CN109115728B - 表面电磁模式共振高光谱成像装置、成像方法及应用 - Google Patents

Abstract

一种表面电磁模式共振高光谱成像装置、成像方法及应用，该装置包括耦合部件、光源、显微镜筒、高光谱相机和表面电磁模式共振芯片，表面电磁模式共振芯片包括表面电磁模式共振结构；由光源发出的宽带线偏振平行光从耦合部件的第一侧射入耦合部件后，在共振结构靠近耦合部件的表面发生全反射，产生的消逝场与共振结构作用而共振激励表面电磁模式，反射光携带着表面电磁模式共振结构的二维信息从耦合部件的第二侧射出后，穿过显微镜筒被高光谱相机接收，记录的反射光图像和光谱为表面电磁模式共振图像和共振光谱。本发明可进行图像和光谱同步测量，能实现表面电磁模式共振结构二维信息的定量检测，空间分辨率高。

Description

表面电磁模式共振高光谱成像装置、成像方法及应用

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域，尤其涉及一种表面电磁模式共振高光谱成像装置、成像方法及应用。

背景技术

表面电磁模式共振成像属于消逝波传感技术，是一种对表界面生化反应高度专一和高度敏感的二维空间分辨光学传感技术，具有抗电磁干扰、响应快、免标记、高通量、适合原位测试等优点。此外，现有的CCD或CMOS图像探测器普遍能够连续快速记录图像，从而赋予了表面电磁模式共振成像装置良好的时间分辨本领，使其能够原位跟踪表界面生化反应，进而获取其反应动力学参数。由此可见，表面电磁模式共振成像技术在生化检测领域具有重要的应用价值。

表面电磁模式共振结构主要包括表面等离子体共振结构、光波导共振结构和光子晶体共振结构。在这三种结构中，表面等离子体共振结构最为简单，最容易于实现，因此备受青睐。1987年Yeatman等人使用He-Ne激光器作为光源首次实现了表面等离子体共振成像。自此以后，表面等离子体共振成像传感器在国际上获得了广泛研究，并被开发成为商业化的分析仪器。但是，基于单色光源的表面等离子体共振图像是灰度像，信息量少，定量分析能力差，检测动态范围窄，一次成像难以准确反映成像区域所有位点的生化反应；而且，灰度像纪录的是图像不同区域的光强大小，光强是个相对值，不仅依赖于表面等离子体共振结构，还依赖于光源和探测器。因此光强作为被测物理量不适合对其进行仿真拟合以求取生化靶标分子吸附层的相关参数。与此相比，共振波长只依赖于表面等离子体共振结构，一旦测定了共振波长，就能够通过仿真拟合而获得生化靶标分子吸附层的相关参数。1996年Knobloch等人首次利用白光光源获得了彩色表面等离子体共振图像。相比于灰度共振图像，彩像共振图像包含共振波长信息，信息量大，测量动态范围宽，原则上一次成像就能提供整个成像区域所有位点的生化反应信息。但是，利用RGB全色CCD成像器件采集的彩色共振图像也只是用于直观的图像分析，不能进行定量检测。究其原因是，虽然彩色共振图像包含共振波长信息，但是目前为止，如何从彩色共振图像中准确提取出共振波长仍然是一个亟待解决的关键问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种表面电磁模式共振高光谱成像装置、成像方法及应用，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少一种。

根据本发明的一个方面，提供一种表面电磁模式共振高光谱成像装置，包括：

耦合部件；

光源，位于所述耦合部件的第一侧；

显微镜筒，位于所述耦合部件的第二侧；

高光谱相机，位于所述显微镜筒的远离耦合部件的一侧；以及

表面电磁模式共振芯片，与所述耦合部件的上表面紧密接触，包括表面电磁模式共振结构；

其中，由所述光源发出的宽带线偏振平行光从所述耦合部件的第一侧射入耦合部件后，在所述表面电磁模式共振结构的靠近耦合部件的表面发生全反射，全反射产生的消逝场与所述表面电磁模式共振结构作用而共振激励表面电磁模式，反射光携带着表面电磁模式共振结构的二维信息从所述耦合部件的第二侧射出后，穿过显微镜筒被所述高光谱相机接收，由该高光谱相机同步记录得到的反射光图像和反射光光谱即为表面电磁模式共振图像和与所述表面电磁模式共振图像相对应的表面电磁模式共振光谱。

在本发明的一些实施例中，所述表面电磁模式共振结构为传播表面等离子体共振结构、长程表面等离子体共振结构、局域表面等离子体共振结构、漏模光波导结构或光子晶体结构。

在本发明的一些实施例中，所述表面电磁模式共振结构呈微阵列式分布。

在本发明的一些实施例中，所述表面电磁模式共振光谱是对应于所述表面电磁模式共振图像整个区域的共振光谱，或是对应于所述表面电磁模式共振图像局部区域的共振光谱，或是对应于所述表面电磁模式共振图像任意一像素的共振光谱。

在本发明的一些实施例中，所述表面电磁模式共振光谱用于准确确定所述表面电磁模式的共振波长；结合同步测得的表面电磁模式共振图像和表面电磁模式共振光谱求得与表面电磁模式共振图像相对应的共振波长二维分布图，再利用菲涅耳公式对所述共振波长二维分布图进行逐点拟合进而定量获取所述表面电磁模式共振结构的二维信息。

在本发明的一些实施例中，所述表面电磁模式共振芯片还包括透明基底，所述透明基底的下表面与所述耦合部件的上表面紧密接触，所述表面电磁模式共振结构形成于所述透明基底的上表面；

其中，所述宽带线偏振平行光在所述透明基底与所述表面电磁模式共振结构之间的界面发生全反射。

在本发明的一些实施例中，所述透明基底的下表面通过耦合液与所述耦合部件的上表面形成紧密接触，所述耦合液的折射率不低于所述透明基底。

在本发明的一些实施例中，所述透明基底选自玻璃基片、石英基片和有机玻璃片的一种。

在本发明的一些实施例中，所述光源包括：

发光体，发出宽带光；

准直透镜，设置于所述发光体的前端，发光体发出的宽带光穿过该准直透镜后成为宽带平行光；以及

线性偏振器，设置于所述准直透镜的前端，所述宽带平行光垂直穿过该线性偏振器后成为所述宽带线偏振平行光。

在本发明的一些实施例中，所述耦合部件为耦合棱镜，所述耦合棱镜为以下棱镜中的一种：

半圆柱形棱镜，其上表面为平面，所述第一侧和第二侧分别为该半圆柱形棱镜的下方左右两侧；

半球形棱镜，其上表面为平面，所述第一侧和第二侧分别为该半球形棱镜的下方左右两侧；

直角棱镜，其上表面为其斜面，所述第一侧和第二侧分别为该直角棱镜的两直角面；

梯形棱镜，其上表面为其底面，所述第一侧和第二侧分别为该梯形棱镜的两侧面。

在本发明的一些实施例中，所述表面电磁模式共振高光谱成像装置还包括样品池，设置于所述表面电磁模式共振结构的上表面并使得所述样品池内的溶液样品不向外泄漏，所述样品池内的溶液样品能够直接接触所述表面电磁模式共振结构的上表面；

所述宽带线偏振平行光照射到所述表面电磁模式共振芯片的区域位于所述样品池内。

作为本发明的另一个方面，提供一种使用如上所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置的成像方法，所述成像方法包括：

将表面电磁模式共振芯片紧密贴合于耦合部件的上表面；

使光源发出的宽带线偏振平行光从耦合部件的第一侧射入耦合部件后，在表面电磁模式共振结构的靠近耦合部件的表面发生全反射，全反射产生的消逝场与所述表面电磁模式共振结构作用而共振激励表面电磁模式；

携带着表面电磁模式共振结构的二维信息的反射光从所述耦合部件的第二侧射出，穿过显微镜筒后被高光谱相机接收；

利用高光谱相机同步记录反射光图像和反射光光谱，所述反射光图像和反射光光谱即为表面电磁模式共振图像和与所述表面电磁模式共振图像相对应的表面电磁模式共振光谱。

作为本发明的又一个方面，提供一种如上所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置在以下方面中的应用：

用于原位定量检测溶液样品中化学或/和生物靶标分子的浓度，或/和

用于原位实时测定溶液样品中化学或/和生物靶标分子在所述表面电磁模式共振芯片表面的吸附反应动力学参数，或/和

用于原位测定溶液样品中化学或/和生物靶标分子在所述表面电磁模式共振芯片表面的表面密度的平均值及其二维分布，或/和

用于原位实时监测所述表面电磁模式共振芯片的表面功能化修饰过程和定量分析表面功能化修饰层的均匀性；或/和

用于原位跟踪分析细胞的粘附、凋亡、分裂或分泌行为。

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)功能多，将高光谱相机应用于表面电磁模式共振成像中，既能用于直观的图像分析，又能进行准确的定量检测；

(2)空间分辨率高，将高光谱相机和显微镜筒相结合，能够对表面电磁模式共振结构的微观区域进行图像和光谱融合分析；

(3)测量动态范围宽，一次成像就能提供整个成像区域所有位点的生化反应信息；

(4)结构简单，易于实现，使用便捷。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例棱镜耦合的传播表面等离子体共振高光谱成像装置结构示意图；

图2为根据本发明第二实施例棱镜耦合的长程表面等离子体共振高光谱成像装置的结构示意图；

图3为根据本发明第三实施例棱镜耦合的局域表面等离子体共振高光谱成像装置的结构示意图；

图4为根据本发明第四实施例棱镜耦合的漏模光波导共振高光谱成像装置的结构示意图；

图5为根据本发明第五实施例棱镜耦合的光子晶体共振高光谱成像装置的结构示意图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1-耦合棱镜；

2-光源；

20-发光体； 21-准直透镜；

22-线性偏振器； 23a-入射的宽带线偏振平行光束；

23b-反射的宽带线偏振平行光束；

3-显微镜筒；

4-高光谱相机；

5-表面电磁模式共振芯片；

50-透明基底； 51-表面电磁模式共振结构；

51a-缓冲层； 51b-芯层；

6-样品池；

7-溶液样品；

70-靶标分子。

具体实施方式

本发明公开了一种表面电磁模式共振高光谱成像装置、成像方法及应用，充分发挥了高光谱相机在表面电磁模式共振传感器方面的优势，适用于原位图像和光谱同步跟踪生化靶标分子在共振芯片表面的吸附反应过程，获取生化靶标分子的吸附动力学参数，并探测生化靶标分子的平均表面覆盖度及其表面覆盖度的二维分布，具有常规的表面电磁模式共振成像装置无法比拟的优点。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

第一实施例

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种棱镜耦合的传播表面等离子体共振高光谱成像装置。图1为本发明第一实施例棱镜耦合的传播表面等离子体共振高光谱成像装置的结构示意图。如图1所示，本实施例棱镜耦合的传播表面等离子体共振高光谱成像装置的结构包括：耦合棱镜1、光源2、显微镜筒3、高光谱相机4、表面电磁模式共振芯片5等。

以下分别对本实施例棱镜耦合的传播表面等离子体共振高光谱成像装置的各个组成部分进行详细说明。

耦合棱镜1为直角棱镜，其上表面为其斜面，第一侧和第二侧分别为该直角棱镜的两直角面；当然在其他的实施例中，耦合棱镜1还可以是半圆柱棱镜、梯形棱镜、半球状棱镜等，其中：

当耦合棱镜1为半圆柱形棱镜时，其上表面为平面，第一侧和第二侧分别为该半圆柱形棱镜的下方左右两侧；

当耦合棱镜1为半球形棱镜时，其上表面为平面，第一侧和第二侧分别为该半球形棱镜的下方左右两侧；

当耦合棱镜1为梯形棱镜，其上表面为其底面，第一侧和第二侧分别为该梯形棱镜的两侧面。

光源2设置于耦合棱镜1的第一侧，由发光体20，准直透镜21和线性偏振器22构成，其中，发光体20可以是卤钨灯或氙灯或白光LED，能够发出连续宽带光；准直透镜21设置于发光体20的前端，发光体20发出的宽带光穿过该准直透镜21后成为宽带平行光；线性偏振器22设置于准直透镜21的前端，宽带平行光垂直穿过线性偏振器22后成为宽带p偏振平行光23a。

显微镜筒3设置于耦合棱镜1的第二侧，其光学放大倍数可调。

高光谱相机4设置于所述显微镜筒3的远离耦合部件的一侧，在本实施例中，与显微镜筒3通过螺纹固定连接，可直接使用市购的高光谱相机4，能够同步记录图像和图像任意一像素对应的光谱。

表面电磁模式共振芯片5设置于耦合棱镜1的上表面，包括：透明基底50和设置于透明基底50上表面的表面电磁模式共振结构51，在本实施例中，表面电磁模式共振结构51为传播表面等离子体共振结构，呈微阵列式分布。其中透明基底50为玻璃基片、石英基片和有机玻璃片的一种；表面电磁模式共振结构51为贵金属薄膜，例如包括金薄膜、银薄膜、或金银合金薄膜等。具体地，贵金属薄膜通过射频溅射技术沉积在透明基底50上表面，贵金属薄膜的厚度小于100纳米，优选为50纳米；在沉积贵金属薄膜之前先在透明基底50上表面沉积数纳米的铬膜或钛膜以增强贵金属薄膜与透明基底的附着力。为了使表面电磁模式共振结构51呈微阵列式分布，在沉积贵金属薄膜时还需要使用掩模板。透明基底50的下表面与耦合棱镜1的上表面之间通过添加耦合液形成紧密接触，耦合液的折射率不低于透明基底50。

样品池6紧密设置于表面电磁模式共振芯片5的远离透明基底50的一侧，使宽带p偏振平行光照射到表面电磁模式共振芯片5的区域位于样品池6内。样品池6内盛装有含靶标分子70的溶液样品7，溶液样品7能直接接触表面电磁模式共振结构51的上表面，并且靶标分子70能够从溶液样品7附着于表面电磁模式共振结构51的上表面。进一步地，样品池6包括一进样口和一出样口，分别由导液管与蠕动泵的两端口连接(图中未显示)，溶液样品由蠕动泵注入或泵出样品池。

使用上述棱镜耦合的传播表面等离子体共振高光谱成像装置的成像方法包括：由光源2发出的宽带p偏振平行光23a从耦合棱镜1的第一侧射入耦合棱镜1，并在透明基底50与表面电磁模式共振结构51的界面发生全反射，全反射导致的消逝场通过与表面电磁模式共振结构51作用而共振激励表面等离子体波；反射光23b携带着表面电磁模式共振结构51的二维信息从耦合棱镜1第二侧射出后穿过显微镜筒3被高光谱相机4接收，进而由高光谱相机4同步记录反射光图像和反射光光谱，由此获得的反射光图像和反射光光谱就是传播表面等离子体共振图像和共振光谱。这里需要指出的是共振光谱可以是对应于整个共振图像的共振光谱，也可以是对应于共振图像局部区域的共振光谱，或者是对应于共振图像任意一像素的共振光谱。

利用测得的共振光谱准确确定共振波长，再结合同步测得的共振图像建立与共振图像相对应的共振波长二维分布图，进一步通过利用菲涅耳公式对该共振波长二维分布图进行逐点仿真拟合，获取表面电磁模式共振结构51自身的二维信息(例如孔隙率、折射率和厚度等)以及靶标分子吸附层的表面密度平均值及其二维分布等信息，从而实现对靶标分子的定量检测。

本实施例棱镜耦合的传播表面等离子体共振高光谱成像装置的应用范围包括：

(1)用于原位定量检测溶液样品中化学或/和生物靶标分子的浓度；

(2)用于原位实时测定溶液样品中化学或/和生物靶标分子在所述表面电磁模式共振芯片表面的吸附反应动力学参数；

(3)用于原位测定溶液样品中化学或/和生物靶标分子在所述表面电磁模式共振芯片表面的表面密度的平均值及其二维分布；

(4)用于原位实时监测所述表面电磁模式共振芯片的表面功能化修饰过程和表面功能化修饰的均匀性；

(5)用于原位跟踪分析细胞的粘附、凋亡、分裂、分泌等行为。

第二实施例

在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种棱镜耦合的长程表面等离子体共振高光谱成像装置。图2为根据本发明第二实施例棱镜耦合的长程表面等离子体共振高光谱成像装置的结构示意图。如图2所示，与图1不同的是，表面电磁模式共振结构51是长程表面等离子体共振结构。该表面电磁模式共振结构51由缓冲层51a和芯层51b组成，芯层51b为贵金属薄膜，包括：金薄膜、银薄膜、或金银合金薄膜，贵金属薄膜的厚度小于60纳米，优选为20纳米；缓冲层51a为介质薄膜，包括：聚四氟乙烯薄膜、氟化镁薄膜、多孔二氧化硅氧化物薄膜，缓冲层51a包括上下两层，两层由芯层51b隔开，上下缓冲层的折射率相近或相同，都小于透明基底50的折射率；上缓冲层的厚度小于在长程表面等离子体共振结构中传播的长程表面等离子体波在上缓冲层材料中的穿透深度。

作为示例，在透明基底50的上表面制备表面电磁模式共振结构51时，首先利用真空蒸镀技术沉积聚四氟乙烯薄膜或氟化镁薄膜作为下缓冲层，然后利用射频溅射技术沉积贵金属薄膜，之后再利用真空蒸镀技术沉积聚四氟乙烯薄膜或氟化镁薄膜作为上缓冲层。为了使表面电磁模式共振结构呈微阵列式分布，在沉积贵金属薄膜时需要使用掩模板。当然，由真空蒸镀技术制备聚四氟乙烯薄膜或氟化镁薄膜也可以利用分子模板法制备的溶胶-凝胶多孔氧化物薄膜替代。

此时，由光源2发出的宽带p偏振平行光23a从耦合棱镜1的第一侧射入耦合棱镜1，并在透明基底50与长程表面等离子体共振结构51的界面(也就是透明基底50与下缓冲层51a之间的界面)发生全反射，全反射导致的消逝场通过与表面电磁模式共振结构51作用而共振激励长程表面等离子体波，反射光23b携带着表面电磁模式共振结构51的二维信息从耦合棱镜1第二侧射出后穿过显微镜筒3被高光谱相机4接收，进而由高光谱相机4同步记录反射光图像和反射光光谱，由此获得的反射光图像和反射光光谱就是传播表面等离子体共振图像和与该共振图像对应的共振光谱。

可以理解，本发明第二个示例性实施例棱镜耦合的长程表面等离子体共振高光谱成像装置与第一个示例性实施例棱镜耦合的传播表面等离子体共振高光谱成像装置相比具有更高的灵敏度。

第三实施例

在本发明的第三个示例性实施例中，提供了一种棱镜耦合的局域表面等离子体共振高光谱成像装置。图3为根据本发明第三实施例棱镜耦合的局域表面等离子体共振高光谱成像装置的结构示意图。如图3所示，与图1不同的是，表面电磁模式共振结构51是局域表面等离子体共振结构。该表面电磁模式共振结构51是一贵金属纳米粒子自组装薄膜，这里所说的贵金属纳米粒子可以是金纳米粒子、银纳米粒子、金包银纳米粒子、二氧化硅包覆的金或银纳米粒子。另外需要指出的是，这里所说的纳米粒子不仅仅制球形纳米粒子，也可以是纳米棒、纳米线等形状。在采用自组装技术制备贵金属纳米粒子薄膜时，首先利用化学或生物分子对透明基底50上表面进行修饰，修饰后的透明基底上表面能够与液相中的贵金属纳米粒子牢固结合，形成稳定的贵金属纳米粒子薄膜。

值得指出的是，局域表面等离子体共振不同于传播表面等离子体共振和长程表面等离子体共振，前者不仅容许利用p偏振光激励，也可以利用s偏振光激励，而后两者只容许p偏振光激励。因此在利用棱镜耦合的局域表面等离子体共振高光谱成像装置进行生化检测时，首先将线性偏振器22的偏振方向设置于p偏振，使得光源2发出的宽带线偏振平行光是p偏振光，由此利用高光谱相机4记录p偏振共振图像和其对应的p偏振共振光谱，然后将线性偏振器22的偏振方向设置于s偏振，从而获得s偏振共振图像和其对应的s偏振共振光谱。这个优势是本发明第一和第二个示例性实施例所不具备的。

第四实施例

在本发明的第四个示例性实施例中，提供了一种棱镜耦合的漏模光波导共振高光谱成像装置。图4为根据本发明第四实施例棱镜耦合的漏模光波导共振高光谱成像装置的结构示意图。如图4所示，与图1不同的是，表面电磁模式共振结构51是一漏模光波导结构。该表面电磁模式共振结构51由缓冲层51a和芯层51b组成，芯层51b为透明介质薄膜，包括：聚合物薄膜、金属氧化物薄膜和高折射率玻璃薄膜，芯层51b可为单模波导层或多模波导层；缓冲层51a为介质薄膜，包括：聚四氟乙烯薄膜、氟化镁薄膜、多孔二氧化硅薄膜，缓冲层51a的折射率小于芯层51b的折射率，也小于透明基底50的折射率。

在透明基底50的上表面制备表面电磁模式共振结构51时，首先利用真空蒸镀技术沉积聚四氟乙烯薄膜或氟化镁薄膜作为缓冲层51a，然后利用射频溅射技术沉积透明介质薄膜作为芯层51b，为了使漏模光波导结构呈微阵列式分布，在制备芯层51b时需要使用掩模板。当然，由真空蒸镀技术制备的聚四氟乙烯薄膜或氟化镁薄膜也可以利用分子模板法制备的溶胶-凝胶多孔氧化物薄膜替代。

值得指出的是，漏模光波导共振不同于传播表面等离子体共振和长程表面等离子体共振，前者不仅容许利用p偏振光激励横磁导模，也可以利用s偏振光激励横电导模，而后两者只容许p偏振光激励传播和长程表面等离激元，因为它们是p偏振模式。因此在利用棱镜耦合的漏模光波导共振高光谱成像装置进行生化检测时，首先将线性偏振器22的偏振方向设置于p偏振，使得光源2发出的宽带线偏振平行光是p偏振光，由此利用高光谱相机4记录横磁导模共振图像和其对应的横磁导模共振光谱，然后将线性偏振器22的偏振方向设置于s偏振，从而获得横电导模共振图像和其对应的横电导模共振光谱。这种正交双偏振导模共振高光谱成像技术能够提供双重灵敏度，实现灵敏度互校准，从而提高检测精度。

第五实施例

在本发明的第五个示例性实施例中，提供了一种棱镜耦合的光子晶体共振高光谱成像装置。图5为本发明第五实施例棱镜耦合的光子晶体共振高光谱成像装置的结构示意图。如图5所示，与图1不同的是，表面电磁模式共振结构51是一光子晶体结构。该表面电磁模式共振结构51由缓冲层51a和芯层51b交替叠加组成，缓冲层51a和芯层51b都为透明介质薄膜，芯层51b的折射率大于缓冲层51a的折射率。用于制备芯层51b的材料有聚合物、金属氧化物和高折射率玻璃，用于制作缓冲层51a的材料包括聚四氟乙烯、氟化镁、以及多孔二氧化硅，缓冲层51a和芯层51b的层数都不小于三层，在光子晶体结构所有的缓冲层51a具有相同的厚度，所有的芯层51b也具有相同的厚度。

由于光子晶体结构同时具有p偏振表面光场共振模式和s偏振表面光场共振模式，因此，本发明第五实施例棱镜耦合的光子晶体共振高光谱成像装置和本发明第三实施例棱镜耦合的局域表面等离子体共振高光谱成像装置一样，不仅容许利用p偏振光激励，也容许利用s偏振光激励。因此在利用棱镜耦合的光子晶体共振高光谱成像装置进行生化检测时，首先将线性偏振器22的偏振方向设置于p偏振，使得光源2发出的宽带线偏振平行光是p偏振光，由此利用高光谱相机4记录p偏振共振图像和其对应的p偏振共振光谱，然后将线性偏振器22的偏振方向设置于s偏振，从而获得s偏振共振图像和其对应的s偏振共振光谱。

至此，已经结合附图对本发明五个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明表面电磁模式共振高光谱成像装置有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)利用抗体分子、亲和体分子、DNA适配体、或者分子印迹薄膜对表面电磁模式共振结构进行表面功能化修饰，以实现装置对生化靶标分子的识别性检测；

(2)表面电磁模式共振结构可以直接制备在耦合棱镜上表面，从而不需要透明基底；

(3)在本发明第五实施例中，光子晶体结构不仅仅是一维结构，也可以是二维或三维结构。

综上所述，本发明表面电磁模式共振高光谱成像装置灵敏度高，二维空间分辨率高，可进行图像和光谱同步测量，可对图像任意一像素对应的芯片微小区域发生的生化反应进行绝对定量检测；可进行时间分辨的动态测量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于，所述表面电磁模式共振高光谱成像装置包括：

耦合部件；

光源，位于所述耦合部件的第一侧；

显微镜筒，位于所述耦合部件的第二侧；

高光谱相机，位于所述显微镜筒的远离耦合部件的一侧；以及

表面电磁模式共振芯片，与所述耦合部件的上表面紧密接触，包括表面电磁模式共振结构；

其中，由所述光源发出的宽带线偏振平行光从所述耦合部件的第一侧射入耦合部件后，在所述表面电磁模式共振结构的靠近耦合部件的表面发生全反射，全反射产生的消逝场与所述表面电磁模式共振结构作用而共振激励表面电磁模式，反射光携带着表面电磁模式共振结构的二维信息从所述耦合部件的第二侧射出后，穿过显微镜筒被所述高光谱相机接收，由该高光谱相机同步记录得到的反射光图像和反射光光谱即为表面电磁模式共振图像和与所述表面电磁模式共振图像相对应的表面电磁模式共振光谱，所述表面电磁模式共振光谱用于准确确定所述表面电磁模式的共振波长，结合同步测得的表面电磁模式共振图像和表面电磁模式共振光谱能够求得与表面电磁模式共振图像相对应的共振波长二维分布图。

2.根据权利要求1所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于：

所述表面电磁模式共振结构为传播表面等离子体共振结构、长程表面等离子体共振结构、局域表面等离子体共振结构、漏模光波导结构或光子晶体结构；和/或

所述表面电磁模式共振结构呈微阵列式分布。

3.根据权利要求1所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于，所述表面电磁模式共振光谱是对应于所述表面电磁模式共振图像整个区域的共振光谱，或是对应于所述表面电磁模式共振图像局部区域的共振光谱，或是对应于所述表面电磁模式共振图像任意一像素的共振光谱。

4.根据权利要求1或3所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于：

利用菲涅耳公式对所述共振波长二维分布图进行逐点拟合进而定量获取所述表面电磁模式共振结构的二维信息。

5.根据权利要求1所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于，所述表面电磁模式共振芯片还包括透明基底，所述透明基底的下表面与所述耦合部件的上表面紧密接触，所述表面电磁模式共振结构形成于所述透明基底的上表面；

其中，所述宽带线偏振平行光在所述透明基底与所述表面电磁模式共振结构之间的界面发生全反射。

6.根据权利要求5所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于：

所述透明基底的下表面通过耦合液与所述耦合部件的上表面形成紧密接触，所述耦合液的折射率不低于所述透明基底；和/或

所述透明基底选自玻璃基片、石英基片和有机玻璃片的一种。

7.根据权利要求1所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于：

所述光源包括：

发光体，发出宽带光；

准直透镜，设置于所述发光体的前端，发光体发出的宽带光穿过该准直透镜后成为宽带平行光；以及

线性偏振器，设置于所述准直透镜的前端，所述宽带平行光垂直穿过该线性偏振器后成为所述宽带线偏振平行光；

所述耦合部件为耦合棱镜，所述耦合棱镜为以下棱镜中的一种：

半圆柱形棱镜，其上表面为平面，所述第一侧和第二侧分别为该半圆柱形棱镜的下方左右两侧；

半球形棱镜，其上表面为平面，所述第一侧和第二侧分别为该半球形棱镜的下方左右两侧；

直角棱镜，其上表面为其斜面，所述第一侧和第二侧分别为该直角棱镜的两直角面；

梯形棱镜，其上表面为其底面，所述第一侧和第二侧分别为该梯形棱镜的两侧面。

8.根据权利要求1所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于，所述表面电磁模式共振高光谱成像装置还包括样品池，设置于所述表面电磁模式共振结构的上表面，并且所述样品池内的溶液样品能够直接接触所述表面电磁模式共振结构的上表面；

所述宽带线偏振平行光照射到所述表面电磁模式共振芯片的区域位于所述样品池内。

9.一种使用如权利要求1至8任意一项所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置的成像方法，其特征在于，所述成像方法包括：

将表面电磁模式共振芯片紧密贴合于耦合部件的上表面；

使光源发出的宽带线偏振平行光从耦合部件的第一侧射入耦合部件后，在表面电磁模式共振结构的靠近耦合部件的表面发生全反射，全反射产生的消逝场与所述表面电磁模式共振结构作用而共振激励表面电磁模式；

携带着表面电磁模式共振结构的二维信息的反射光从所述耦合部件的第二侧射出，穿过显微镜筒后被高光谱相机接收；

利用高光谱相机同步记录反射光图像和反射光光谱，所述反射光图像和反射光光谱即为表面电磁模式共振图像和与所述表面电磁模式共振图像相对应的表面电磁模式共振光谱。

10.如权利要求1至8任意一项所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置在以下方面中的应用：

用于原位定量检测溶液样品中化学或/和生物靶标分子的浓度，或/和

用于原位实时测定溶液样品中化学或/和生物靶标分子在所述表面电磁模式共振芯片表面的吸附反应动力学参数，或/和

用于原位测定溶液样品中化学或/和生物靶标分子在所述表面电磁模式共振芯片表面的表面密度的平均值及其二维分布，或/和

用于原位实时监测所述表面电磁模式共振芯片的表面功能化修饰过程和定量分析表面功能化修饰层的均匀性；或/和

用于原位跟踪分析细胞的粘附、凋亡、分裂或分泌行为。

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