一种SPR检测器
技术领域
本发明涉及检测装置技术领域,具体涉及一种SPR检测器。
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,需要入射光以一定角度入射在金属(通常为金、银薄膜)/绝缘体(通常为棱镜)界面,发生全反射,从而激发金属界面的消逝波,引起金属界面的表面等离子体共振,吸收大量反射光,并且在相应的反射角表现为检测的反射光强度急剧减弱。当金属界面附着了待测目标分析物时,则会引起全反射条件下金属界面的表面等离子体场发生变化。进行SPR检测的方式有两种:角度调制型SPR和波长调制型SPR。如果入射光是单一波长的光,则固定入射波长不变,通过进行入射光角度扫描,找到发生表面等离子体共振的共振角,目标分析物吸附前后的共振角度会发生变化,从而对目标分析物的吸附状态进行分析,这种检测方式称为角度调制型SPR。如果入射光是可调节波长的光,则固定入射角度不变,通过进行入射光波长扫描,找到发生表面等离子体共振的波长,目标分析物吸附前后的共振波长会发生位移,从而对目标分析物的吸附状态进行分析,这种检测方式成为波长调制型SPR。
传统的SPR布局是克莱舒曼(Kretschmann)布局,其总体结构示意图如图1所示:光线从光源元件1射出,以一定角度进入棱镜2的一侧,金属薄膜3贴附于棱镜2的底面上,样品附着在金属薄膜3的另一侧。反射光从棱镜另一侧射出,由光检测元件4采集。
波长调制型SPR的实现过程如图2所示(专利号US 20190331599A1),可变波长的光线从光源元件1射出,以一定角度(通常为72°)进入棱镜2的一侧,金属薄膜3贴附于棱镜2的底面上,样品附着在金属薄膜3的另一侧。当光源波长发生改变时,入射光在棱镜2界面处发生不同角度的折射,继而在棱镜2与金属薄膜3的界面上的不同位点发生反射,再从棱镜2的另一侧射出,由光检测元件4采集。当金属薄膜3吸附的样品发生变化时,对样品进行不同波长光扫描(通常扫描范围为550-850nm),会发现样品吸附引起金属薄膜的折射率变化,从而导致发生全反射的波长发生位移,在谱图上表现为反射光强度波谷随波长发生改变。对于克莱舒曼布局,实现波长调制SPR检测的关键在于,由于棱镜对不同波长的光的折射效果不同,最终的反射光会以不同角度射出,因此一般的光检测元件如光电池元件无法满足检测需求,需要较为昂贵的CCD阵列检测器。
另外,通常情况下,SPR检测过程中所使用的金属薄片3厚度非常小,光线在金属薄片中发生的折射效果忽略不计。但是,当金属薄膜玻片厚度明显增大时,由于光线穿过金属薄膜玻片时容易发生折射,会进一步导致光路偏移,如图3所示。因此SPR检测设备中对金属薄膜玻片的厚度要求非常严格,通常为0.2mm,这导致在实际操作过程中金属薄膜玻片容易破碎,对试验人员的技术要求非常高。同时,棱镜2和金属薄膜3的位置必须稳固不变,以保持光路平稳不受影响。
对于克莱舒曼布局,实现波长调制SPR检测的关键在于:(1)由于棱镜对不同波长的光的折射效果不同,最终的反射光会以不同角度射出,因此一般的光检测元件如光电池元件无法满足检测需求,需要较为昂贵的CCD阵列检测器。(2)传统的SPR检测设备中,使用的金属薄片厚度要求较高,需要极薄(约0.2mm)的玻片,如若使用便于操作的较厚(约10mm)的玻片,则容易由于光折射引起光路偏移。而极薄的玻片在操作过程中较易破碎,极大提高了操作难度。(3)传统克莱舒曼布局中,由于入射光路和反射光路分别位于棱镜的两侧,光学系统体积较大,导致设备体积较大,目前市面上较为成熟的商业化SPR仪器最小的设备体积至少为60cm3,极大的制约了小体积的SPR检测设备的发展,不利于进行实地实时检测。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种SPR检测器,以解决现有SPR检测器存在的对光检测元件、金属薄片厚度等要求较高,设备体积大等问题。
第一方面,本发明提供了一种SPR检测器,包括光源元件、光检测元件、棱镜、金属薄膜和反射镜,所述反射镜设于棱镜的一侧,且所述反射镜与棱镜相互垂直,所述金属薄膜设于棱镜背向反射镜的一面,所述金属薄膜背向棱镜的一面用于负载样品,所述棱镜、反射镜和金属薄膜组成回射器;
所述光源元件用于发射入射光束至棱镜,所述入射光束依次经棱镜初级折射、金属薄膜反射以及棱镜次级折射后传输至反射镜,所述反射镜将入射光束发射成反射光束并传至光检测元件;
所述入射光束与反射光束平行反向,所述光源元件与光检测元件并排设置。
本发明SPR检测器包括光源元件、光检测元件、棱镜、金属薄膜和反射镜,其中反射镜设于棱镜的一侧,且反射镜与棱镜相互垂直连接,金属薄膜设于棱镜背向反射镜一面,由此通过棱镜、金属薄膜和反射镜组成SPR检测器的回射器。固定入射光与棱镜的法向切线角度(即入射角)为72°,当光源元件用于发射入射光束至棱镜时,入射光束经由空气-棱镜界面进行初级折射后进入到棱镜中传输。当光束传递至棱镜-金属薄膜的界面时发生全反射。当光束进一步传递至棱镜-空气界面时发生次级折射并进入到空气中传输,光束传输至反射镜反射后生成反射光束并传至光检测元件,完成光路的发射、传输与检测过程。固定此入射角不变,改变入射光的波长,制作反射光强随波长变化的曲线图。基于波长调制SPR检测原理,在入射光角度固定时,当金属薄膜表面吸附的物质发生变化后,棱镜-金属薄膜发生全反射的波长条件发生改变,基于发生全反射时波长的变化(即制作反射光强随波长变化的曲线图)判断金属薄膜表面吸附的物质的变化。
本发明SPR检测器采用棱镜、反射镜和金属薄膜组成回射器,入射光束与反射光束平行反向,入射光束与反射光束始终在同一位置发射和采集,方便将光源元件、光检测元件集成在一起,且光源元件、光检测元件、样品池装置位置固定不动减小了SPR检测器的体积、提高了设备稳定性。从光源元件发出的不同波长的光线可以被光检测元件在同一位置进行同时采集,大大降低了对光检测元件的要求。另外操作过程中无需考虑光束全反射位置对反射光束以及光检测元件的影响,无需严格标示固定的待检测样品位置,无需严格要求负载待检测样品的金属膜玻片的厚度,简化光检测过程的同时也降低了光检测元件的要求。本发明提供的一种全波长调制SPR检测器,旨在减小设备体积、减少机械运动部件、减少各元件对光路产生的影响,提高仪器稳定性,同时提高操作便利程度。
优选的,所述反射镜为平面反射镜,所述金属薄膜为金属膜玻片。
优选的,所述反射镜的一侧设有一对固定条,所述固定条与反射镜垂直连接;
所述金属薄膜吸附于棱镜的一面,所述金属薄膜背向棱镜的一面用于吸附待测样品,所述固定条用于与金属薄膜背向棱镜的一面连接。
优选的,所述固定条为一对铁片,所述一对铁片与金属薄膜背向棱镜的一面通过磁胶连接。
优选的,还包括底座,所述反射镜设于底座上。
优选的,所述光源元件为卤素灯光源,所述入射光为同时包含不同波长光的白光。
优选的,还包括光学光谱仪,所述光检测元件采集反射光束后将生成的不同波长的数据同时传输至光学光谱仪。
优选的,所述光源元件与光检测元件沿入射光束方向并排设置且集成于同一部件上。
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为传统克莱舒曼布局的结构示意图;
图2为克莱舒曼布局下的波长调制型SPR的原理示意图;
图3为金属薄膜玻片较厚时对SPR检测光路的影响图;
图4为回射器的基本原理图;
图5为基于回射器原理的回射器样品池装置结构示意图;
图6为回射器样品池装置实现波长调制型SPR的原理图;
图7为金属薄膜玻片较厚时回射器样品池装置实现波长调制型SPR的原理图;
图8为本发明一实施方式提供的全波长调制SPR检测器结构示意图。
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。
本发明一种SPR检测器,包括光源元件、光检测元件、棱镜、金属薄膜和反射镜,其中反射镜设于棱镜的一侧,且反射镜与棱镜相互垂直,金属薄膜设于棱镜背向反射镜一面,由此通过棱镜、反射镜和金属薄膜组成回射器。其中本发明SPR检测器所涉及的光学系统,主要基于回射器的“将入射光以相同角度返回”的特点,构建“类回射器”样品池装置,并利用集成式光源元件和光检测元件,实现入射光线与反射光线平行的反射式光学系统设计。
回射器的基本原理如图4所示,回射器由两个相互垂直的反射面构成。当光线入射在其中一个平面上,将在另一个平面发生第二次反射,并且反射光以平行于入射光的方向返回。基于回射器原理,构建“类回射器”样品池装置如图5所示。在平面棱镜的垂直面上放置一个平面反射镜,构建两个相互垂直的“反射面”。光源元件1和光检测元件4集成在同一元件上,从光源元件1发出的光线进入棱镜2,在棱镜2界面发生折射,金属薄膜3贴附于棱镜2的另一面,光线在棱镜/金属薄膜界面发生全反射时并经过棱镜-空气的第二次折射后,入射光束与法线相交的角度不变,相当于经过一次反射,光束继续传输至反射镜5并发生反射,随后反射光束平行于入射光束返回光检测元件4。通过构建回射器样品池装置,利用回射器使得反射光束和入射光束平行的特点,使得不论何种波长的光通过棱镜后以何种角度反射,反射光线都能够在固定范围内被光检测元件采集。
作为优选的实施方式,如图5所示,光源元件1与光检测元件4沿入射光束方向并排设置且集成于同一部件上。采用光源元件1和光检测元件4集成一体的反射式光路设计,使得入射光路和反射光路更加集中,极大地减少设备体积。另外,利用“类回射器”样品池装置实现波长调制无需考虑不同波长的入射光经过棱镜后发生的折射角度不同。如图6所示,当入射光线变化为不同波长的入射光时,由于发生在平面反射镜5的第二次反射的入射光角度始终不变,最终反射光仍旧以平行于入射光的方向返回光检测元件4。
另外,如图7所示,由于“类回射器”样品池装置的特点,反射光角度不受棱镜折射效果影响,从而当金属薄膜3的厚度发生改变时,仍旧不影响反射光返回方向,并且,当金属薄膜3的厚度越大时,反射光线越靠近入射光线,更易于实现反射光采集。
作为优选的实施方式,金属薄膜3为金属薄膜玻片。在其他实施方式中,金属薄膜3还可以为金片或者银片。在本实施例中,反射镜5为平面反射镜,例如为全波长反射镜,也可以根据光源波段不同选择不同波段的反射镜。
作为优选的实施方式,光源元件1为白光光源,例如使用卤素灯作为光源。在其它实施例中,也可以选择连续可调波长光源或固定范围内可调波长光源。
作为优选的实施方式,如图8所示,光源元件1和光检测元件4集成在同一部件上,“类回射器“样品池装置5包括平面反射镜51、固定在平面反射镜51一侧并与之垂直的两条铁片52以及样品池装置底座53。金属薄膜玻片3吸附于棱镜2的一面,样品吸附在金属薄膜玻片3的另一面。在棱镜2背向金属薄膜玻片3的一面涂以磁胶配液6,继而将棱镜2通过磁胶配液6吸附在铁片52上,由此构建成回射器样品池装置。借助于回射器样品池装置,入射光束能够平行反向返回并被光检测元件4采集。
作为优选的实施方式,如图8所示,还包括光学光谱仪7,光学光谱仪7具有快速实时处理数据的功能,可以实时检测。
本发明SPR检测器的优点:
(1)采用波长调制的方法,光源元件和光检测元件、样品池装置固定不动,减少设备机械运动部分,提高设备的稳定性。
(2)回射器的结构特点使得入射光束和反射光束可以在固定位置发射和采集,同时入射光路和反射光路的空间距离减少,回射器体积一般为5cm3,接收器体积一般为5cm3,可以极大缩小设备体积。
(3)回射器的结构只需保证两次反射面互相垂直即可实现反射光束等角度返回,不受棱镜和金属薄膜处发生的光折射效果限制,只要保证光反射界面与另一侧反射镜面成90°即可。因此对所使用的棱镜的形状以及金属薄膜的厚度没有要求,极大地提高了操作简便程度,而传统方法需要使用半球状棱镜和极薄的金属玻片。
(4)由于对棱镜和金属薄膜的厚度要求降低,提高了对棱镜和金属薄膜的可操作性,可以在此基础上设计不同形貌的样品池装置,能够更便捷地实现高通量检测
(5)光检测元件使用光学光谱仪,可以实时、准确地获得谱图,而传统方法使用的光谱仪需要进行较长时间(十分钟左右)的波长扫描才能获得谱图。
(6)传统地波长调制SPR设备的波长范围是550-850nm,本方案中使用卤素灯作为光源,可以同时获得全光谱范围内数据,可适用于多种材质的金属薄膜。
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。