CN112285065A - 一种基于双椭圆反射镜的spr传感器及应用 - Google Patents

一种基于双椭圆反射镜的spr传感器及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于双椭圆反射镜的SPR传感器，包括第一椭圆反射镜、第二椭圆反射镜、光源、角度调制反射镜、金属薄膜以及光检测部件；所述光源用于发出光束并传输至角度调制反射镜，所述光束依次经过角度调制反射镜、第一椭圆反射镜后传输至金属薄膜，从所述金属薄膜反射的光束再经第二椭圆反射镜反射至光检测部件，所述光检测部件用于检测光强。本发明基于双椭圆反射镜的SPR传感器具有检测灵敏度高、精确度高、扫描角度范围大等优点。本发明还提供了基于双椭圆反射镜的SPR传感器在光学检测上的应用。

Description

一种基于双椭圆反射镜的SPR传感器及应用
技术领域
本发明涉及SPR传感器技术领域，具体涉及一种基于双椭圆反射镜的SPR传感器和应用。
背景技术
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)检测是一种新兴的基于金属界面等离子体场效应的生物传感技术。在SPR检测过程中，需要入射光以不同角度入射在金属/绝缘体界面发生反射，当角度达到一定条件，发生全反射，从而激发金属界面的消逝波，并且在相应的反射角检测反射光强度，通过进行角度扫描，找到发生表面等离子体共振的共振角，在反射光检测中表现为该角度下反射光强的急剧减弱。
在SPR检测的光学系统中，需要通过入射光角度调制来实现全反射条件下的表面等离子体共振，以及需要相应的检测器角度调制来实现对不同角度下的反射光的采集。通常实现多角度的入射光发射和反射光采集都是通过机械式移动光源和检测器的办法，然而对于光学器件的移动容易导致测试结果不精确、仪器稳定性降低。
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)检测是一种新兴的基于金属界面等离子体场效应的生物传感技术，具有无需标记、高度灵敏、快捷简便的优势。SPR检测是通过探测目标样品吸附在芯片表面后引起的折射率变化而实现对目标样品的特异性、浓度、亲和力、动力学等性质进行表征的一种检测手段。当入射光线从棱镜进入金属表面时，在一定角度下会发生全反射，此时产生的沿界面传播的消逝波与金属表面自由电子发生共振，从而入射光线被大量吸收，反射光线强度大幅下降，此时的入射光角度称为SPR角。当金属表面的折射率发生变化时，SPR角会发生变化。金属表面吸附上目标样品，或者目标样品性质变化时，便会引起折射率的变化，从而在SPR谱图上表现为SPR角的位移。
传统的SPR系统布局是克莱舒曼(Kretschmann)布局，其总体结构示意图如图1所示：半球形棱镜1，金属薄膜2设置在棱镜1的底面上，从光源元件3出射的入射光从棱镜1的一侧射入，在一定角度下发生全反射，反射光从棱镜另一侧射出，由光检测元件4采集。光激发元件3与光检测元件4的光轴相交于半球形棱镜1的中心点处。在克莱舒曼布局中最关键的就是如何实现多角度入射光扫描和相应的多角度反射光采集。目前实现角度扫描最常用的方式是机械式扫描，也就是当进行光激发角度扫描时，光激发元件3与光检测元件4同时绕棱镜1的底面2的中心点进行相对或相反的转动。
在SPR技术中最关键的就是实现角度调制，并且需要同时实现入射光和相应反射光的角度调制。目前有两种实现角度调制的方式，一种是机械式扫描方法，如机械臂或者半圆形轨道扫描，光源元件和光检测元件同时随机械臂转动或者光源元件和光检测元件同时在半圆形轨道上转动以实现反射光多角度检测，这种方法的优点是可以实现较大角度范围扫描，检测器可以使用成本较低的光电池检测器，但主要缺点是由于机械结构的存在，设备机动部分过大，检测结果容易受到机械结构精度影响，长期使用下机械结构容易耗损而导致仪器稳定性和准确性降低。另一种是利用特殊光束入射，入射光为一束不平行的会聚光，比如片状光束(fan shaped beam)，以一定的小角度范围汇聚到敏感芯片上，经过反射后成为一束发散光，检测光束的光强随发散角的变化即可获得SPR的角度调制曲线，这种方法的优点是机械结构少，光源元件和光检测元件固定不动，不容易损耗，检测结果不受机械结构的精度影响，稳定性高，但是缺点是入射光的角度变化范围十分受限(30度左右)，且需要光电耦合器件(CCD)作为光检测元件，成本较高。由此可见，对于SPR技术来说，目前还未有技术能够同时实现固定系统组件位置和较大角度扫描范围。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于双椭圆反射镜的SPR传感器以及该基于双椭圆反射镜的SPR传感器在光学检测上的应用，以解决现有SPR传感器存在的检测精度不够、长期使用稳定性和准确性下降、角度变化范围受限以及成本居高不下等诸多问题。
第一方面，本发明提供了一种基于双椭圆反射镜的SPR传感器，包括第一椭圆反射镜、第二椭圆反射镜、光源、角度调制反射镜、金属薄膜以及光检测部件；
所述第一椭圆反射镜包含第一焦点和第二焦点，所述第二椭圆反射镜包含第三焦点和第四焦点，所述第二焦点与第三焦点重合；
所述角度调制反射镜设于第一焦点处，所述金属薄膜设于第二焦点处，所述光检测部件设于第四焦点处，所述金属薄膜用于负载待测样品；
所述光源用于发出光束并传输至角度调制反射镜，所述光束依次经过角度调制反射镜、第一椭圆反射镜后传输至金属薄膜，从所述金属薄膜反射的光束再经第二椭圆反射镜反射至光检测部件，所述光检测部件用于检测光强。
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)检测是一种新兴的基于金属界面等离子体场效应的生物传感技术。在SPR检测过程中，需要入射光以不同角度入射在金属/绝缘体界面发生反射，当角度达到一定条件，发生全反射，从而激发金属界面的消逝波，并且在相应的反射角检测反射光强度，通过进行角度扫描，找到发生表面等离子体共振的共振角，在反射光检测中表现为该角度下反射光强的急剧减弱。基于双椭圆反射镜的SPR传感器包括第一椭圆反射镜、第二椭圆反射镜、光源、角度调制反射镜、金属薄膜以及光检测部件，角度调制反射镜和第一椭圆反射镜能够将光源射出的光束反射到金属薄膜处，金属薄膜上负载有样品，并且基于样品的浓度、结构等变化能够引起金属薄膜共振角的变化进而引起光强减弱，从金属薄膜反射出的光束进一步通过第二椭圆反射镜反射后被光检测部件采集到。本发明基于双椭圆反射镜的SPR传感器可以基于光检测部件探测到发生表面等离子体共振的光束，进一步基于样品变化前后的共振光束角度变化探测样品的变化。本发明基于双椭圆反射镜的SPR传感器在固定光学器件不动的前提下，通过设置角度调制反射镜实现大角度范围的入射光角度调制以及反射光采集，具有检测灵敏度高、精确度高、扫描角度范围大、体积大小可控且成本相对低廉等优点。
优选的，所述第一椭圆反射镜及第二椭圆反射镜均为沿短轴对称的半椭圆形，所述第一椭圆反射镜的长轴与第二椭圆反射镜的长轴垂直相交于第二焦点。由此，通过第一椭圆反射镜与第二椭圆反射镜垂直相交，既保证了光束能够顺利从第一椭圆反射镜传输至第二椭圆反射镜及光检测部件，也相应缩小了椭圆反射镜以及基于双椭圆反射镜的SPR传感器的体积。
优选的，所述第一椭圆反射镜及第二椭圆反射镜均为偏椭圆形，且所述第一椭圆反射镜由第一椭圆反射镜的长轴及第一焦半径截断部分组成，所述第一焦半径与第一椭圆反射镜的长轴垂直相交于第二焦点；
所述第二椭圆反射镜由第二椭圆反射镜的长轴及第二焦半径截断部分组成，所述第二焦半径与第二椭圆反射镜的长轴垂直相交于第二焦点。由此，通过设置第一椭圆反射镜及第二椭圆反射镜能够保证用于对金属薄膜进行扫描的光束具有较大的扫描范围，也较大程度缩小了第一椭圆反射镜及第二椭圆反射镜的体积。
优选的，所述第一焦半径与第二椭圆反射镜的长轴重合。通过第一焦半径与第二椭圆反射镜的长轴重合，使得扫描光束的扫描范围扩大至0～90°，能够满足所有样品的扫描需求。
优选的，所述光源设于第一焦点与第二焦点的连线上；
所述光源为LED光源或者激光光源。由此，通过设于光源能够实现金属薄膜处入射角的可调制范围扩大至0～90°，满足所有样品的扫描需求。
优选的，所述角度调制反射镜采用转动电机控制角度调制反射镜的角度。通过转动电机控制角度调制反射镜的角度，能够实现光束的自动扫描，而且角度变化的幅度能够很好进行控制，也能检测出角度调制反射镜的角度。
优选的，所述光检测部件为CCD检测器或者光电池检测器。CCD检测器或者光电池检测器均能精准的检测光强变化，基于光强的变化找到共振角以及样品的变化。
第二方面，本发明还提供了基于双椭圆反射镜的SPR传感器在光学检测上的应用，基于双椭圆反射镜的SPR传感器检测样品的共振角变化探测样品是否发生变化，例如酶促反应、免疫反应、浓度变化等，进而推导出金属薄膜表面是否发生了相应的生物、化学或者物理的变化。
本发明的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本发明实施例的实施而获知。
附图说明
为更清楚地阐述本发明的内容，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。
图1为克莱舒曼布局的结构示意图；
图2为基于双椭圆反射镜的SPR传感器的原理图；
图3为本发明一实施方式提供的基于双椭圆反射镜的SPR传感器的光路图；
图4为本发明另一实施方式提供的基于双椭圆反射镜的SPR传感器的光路图；
图5为不同浓度氯化钠溶液光扫描结果。
具体实施方式
以下所述是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
本发明所涉及的光学系统，其原理如图2所示。椭圆E1具有焦点A和B(两焦点直线距离LAB)。椭圆E2具有焦点B和C(两焦点直线距离LBC)，其焦点B与椭圆E1的焦点B位置重叠。由椭圆焦点性质可知，在A点以任一角度发出的光线经椭圆E1边界反射后会汇聚在B点，在B点以任一角度发出的光线经椭圆E2边界反射后会汇聚在C点。由此，可以通过调制在A点的发射光线的角度来实现在B点入射光线θ角度的调制，通过光检测部件检测C点的光强变化来探测B点处样品的表面等离子体共振情况。由此，借助于双椭圆反射镜能够将光束约束至焦点A、B和C，A点处设置角度调制反射镜，B点处设置金属薄膜以及设于金属薄膜上的样品，C点处设置光检测部件，通过角度调制反射镜将固定的光路调制角度后反射至金属薄膜，通过角度调制反射镜能够大范围调制入射到金属薄膜的光束角度，再通过固定设置的光检测部件检测光强变化以探测金属薄膜表面等离子体共振情况。
实施例1
如图3所示，为本发明提供的基于双椭圆反射镜的SPR传感器。该基于双椭圆反射镜的SPR传感器包括光源1、角度调制反射镜2、第一椭圆反射镜3、金属薄膜4、第二椭圆反射镜5以及光检测部件6。第一椭圆反射镜3包含第一焦点和第二焦点，相应的，第二椭圆反射镜5包含第三焦点和第四焦点，其中第二焦点与第三焦点重合。角度调制反射镜2设于第一焦点处，金属薄膜4设于第二焦点处，光检测部件6设于第四焦点处，金属薄膜4用于负载待测样品。光源1用于发出光束并传输至角度调制反射镜2，光束依次经过角度调制反射镜2、第一椭圆反射镜3后传输至金属薄膜4，从金属薄膜4反射的光束再经第二椭圆反射镜5反射至光检测部件6，光检测部件6用于检测光强。当入射光束的入射角(α)变化时，SPR角(θ)随之发生变化，本实施例中SPR角(θ)的变化幅度为0～90°，能够满足所有待测样品的扫描需求。当角度调制反射镜2近乎竖直设置时，SPR角(θ)接近90°，当角度调制反射镜2近乎水平设置时，SPR角(θ)接近0°，因此仅通过角度调制反射镜2转动就能实现SPR角(θ)的扫描。当光束以一定角度反射到金属薄膜4上时发生全反射，此时入射光线被大量吸收，反射光线强度大幅下降，此时的入射光角度称为SPR角。通过系统记录下光束的光强度变化找到其SPR角，进一步基于样品变化(例如可以是反应，包括酶促反应、免疫反应等化学反应，浓度等物理变化)前后的SPR角变化确定样品是否发生变化。
在优选的实施方式中，第一椭圆反射镜3及第二椭圆反射镜5均为沿短轴对称的半椭圆形(即第一椭圆反射镜3与第二椭圆反射镜5均为沿长轴截断的半椭圆形)，第一椭圆反射镜3的长轴与第二椭圆反射镜5的长轴垂直相交于第二焦点，即第一椭圆反射镜3的长轴与第二椭圆反射镜5的长轴垂直相交，且第一椭圆反射镜3的右侧焦点与第二椭圆反射镜5的上侧焦点重合。由此，从光源1发出的光束经角度调制反射镜2调制角度后，再经过两次椭圆反射镜反射后到达光检测部件6。
在其它实施方式中，可以基于待测样品反应前后的金属薄膜4发生表面等离子体共振的角度范围选择第一椭圆反射镜3及第二椭圆反射镜5的大小，仅保证光束在需要测试的范围内均能通过第一椭圆反射镜3、第二椭圆反射镜5后传输到光检测部件6即可。在满足SPR角度调制范围内，第一椭圆反射镜3及第二椭圆反射镜5还可以是其它形状，例如，截取第一椭圆反射镜3及第二椭圆反射镜5上部分的椭圆反射镜，第一椭圆反射镜3的长轴与第二椭圆反射镜5的长轴也可以是非垂直相交。
实施例2
实施例2与实施例1的区别仅在于：如图4所示，第一椭圆反射镜3及第二椭圆反射镜5均为偏椭圆形，第一椭圆反射镜3由第一椭圆反射镜3的长轴与第一焦半径(实质为第二椭圆反射镜5的长轴)截断部分组成，且第一焦半径与第一椭圆反射镜3的长轴垂直相交于第一椭圆反射镜3的右侧焦点。即第一椭圆反射镜3仅包括第一椭圆反射镜3对应的椭圆落入第一椭圆反射镜3的长轴与第一焦半径相交的右上方(第一象限)。第二椭圆反射镜5由第二椭圆反射镜5的长轴及第二焦半径(实质为第一椭圆反射镜3的长轴)截断部分组成，第二焦半径与第二椭圆反射镜5的长轴垂直相交于第二焦点。即第二椭圆反射镜5仅包括第二椭圆反射镜5对应的椭圆落入第二椭圆反射镜5的长轴与第二焦半径相交的左上方(第二象限)。当入射光束的入射角(α)变化时，SPR角(θ)随之发生变化，本实施例中SPR角(θ)的变化幅度为0～90°，能够满足所有待测样品的扫描需求。同时，第一椭圆反射镜3及第二椭圆反射镜5的体积均有所减小，方便放置和组装。在其它实施例中，第一焦半径与第二椭圆反射镜5的长轴不重合也具有相似的功能，区别仅在于SPR角(θ)的扫面范围会有所变化。
作为优选的实施方式，角度调制反射镜2为平面反射镜。由光源元件1发出的入射光经由平面反射镜发生第一次反射，反射光线由椭圆反射镜3发生第二次反射，反射光线汇聚在金属薄膜4的金属薄膜上发生第三次反射，此次反射在一定角度条件下成为样品装置金属表面的表面等离子体共振激发条件，随后，反射光入射到椭圆反射镜5发生第四次反射，反射光线汇聚至光检测元件6。通过改变反射镜2的旋转角度可以实现发生在金属薄膜4处的第三次反射的入射角度(SPR角θ)，实现角度调制的表面等离子体共振激发，同时在光检测元件6处可以采集不同入射角度下的反射光线，实现角度调制的表面等离子体共振检测。
作为优选的实施方式，如图1所示，金属薄膜(相当于图1中的附图标记2)上还设有半球形棱镜(相当于图1中的附图标记1)，即金属薄膜设置在棱镜的底面上，从光源射出的入射光从棱镜的一侧射入，反射点恰好位于金属薄膜的中心位置。
在一定角度下发生全反射，反射光从棱镜另一侧射出，由光检测部件采集。
作为优选的实施方式，光源1设于第一焦点与第二焦点的连线上，即光源1设于第一椭圆反射镜3的长轴上，具有最大的扫描范围。在其它实施例中对扫描角度范围要求不高的情况下，光源1也可以设于第一椭圆反射镜3的长轴外。
作为优选的实施方式，光源1为LED光源，在其它实施例中，光源1还可以是激光光源。
作为优选的实施方式，角度调制反射镜2采用转动电机控制角度调制反射镜的角度。在其它实施方式中，角度调制反射镜2采用其它驱动方式进行驱动方式进行旋转同样可行，仅保证角度调制反射镜2的转动角度微小、可调控即可。
作为优选的实施方式，光检测部件6为CCD检测器。在其它实施方式中，光检测部件6还可以为光电池检测器，具有相似的光检测效果。
作为优选的实施方式，第一椭圆反射镜3及第二椭圆反射镜5的离心率相同，由此在制备椭圆反射镜中成本相对更低、质量也更可控。
本发明设计了一种角度扫描式SPR检测光学系统，利用椭圆焦点性质，只需要一个机械控制的转动反射镜和两个椭圆反射镜就能实现不同角度入射光发射以及不同角度反射光采集。相比于机械式扫描方法，本发明所涉及的光学装置的优点是机械部分少，不易损耗，光源元件、样品池装置和光检测元件都处于固定位置，不发生转动，提高了仪器的精确度、稳定性和可调节性。相比于片状光束入射的SPR检测装置，本发明所涉及的光学装置的优点是可以实现大范围(0-90度)的入射光角度调制和反射光采集，检测范围提高，并且无需较高成本的CCD检测器。
效果实施例
采用实施例2中基于双椭圆反射镜的SPR传感器测量不同浓度氯化钠溶液(分别是：去离子水、1％的氯化钠溶液、2％的氯化钠溶液、4％的氯化钠溶液、5％的氯化钠溶液)对应的SPR角，不同浓度的氯化钠溶液对应不同的折射率。如图5所示，随着氯化钠浓度的升高，SPR角也逐渐提升，从64.5度左右提升至65.3度，当发生表面等离子共振时，光强也是急剧下降。结果表明本发明基于双椭圆反射镜的SPR传感器可以有效检测SPR芯片(即图4中金属薄膜4)表面环境的折射率变化，即使是很小的环境变化也能高效分辨出，实现样品的高分率检测。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于双椭圆反射镜的SPR传感器，其特征在于，包括第一椭圆反射镜、第二椭圆反射镜、光源、角度调制反射镜、金属薄膜以及光检测部件；
所述第一椭圆反射镜包含第一焦点和第二焦点，所述第二椭圆反射镜包含第三焦点和第四焦点，所述第二焦点与第三焦点重合；
所述角度调制反射镜设于第一焦点处，所述金属薄膜设于第二焦点处，所述光检测部件设于第四焦点处，所述金属薄膜用于负载待测样品；
所述光源用于发出光束并传输至角度调制反射镜，所述光束依次经过角度调制反射镜、第一椭圆反射镜后传输至金属薄膜，从所述金属薄膜反射的光束再经第二椭圆反射镜反射至光检测部件，所述光检测部件用于检测光强。
2.如权利要求1所述的基于双椭圆反射镜的SPR传感器，其特征在于，所述第一椭圆反射镜及第二椭圆反射镜均为沿短轴对称的半椭圆形，所述第一椭圆反射镜的长轴与第二椭圆反射镜的长轴垂直相交于第二焦点。
3.如权利要求1所述的基于双椭圆反射镜的SPR传感器，其特征在于，所述第一椭圆反射镜及第二椭圆反射镜均为偏椭圆形，且所述第一椭圆反射镜由第一椭圆反射镜的长轴及第一焦半径截断部分组成，所述第一焦半径与第一椭圆反射镜的长轴垂直相交于第二焦点；
所述第二椭圆反射镜由第二椭圆反射镜的长轴及第二焦半径截断部分组成，所述第二焦半径与第二椭圆反射镜的长轴垂直相交于第二焦点。
4.如权利要求3所述的基于双椭圆反射镜的SPR传感器，其特征在于，所述第一焦半径与第二椭圆反射镜的长轴重合。
5.如权利要求1所述的基于双椭圆反射镜的SPR传感器，其特征在于，所述光源设于第一焦点与第二焦点的连线上；
所述光源为LED光源或者激光光源。
6.如权利要求1所述的基于双椭圆反射镜的SPR传感器，其特征在于，所述角度调制反射镜采用转动电机控制角度调制反射镜的角度。
7.如权利要求1所述的基于双椭圆反射镜的SPR传感器，其特征在于，所述光检测部件为CCD检测器或者光电池检测器。
8.如权利要求1-7任一项所述的基于双椭圆反射镜的SPR传感器在光学检测上的应用。
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