光器的出射光波经过外部物体反射回激光腔，与激光腔内的光波发生干涉，导致激光输出功率发生周期性的变化。目前，基于自混合干涉效应的干涉仪主要用于测量位移、振动、形貌、加速度、微小角度等。与传统干涉仪相比较，基于激光自混合干涉效应的干涉仪，具有以下优点：

(1)自混合干涉系统仅有一个光路通道，具有结构紧凑、简单、抗干扰强等优点。

(2)在自混合干涉技术中，由于激光腔对反射回腔中的光波进行放大，因此微弱的反射探测光波也可以获得对比度较高的干涉信号，不存在传统双光束干涉技术中，由于微弱探测物光波导致的和参考光波光强不匹配问题，条纹对比度优于双光束干涉。

(3)自混合干涉信号检测方便，从激光器的前向输出端和后向漏光端都可检测，特别是从后向漏光端检测时，和探测物光波完全隔离，避免检测时形成干扰。因此，自混合干涉技术是一种特色非常鲜明的技术，在一些独特的领域具有明显的应用优势，其可解决SPR技术中的高精度位相获取问题。

发明内容

本发明的第一个目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，可以提高位相的获取精度及速度。

本发明的另一个目的在于提供一种利用上述装置的实现SPR传感检测的方法。

根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，包括激光器1、偏振器2、旋转平台3、激励棱镜4、传感芯片5、匹配棱镜6、反射镜7、纳米平移台8、纳米平移台控制器9、旋转台控制器10、第一光电探测器11、信号采集器12、计算机13、样品池14、半反镜15、第二光电探测器16。

激光器1的谐振腔前端发射激光束，经偏振器2产生线偏振激光束，该激光束进入到激励棱镜4，并在该棱镜内部经贴合有传感芯片5的棱镜面反射至匹配棱镜6，从匹配棱镜6出射后，形成物光束，透过半反镜15，垂直入射到反射镜7，再被反射镜7反射，形成反馈光束；偏振器2产生的线偏振激光束，其振动方向平行于光束入射到传感芯片5的入射面。

反馈光束按原路返回进入激光器1的谐振腔，反馈光束与谐振腔内光束形成自混合干涉；第一光电探测器11设置在激光器1的谐振腔后端，用于探测激光器的激光后端输出光强，获取自混合干涉信号；第二光电探测器16设置在半反镜15的反射光路上，用于探测半反镜15的反射光强，获取SPR强度信号；反射镜7固定在纳米平移台8上，通过纳米平移台控制器9控制纳米平移台8驱动反射镜7平移，用于改变反馈光的光程，实现对自混合干涉信号的调制；信号采集器12分别与第一光电探测器11以及第二光电探测器16相连，采集信号后传输至相连的计算机13进行处理。

激励棱镜4和匹配棱镜6通过折射率匹配液粘附成一整体，并固定在旋转平台3上，旋转台控制器10与旋转平台3相连并驱动旋转平台3转动，用于调整激光束进入激励棱镜的入射角；传感芯片5通过折射率匹配液粘附在激励棱镜4底面，被测样品通过样品池14置于传感芯片5的金属膜表面。

计算机13控制旋转台控制器10、纳米平移台控制器9、信号采集器12和样品池14的联动，采集到的干涉信号经计算机进行处理得到干涉信号的强度和位相信息，通过强度和位相信息进一步获得被测样品的检测参数。

进一步地，所述的激励棱镜4和所述的匹配棱镜6为两个完全相同规格的三角棱镜，粘合在一起构成一个斜方棱镜。

进一步地，所述的传感芯片5为表面等离子体共振传感芯片，其表面上镀有金属膜，激光束进入到激励棱镜4后，经传感芯片5的金属膜反射至匹配棱镜6。

进一步地，所述的金属膜为金、银等贵金属膜。

根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置的传感方法，包括以下步骤：

S1、开启激光器1和计算机13，在样品池14加入待测样品，旋转台控制器10驱动旋转平台3转动，每旋转一个小角度，信号采集器12通过第二光电探测器16测得一个光强，从测得光强与旋转角度之间的曲线，得到加载样品后传感芯片5产生的表面等离子体共振效应的共振角；

S2、冲洗样品池14和还原传感芯片5，重新加载待测样品，旋转台控制器10驱动旋转平台3转动，使得激光束入射传感芯片5金属膜表面的入射角大于或小于共振角的2°以内；

S3、纳米平移台控制器9控制纳米平移台8驱动反射镜7平移，同时被测样品通过样品池14加载到传感芯片5上，信号采集器12通过第一光电探测器11采集自混合干涉信号，并存入计算机13；

S4、计算机13对采集到的自混合干涉信号进行处理，得到干涉信号的强度值和位相值，通过强度值和位相值进一步获得样品的需测检参数。

进一步地，所述的信号采集器12集成低通滤波功能，用于滤除包括环境灯在内的工频噪声的干扰。

进一步地，所述的第一光电探测器11采集激光器1后向漏光端出射的激光自混合干涉信号。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

(1)在干涉型SPR技术中采用自混合干涉技术，其结构简单紧凑、抗干扰能力强，容易获得更高的信噪比。

(2)采用位相调制探测技术，具有更高的干涉位相探测精度。

(3)采用高速采集技术，可快速获取表征SPR芯片的位相和强度信息。

附图说明

图1是本发明公开到的基于自混合干涉的表面等离子体共振检测装置示意图；

图2是理论模拟的角度扫描式SPR共振曲线图；

图3是SPR效应下强度与位相随折射率变化的理论模拟曲线图；

图4是采集到的调制后的激光自混合干涉信号示意图；

图5是基于自混合干涉的SPR技术检测Nacl颗粒在蒸馏水中溶解引起折射率变化的过程记录曲线的示意图；

图6是Nacl颗粒在蒸馏水中溶解引起折射率变化相对应的位相信号和振幅信号。

其中：1-激光器，2-偏振器，3-旋转平台，4-激励棱镜，5-传感芯片，6-匹配棱镜，7-反射镜，8-纳米平移台，9-纳米平移台控制器，10-旋转台控制器，11-第一光电探测器，12-信号采集器，13-计算机，14-样品池，15-半反镜，16-第二光电探测器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开了一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，包括线偏振激光束产生装置(激光器1和偏振器2)、激励棱镜4、匹配棱镜6、半反镜15、旋转平台3、纳米平移台8、两个强度型光电探测器(第一光电探测器11和第二光电探测器16)及相应的驱动和控制电路。线偏振激光束入射到激励棱镜4内部，并在该棱镜内部经贴合有传感芯片5的棱镜面反射，再透过匹配棱镜6出射，成为物光束，物光束垂直入射到固定在纳米平移台8上的反射镜7，反射后成为反馈光，原路返回激光器1的谐振腔，反馈光与腔内的激光形成自混合干涉，纳米平移台8做平移运动调制自混合干涉信号，在激光器后向漏光端由第一光电探测器11接收自混合干涉信号，半反镜15和第二光电探测器16接收物光束的光强信号。

激励棱镜4和匹配棱镜6为两个完全相同规格的三角棱镜，粘合在一起构成一个斜方棱镜。

传感芯片5为表面等离子体共振传感芯片，一玻璃片上镀有金属膜，金属膜为金、银等贵金属膜。

本实施例还提供一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感方法，首先，线偏振激光束通过激励棱镜4入射到置于传感芯片5上的待测样品，经匹配棱镜6反射后出射，成为物光束，物光束经半反镜15反射到第二光电探测器16，激励棱镜4和匹配棱镜6固定于旋转平台3上，转动旋转平台3调整激光束入射传感芯片5的入射角，每旋转一个小角度，第二光电探测器16测得一个光强，从测得光强与旋转角度之间的曲线，得到样品的表面等离子体共振角；转动旋转平台3，使得激光束入射传感芯片的入射角位于共振角附近。然后，微调上述装置，使物光束透过半反镜15垂直入射到反射镜7，反射光成为反馈光，经原路返回激光器1的激光腔，在激光腔内形成自混合干涉，纳米平移台8驱动反射镜7做平移运动，调制干涉信号，在激光器1后向漏光端由第一光电探测器11接收自混合干涉信号，经信号采集器12送至计算机13处理，可获得干涉信号的位相和强度信息。

其中，所述的线偏振激光束的偏振方向平行于镀有金属膜的棱镜面的入射面(p偏振光束)。

其中，所述的信号采集器12集成低通滤波功能，用于滤除环境灯等工频噪声的干扰。

上述方法基于一种自混合干涉的表面等离子体共振效应：表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种发生在金属与电介质分界面上的物理光学现象。表面等离子体共振的基本原理如下：按照麦克斯韦方程组，在一定的条件下，可以出现沿着具有负实数介电常数材料(如金属)和正实数介电常数电介质分界面上传播的平面电磁波，其振幅随离开分界面的距离按指数衰减，把这个沿着分界面传播的电磁波称为表面等离子体波(surface plasma wave，SPW)。在一定条件下，激励产生等离子体波的现象，称之为表面等离子体共振效应。激光自混合干涉技术是一种新型的相干计量技术，它是指激光器的输出光被外部物体反射或者散射后，其中一部分光反馈回激光器的谐振腔，反馈光携带了被测物体的信息，与腔内的光相混合后，调制激光器的输出功率和输出频率。激光自混合干涉仪与传统的干涉仪具有相同的位相灵敏度，而且结构简单、紧凑、易准直。由于自混合干涉信号是外腔位相的周期函数，外腔长半波长的改变，会引起自混合信号波动一个周期。采用图1所示的传感装置，以p偏振光束通过激励棱镜4入射到传感芯片5，转动旋转平台3改变p偏振光入射到传感芯片5上固定的样品池14中样品的入射角，由第二光电探测器16采集半反镜15反射的物光束强度值，若样品上发生表面等离子体共振效应，则在旋转平台3进行角度扫描过程中，物光束的光强值呈现强弱变化，则可得到如图2所示的SPR曲线。图2中光强最低点所对应的角度值则反映了待测样品的折射率信息。图3是SPR效应下强度与位相随折射率变化的理论模拟曲线。图3实线中A、B两点的折射率不同，但它们的强度相同，所以利用强度信息不能判别它们的折射率大小。也就是说，强度调制型的SPR方法因其检测原理导致了其折射率分辨率指标有限，不适用于生物芯片的高分辨检测。图3中点划线表示SPR信号光波位相随样品折射率的变化，从图中可以看出，位相在一段有限的折射率范围内(C、D两点间)发生跃变，说明在共振折射率(也是共振角)附近，位相变化率相对强度变化率要大许多，即位相灵敏度远高于强度灵敏度。可见，通过获取和计算SPR位相信息，可有效提高SPR的探测分辨率。因此，采用图1所示装置，用反射镜7将透过半反镜15的物光束原路反射回激光腔，在腔内形成自混合干涉，用纳米平移台8驱动反射镜7做平移运动，调制自混合干涉信号，用第一光电探测器11在激光器1后向漏光端接收调制的干涉信号，经信号采集器12送至计算机13处理，获取干涉信号的强度和位相信息。图4是采集到的调制后的自混合干涉信号。

实施例二

图1为本实施例中公开的基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置的结构示意图。首先，开启激光器1和计算机13，根据所测样品，旋转台控制器10驱动旋转平台3转动，每旋转一个小角度，信号采集器12通过第二光电探测器16测得一个光强，从测得光强与旋转角度之间的曲线，得到加载样品后传感芯片5产生的表面等离子体共振效应的共振角；旋转台控制器10驱动旋转平台3转动，使得激光束入射传感芯片5金属膜表面的入射角略大于共振角。然后，纳米平移台8驱动反射镜7平移，同时被测样品通过样品池14加载到传感芯片5上，信号采集器12通过第一光电探测器11采集自混合干涉信号，并存入计算机13。计算机13对采集到的自混合干涉信号进行处理，得到干涉信号的强度值和位相值，通过强度值和位相值可进一步获得样品的需测检参数。

激光器1为输出功率0.5mW、波长λ＝632.8nm的氦氖激光器，首先通过偏振片2将其偏振方向调整到相对激励棱镜4的镀有金属膜的镜面的p方向(即偏振光入射到激励棱镜4的镀金属膜面，其偏振方向平行于入射面)；激励棱镜4和匹配棱镜6均为K9玻璃45度直角棱镜，在一K9玻璃的盖玻片上镀有50nm厚的金膜，用香柏油将盖玻片粘贴在激励棱镜4的45度直角棱镜底面；用移液枪将一滴蒸馏水(30μl)滴在SPR传感芯片5上，使其完全覆盖激光束入射到传感芯片5表面的光斑；用SPR方法扫描检测被测样品(蒸馏水溶液)的共振角约为70.5°，通过旋转平台控制器10控制旋转平台3携带激励棱镜4和匹配棱镜6粘合成的斜方棱镜旋转，使p偏振光入射到传感芯片5的角度略大于共振角(约为72°)，经匹配棱镜6后物光束保持与入射方向平行，且垂直入射到反射镜7，经反射后反馈至激光器1的激光腔内，产生自混合干涉效应；反射镜7固定于纳米平移台8上，纳米平移台8的分辨率为1.4nm、最大移动范围为600μm，纳米平移台8驱动反射镜7做纳米级平移运动，从而改变反馈光的光程，实现对自混合干涉信号的调制；第一光电检测器11和第二光电检测器16为滨松S7686型光电二极管。将此装置应用于监测Nacl颗粒在蒸馏水中的溶解过程(将7.5mg Nacl颗粒加入到传感芯片5表面的蒸馏水液滴中)，得到的过程记录曲线如图5所示。样品的SPR共振角随着Nacl颗粒溶解过程逐渐增大，共振峰向角度大于蒸馏水共振角的方向偏移，整个SPR响应的过程由自混合干涉信号表征。图5中A-B段为Nacl颗粒加入前蒸馏水的自混合干涉信号；加入Nacl颗粒后，如B-C段所示，共振峰发生偏移，C位置表示此时偏振光束在金属膜的入射角变为SPR共振角；C-D段表示共振峰继续偏移。提取图5所示自混合干涉信号的振幅，得到的信号如图6中实线所示；提取图5所示自混合干涉信号的位相，得到的信号如图6中点画线所示。由图6可见在共振角附近，自混合干涉信号除强度发生较明显变化外，位相亦发生明显变化。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述的传感装置包括激光器(1)、偏振器(2)、旋转平台(3)、激励棱镜(4)、传感芯片(5)、匹配棱镜(6)、反射镜(7)、纳米平移台(8)、纳米平移台控制器(9)、旋转台控制器(10)、第一光电探测器(11)、信号采集器(12)、计算机(13)、样品池(14)、半反镜(15)、第二光电探测器(16)；

激光器(1)的谐振腔前端发射激光束，经偏振器(2)产生线偏振激光束，该偏振激光束进入到激励棱镜(4)，并在该棱镜内部经贴合有传感芯片(5)的棱镜面反射至匹配棱镜(6)，从匹配棱镜(6)出射后，形成物光束，透过半反镜(15)，垂直入射到反射镜(7)，再被反射镜(7)反射，形成反馈光束；反馈光束按原路返回进入激光器(1)的谐振腔，反馈光束与谐振腔内光束形成自混合干涉；

第一光电探测器(11)设置在激光器(1)的谐振腔后端，用于探测激光器的激光后端输出光强，获取自混合干涉信号；第二光电探测器(16)设置在半反镜(15)的反射光路上，用于探测半反镜(15)的反射光强，获取SPR强度信号；反射镜(7)固定在纳米平移台(8)上，通过纳米平移台控制器(9)控制纳米平移台(8)驱动反射镜(7)平移，用于改变反馈光的光程，实现对自混合干涉信号的调制；信号采集器(12)分别与第一光电探测器(11)以及第二光电探测器(16)相连，采集信号后传输至相连的计算机(13)进行处理；激励棱镜(4)和匹配棱镜(6)通过折射率匹配液粘附成一整体，并固定在旋转平台(3)上；旋转台控制器(10)与旋转平台(3)相连并驱动旋转平台(3)转动，用于调整激光束进入激励棱镜的入射角；传感芯片(5)通过折射率匹配液粘附在激励棱镜(4)底面，被测样品通过样品池(14)置于传感芯片(5)的金属膜表面；

计算机(13)控制旋转台控制器(10)、纳米平移台控制器(9)、信号采集器(12)和样品池(14)的联动，采集到的干涉信号经计算机进行处理得到干涉信号的强度和位相信息，通过强度和位相信息获得被测样品的检测参数。

2.根据权利要求1所述的基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述的偏振器(2)产生的线偏振激光束，其振动方向平行于光束入射到所述的传感芯片(5)的入射面。

3.根据权利要求1所述的基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述的激励棱镜(4)和所述的匹配棱镜(6)为两个完全相同规格的三角棱镜，粘合在一起构成一个斜方棱镜。

4.根据权利要求1所述的基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述的传感芯片(5)为表面等离子体共振传感芯片，其表面上镀有金属膜，偏振激光束进入到激励棱镜(4)后，经传感芯片(5)的金属膜反射至匹配棱镜(6)。

5.根据权利要求4所述的基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述的金属膜为金膜或银膜。

6.一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置的传感方法，其特征在于，所述的传感方法包括以下步骤：

S1、开启激光器(1)和计算机(13)，在样品池(14)加入待测样品，旋转台控制器(10)驱动旋转平台(3)转动，每旋转一个小角度，信号采集器(12)通过第二光电探测器(16)测得一个光强，从测得光强与旋转角度之间的曲线，得到加载样品后传感芯片(5)产生的表面等离子体共振效应的共振角；

S2、冲洗样品池(14)和还原传感芯片(5)，重新加载待测样品，旋转台控制器(10)驱动旋转平台(3)转动，使得激光束入射传感芯片(5)金属膜表面的入射角大于或小于共振角的2°以内；

S3、纳米平移台控制器(9)控制纳米平移台(8)驱动反射镜(7)平移，同时被测样品通过样品池(14)加载到传感芯片(5)上，信号采集器(12)通过第一光电探测器(11)采集自混合干涉信号，并存入计算机(13)；

S4、计算机(13)对采集到的自混合干涉信号进行处理，得到干涉信号的强度值和位相值，通过强度值和位相值进一步获得样品的需测检参数。

7.根据权利要求6所述的基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置的传感方法，其特征在于，所述的信号采集器(12)集成低通滤波功能，用于滤除包括环境灯在内的工频噪声的干扰。

8.根据权利要求6所述的基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置的传感方法，其特征在于，所述的第一光电探测器(11)采集激光器(1)后向漏光端出射的激光自混合干涉信号。