CN109738395A - 应用光色散的spr检测装置及spr检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用光色散的SPR检测装置，包括宽谱光源、棱镜和检测组件，宽谱光源与棱镜之间设有入射侧组件，棱镜与检测组件之间设有矫正组件，棱镜的反射底面设有检测芯片；检测芯片包括金膜和流通池，流通池面向金膜的一侧侧面上设有通道，金膜覆盖在流通池上，且金膜位于流通池与棱镜的反射底面之间；检测组件包括色散棱镜和探测器，色散棱镜用于色散经矫正组件矫正后的反射光，探测器用于记录经色散棱镜色散后的反射光的光谱。本发明还公开了一种应用光色散的多通道SPR检测方法。本发明应用光色散的SPR检测装置及SPR检测方法，利用宽谱光源对金属薄膜复折射率的一次性成像检测，可满足多通道检测的要求。

Description

应用光色散的SPR检测装置及SPR检测方法

技术领域

本发明属于生物监测技术领域，具体的为一种应用光色散的SPR检测装置及SPR检测方法。

背景技术

表面等离子体共振(SPR，Surface Plasmon Resonance)传感器的发展已有40年之久，其主要用作生物大分子方面的检测，展现了无需标记、实时检测、少量样本等优点，现在依然处于生物化学传感器领域的一个研究热点。现在大多数成熟的技术都掌握在国外人手中，但现有的大多数产品化仪器都是外形庞大，而且价格昂贵，所以研究一款高性价比的小型化、低成本的便携式SPR仪器，提高产品的实用性，来满足临床、野外等多种场合下的使用。

现在大多数装置的调制方式都是基于以下几种：角度、波长、强度以及相位。强度调制型仪器的特征点比较分散，不具一致性，很难寻找数据的规律性；相位调制型仪器因其波动范围小，调制结构复杂等原因，限制了其研究。而角度调制型已经有非常多的报道，例如Edy Wijaya设计的非转动式的角度调制型SPR，由于其使用线阵CCD，很难实现多通道检测(Edy Wijaya.Surface plasmon resonance-based biosensors:From the developmentof different SPR structures to novel surface functionalization strategies[J].Current Opinion in Solid State and Materials Science 15(2011)208–224)。

公开号为CN105486665B的中国专利公开了一种SPR检测系统，包括：光源，用于发射光谱连续的宽带光；第一准直透镜组，用于对所述宽带光进行准直后聚焦；多模光纤MF，其入射端设置在所述第一准直透镜组的输出焦平面上，用于对经过所述第一准直透镜组聚焦后的光进行耦合；第二准直透镜组，其输入焦平面上设置有所述多模光纤MF的出射端，用于对耦合后的光进行准直后聚焦；孔径光阑DA，位于所述第二准直透镜组的输出焦平面上，用于对经所述第二准直透镜组聚焦后的光进行空间滤波后获得聚焦的光；透镜L5，与所述第二准直透镜组共焦面设置，用于对所述聚焦光点进行准直处理；液晶可调光学滤波器，用于对光源发出的宽带光进行滤波后获得窄带光；偏振片P1，用于对所述窄带光进行偏振作用，以获得偏振态的入射光；SPR传感单元，包括棱镜、金膜和流通池；所述棱镜对入射光进行耦合后激发所述金膜表面的等离子体共振，由所述流通池使待测样品通过所述金膜表面，从而进行检测；透镜L6，用于对经所述SPR传感单元的反射光进行收集、准直；检偏器P2，用于消除反射光中的杂散光，提高信噪比；透镜L7，用于将偏振光进行汇聚；面阵探测器，置于所述透镜L7的焦面，用于记录汇聚后的光谱的强度；控制模块，输入端用于接收所述面阵探测器采集的光图像，并对其进行处理后输出用于调整所述液晶可调光学滤波器的扫描光谱范围的反馈控制信号。

该SPR检测系统能够对任意局部光谱区域进行快速扫描，并且根据SPR共振波长变化自动改变扫描光谱范围，实现了二维阵列的快速光谱SPR探测，可以同时对多种生物分子的相互作用进行实时地监测，具有高通量、快速检测的优势。但是，由于该SPR检测系统采用面阵探测器拍摄二维图像进行局部扫描，并不能满足多通道检测的要求，另外，通过图像像素的方式获得对应传感位置的共振波长，其检测精度也较低。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用光色散的SPR检测装置及SPR检测方法，利用宽谱光源对金属薄膜复折射率的一次性成像检测，可满足多通道检测的要求。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明首先提出了一种应用光色散的SPR检测装置，包括宽谱光源、棱镜和检测组件，所述宽谱光源与所述棱镜之间设有入射侧组件，所述棱镜与所述检测组件之间设有矫正组件，所述棱镜的反射底面设有检测芯片；

所述检测芯片包括金膜和流通池，所述流通池面向所述金膜的一侧侧面上设有通道，所述金膜覆盖在所述流通池上，且所述金膜位于所述流通池与所述棱镜的反射底面之间；

所述检测组件包括色散棱镜和探测器，所述色散棱镜用于色散经所述矫正组件矫正后的反射光，所述探测器用于记录经所述色散棱镜色散后的反射光的光谱。

进一步，所述宽谱光源采用白光光源。

进一步，所述入射侧组件包括：

入光透镜，用于平行处理所述宽谱光源发出的光；

准直透镜组，用于调整经平行处理后的光的横截面积；

偏振片，用于将经准直透镜组调整后的光进行偏正化处理。

进一步，所述准直透镜组包括：

第一透镜，用于聚焦经平行处理后的光；

光阑，用于对经所述第一透镜聚焦后的光进行空间滤波处理；

第二透镜，用于将经空间滤波处理后的光准直为平行光，得到入射光。

进一步，所述矫正组件包括：

第三透镜，用于聚焦经所述棱镜反射得到的反射光；

狭缝，用于约束经所述第三透镜聚焦后的反射光；

第四透镜，用于将经所述狭缝约束后的发射光准直为平行光，得到矫正后的反射光。

进一步，所述通道包括至少一条用于待测样本流通的样本通道和至少一条用于参考样本流通的参考通道；所述样本通道和参考通道的长度方向相互平行并与所述狭缝的长度方向垂直。

进一步，所述棱镜采用等腰梯形棱镜，且所述棱镜的入射侧腰和出射侧腰均设有反射涂层，所述反射底面设置在所述棱镜的短底面上，所述检测芯片安装在所述棱镜的短底面上。

进一步，所述棱镜的入射侧腰和出射侧腰与长底边之间的夹角为52-60°。

进一步，所述入射光和所述反射光均与所述棱镜的长底边垂直，且所述入射光从所述棱镜长底面射入所述棱镜内，并经所述棱镜的入射侧腰反射后照射到所述棱镜的反射底面上、激发所述金膜与所述待测样本的表面等离体激元，所述待测样本吸收所述入射光中相应波长的光能后，经所述金膜反射后得到所述反射光；所述反射光经所述棱镜的出射侧腰反射后从所述棱镜的长底边射出所述棱镜。

本发明还提出了一种采用如上所述应用光色散的SPR检测装置的SPR检测方法，包括如下步骤：

1)拍摄背景图像：取下检测芯片后，利用探测器记录经所述多通道SPR检测装置色散后的光谱，得到背景图像；

2)拍摄样本图像：将检测芯片安装在所述棱镜上，在参考通道内流通参考样本，使同一个待测样本在至少两个样本通道内流通，并使所述样本通道内的待测样本的流动方向与所述棱镜(9)内同一条光线的入射光和反射光所在的平面平行，利用探测器记录经所述多通道SPR检测装置色散后的光谱，得到样本图像；

3)加权平均：通过得到的样本图像，将相同待测样本的最终传感图像进行加权平均；

4)保持参考样本不变，循环步骤2)至步骤3)，直至测量完所有待测样本；

5)将得到经加权平均处理后的样本图像与步骤1)得到的背景图像进行比值和归一化处理，得到最终的SPR曲线图。

本发明的有益效果在于：

本发明的应用光色散的SPR检测装置，通过在流通池内设置通道，通道内流通样本，并利用色散棱镜将经矫正组件矫正后的反射光进行色散处理，并由探测器记录经所述色散后的反射光的强度，利用色散后的图谱进行波长标定后，可得到最终的波长-光强曲线图，相较于现有技术中的直接利用图像像素的检测方式，具有检测精度高和可实现多通道检测的优点。

通过将棱镜设置为等腰梯形棱镜，并在棱镜的入射侧腰和出射侧腰均设置反射涂层，可减少光纤消耗，并减小测量误差；通过棱镜内部的入射侧腰、反射底面和出射侧腰的三次反射，实现了光路180°转向，如此，可将入射侧组件和矫正组件均设置在棱镜的同一侧，大大降低了整体结构的横向布局，将各部件集中化处理，达到缩小整体体积的目的。

通过设置准直透镜组，利用准直透镜组将光源转化为光斑大小约为10mm的平行光，在第一透镜和第二透镜之间添加一个孔径光阑用于限制杂散光进入传感棱镜中，降低了系统噪声。

通过将通道分为样本通道和参考通道，样本通道内流通待测样本，参考通道内流通参考样本，参考通道的加入会很大程度减低噪声的干扰，提高系统的准确性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明应用光色散的SPR检测装置实施例的原理图；

图2为检测芯片的结构示意图；

图3a为拍摄得到的背景图像；

图3b为拍摄得到的样本图像，本实施例的待测样本为水；

图4为得到的SPR曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明应用光色散的SPR检测装置实施例的原理图。本实施例应用光色散的SPR检测装置，包括宽谱光源1、棱镜9和检测组件，宽谱光源1与棱镜9之间设有入射侧组件，棱镜9与检测组件之间设有矫正组件，棱镜9的反射底面设有检测芯片。本实施例的检测芯片包括金膜7和流通池8，流通池8面向金膜的一侧侧面上设有通道，金膜7覆盖在流通池8上，且金膜7位于流通池8与棱镜9的反射底面之间。本实施例的检测组件包括色散棱镜13和探测器14，色散棱镜13用于色散经矫正组件矫正后的反射光，探测器14用于记录经色散棱镜13色散后的反射光的光谱。待测芯片制作的方法有两种，这两种方法使用的材料也不相同：一种方法是铸模法，模具是用亚克力(PMMA)制作，用PDMS直接倒灌在模具上凝固而成，通道下方开口使得液体可以直接与金膜7接触；另一种方法是用厚度为1mm硅橡胶作为通道材料，像三明治结构一样，上方盖玻片贴合，下方为芯片，实现通道的制作。

本实施例应用光色散的SPR检测装置，通过在流通池内设置通道，通道内流通样本，并利用色散棱镜将经矫正组件矫正后的反射光进行色散处理，并由探测器记录经所述色散后的反射光的强度，利用色散后的图谱进行波长标定后，可得到最终的波长-光强曲线图，相较于现有技术中的直接利用图像像素的检测方式，具有检测精度高和可实现多通道检测的优点。

进一步，本实施例的宽谱光源1采用白光光源，具体的采用白色LED作为光源，具有较宽的光谱范围，能够满足散光的要求，最终达到波长调制的技术目的。

进一步，本实施例的入射侧组件包括：入光透镜1，用于平行处理宽谱光源1发出的光；准直透镜组，用于调整经平行处理后的光的横截面积；偏振片6，用于将经准直透镜组调整后的光进行偏正化处理。本实施例的准直透镜组包括：第一透镜3，用于聚焦经平行处理后的光；光阑4，用于对经第一透镜3聚焦后的光进行空间滤波处理；第二透镜5，用于将经空间滤波处理后的光准直为平行光，得到入射光。通过设置准直透镜组，利用准直透镜组将光源转化为光斑大小约为10mm的平行光，在第一透镜和第二透镜之间添加一个孔径光阑用于限制杂散光进入传感棱镜中，降低了系统噪声。

进一步，本实施例的矫正组件包括：第三透镜10，用于聚焦经棱镜9反射得到的反射光；狭缝11，用于约束经第三透镜10聚焦后的反射光；第四透镜12，用于将经狭缝11约束后的发射光准直为平行光，得到矫正后的反射光。

具体的，通道包括至少一条用于待测样本流通的样本通道15和至少一条用于参考样本流通的参考通道16；样本通道15和参考通道16的长度方向相互平行并与狭缝11的长度方向垂直，这样所有通道的传感信息都会有一部分通过狭缝11，最终被记录在探测器14中。本实施例的流通池8上设有三条样本通道和一条参考通道，三条样本通道采用同一个出口和入口连通。在棱镜9内部的反射光可以照射到每一个通道，其传感信息会最终由探测器14记录在一张图谱中。这种方法结构简单，采样率高，由于参考通道的加入会很大程度减低噪声的干扰，提高系统的准确性。

进一步，本实施例的棱镜9采用等腰梯形棱镜，且棱镜9的入射侧腰和出射侧腰均设有反射涂层，反射底面设置在棱镜9的短底面上，检测芯片安装在棱镜9的短底面上。棱镜9的入射侧腰和出射侧腰与长底边之间的夹角为52-60°。本实施例的棱镜9的入射侧腰和出射侧腰与长底边之间的夹角为55°，得到金属-介质的入射角为70°，对于折射率为1.516的K9玻璃材料来说，该角度也是比较理想的；棱镜的材料也可采用折射率为1.7168的重火石玻璃，则下底角可设置为60°。本实施中，入射光和反射光均与棱镜9的长底边垂直，且入射光从棱镜9长底面射入棱镜9内，并经棱镜9的入射侧腰反射后照射到棱镜9的反射底面上、激发金膜7与待测样本的表面等离体激元，待测样本吸收入射光中相应波长的光能后，经金膜7反射后得到反射光；反射光经棱镜9的出射侧腰反射后从棱镜9的长底边射出棱镜9。通过将棱镜设置为等腰梯形棱镜，并在棱镜的入射侧腰和出射侧腰均设置反射涂层，可减少光纤消耗，并减小测量误差；通过棱镜内部的入射侧腰、反射底面和出射侧腰的三次反射，实现了光路180°转向，如此，可将入射侧组件和矫正组件均设置在棱镜的同一侧，大大降低了整体结构的横向布局，将各部件集中化处理，达到缩小整体体积的目的。

本实施例还提出了一种采用如上所述应用光色散的SPR检测装置的SPR检测方法，包括如下步骤：

1)拍摄背景图像：取下检测芯片后，利用探测器14记录经多通道SPR检测装置色散后的光谱，得到背景图像。

2)拍摄样本图像：将检测芯片安装在棱镜9上，在参考通道内流通参考样本，使同一个待测样本在至少两个样本通道内流通，并使样本通道内的待测样本的流动方向与棱镜9内同一条光线的入射光和反射光所在的平面平行，利用探测器14记录经多通道SPR检测装置色散后的光谱，得到样本图像；具体的，如图2所示，本实施例中，样本通道设置为三条，参考通道设置为一条，且三条样本通道从一个样本口进入，因此，该三条样本通道仅能够流通相同的待测样本。当然，根据需要，也可以设置多组样本通道，每一组样本通道流通不同的待测样本，同时实现多不同待测样本的测量，其原理相当，不再累述。

3)加权平均：通过得到的样本图像，将相同待测样本的最终传感图像进行加权平均。

4)保持参考样本不变，循环步骤2)至步骤3)，直至测量完所有待测样本。

5)将得到经加权平均处理后的样本图像与步骤1)得到的背景图像进行比值和归一化处理，得到最终的SPR曲线图。

本实施例的探测器14采用CCD相机，且由于CCD记录的图像无法直接反应各波长值，因此要根据光源的真实光谱曲线图像进行波长标定。光源光谱图中有三个极值点以及两个最小值点。因此，依照该5点借助最小二乘法进行波长标定，得到最终的波长-光强曲线图。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种应用光色散的SPR检测装置，包括宽谱光源(1)、棱镜(9)和检测组件，所述宽谱光源(1)与所述棱镜(9)之间设有入射侧组件，所述棱镜(9)与所述检测组件之间设有矫正组件，所述棱镜(9)的反射底面设有检测芯片，其特征在于：

所述检测芯片包括金膜(7)和流通池(8)，所述流通池(8)面向所述金膜的一侧侧面上设有通道，所述金膜(7)覆盖在所述流通池(8)上，且所述金膜(7)位于所述流通池(8)与所述棱镜(9)的反射底面之间；

所述检测组件包括色散棱镜(13)和探测器(14)，所述色散棱镜(13)用于色散经所述矫正组件矫正后的反射光，所述探测器(14)用于记录经所述色散棱镜(13)色散后的反射光的光谱。

2.根据权利要求1所述应用光色散的SPR检测装置，其特征在于：所述宽谱光源(1)采用白光光源。

3.根据权利要求1或2所述应用光色散的SPR检测装置，其特征在于：所述入射侧组件包括：

入光透镜(1)，用于平行处理所述宽谱光源(1)发出的光；

准直透镜组，用于调整经平行处理后的光的横截面积；

偏振片(6)，用于将经准直透镜组调整后的光进行偏正化处理。

4.根据权利要求3所述应用光色散的SPR检测装置，其特征在于：所述准直透镜组包括：

第一透镜(3)，用于聚焦经平行处理后的光；

光阑(4)，用于对经所述第一透镜(3)聚焦后的光进行空间滤波处理；

第二透镜(5)，用于将经空间滤波处理后的光准直为平行光，得到入射光。

5.根据权利要求4所述应用光色散的SPR检测装置，其特征在于：所述矫正组件包括：

第三透镜(10)，用于聚焦经所述棱镜(9)反射得到的反射光；

狭缝(11)，用于约束经所述第三透镜(10)聚焦后的反射光；

第四透镜(12)，用于将经所述狭缝(11)约束后的发射光准直为平行光，得到矫正后的反射光。

6.根据权利要求5所述应用光色散的SPR检测装置，其特征在于：所述通道包括至少一条用于待测样本流通的样本通道和至少一条用于参考样本流通的参考通道；所述样本通道和参考通道的长度方向相互平行并与所述狭缝(11)的长度方向垂直。

7.根据权利要求6所述应用光色散的SPR检测装置，其特征在于：所述棱镜(9)采用等腰梯形棱镜，且所述棱镜(9)的入射侧腰和出射侧腰均设有反射涂层，所述反射底面设置在所述棱镜(9)的短底面上，所述检测芯片安装在所述棱镜(9)的短底面上。

8.根据权利要求6所述应用光色散的SPR检测装置，其特征在于：所述棱镜(9)的入射侧腰和出射侧腰与长底边之间的夹角为52-60°。

9.根据权利要求8所述应用光色散的SPR检测装置，其特征在于：所述入射光和所述反射光均与所述棱镜(9)的长底边垂直，且所述入射光从所述棱镜(9)长底面射入所述棱镜(9)内，并经所述棱镜(9)的入射侧腰反射后照射到所述棱镜(9)的反射底面上、激发所述金膜(7)与所述待测样本的表面等离体激元，所述待测样本吸收所述入射光中相应波长的光能后，经所述金膜(7)反射后得到所述反射光；所述反射光经所述棱镜(9)的出射侧腰反射后从所述棱镜(9)的长底边射出所述棱镜(9)。

10.一种采用如权利要求6-9任一项所述应用光色散的SPR检测装置的SPR检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)拍摄背景图像：取下检测芯片后，利用所述探测器(14)记录经所述多通道SPR检测装置色散后的光谱，得到背景图像；

2)拍摄样本图像：将检测芯片安装在所述棱镜(9)上，在参考通道内流通参考样本，使同一个待测样本在至少两个样本通道内流通，并使所述样本通道内的待测样本的流动方向与所述棱镜(9)内同一条光线的入射光和反射光所在的平面平行，利用所述探测器(14)记录经所述多通道SPR检测装置色散后的光谱，得到样本图像；

3)加权平均：通过得到的样本图像，将相同待测样本的最终传感图像进行加权平均；

4)保持参考样本不变，循环步骤2)至步骤3)，直至测量完所有待测样本；

5)将得到经加权平均处理后的样本图像与步骤1)得到的背景图像进行比值和归一化处理，得到最终的SPR曲线图。