CN113758877A - 一种频域量子弱测量生物分子传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种频域量子弱测量生物分子传感器及其测量方法，该传感器包括发光装置、偏振态制备装置、棱镜、偏振态选择装置、光谱分频装置和光电探测元件，被测样品与棱镜的反射表面接触，由发光装置发出的光束经偏振态制备装置变成偏振光，偏振光入射到棱镜的反射表面，经界面反射产生相位差，经过偏振态选择装置对偏振态进行选择，经光谱分频装置后被分离为不同频率区间的光束，再被光电探测元件分别接收并通过计算光强差值的方式获得样品折射率测量结果，由此可测定棱镜表面的样品分子的浓度和/或实现生化反应过程的监控。本发明能够在保证高灵敏度测量生物分子样品折射率的前提下，提升测量的稳定性，可重复性和对环境噪声干扰的抵抗能力。

Description

一种频域量子弱测量生物分子传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及量子光学技术，特别是涉及一种频域量子弱测量生物分子传感器及其测量方法。

背景技术

生物分子浓度的光学测量方法一般是利用表面等离子体共振(Surface plasmonresonance,SPR)方法进行折射率测量，或用紫外分光光度吸收法进行吸光度测量，但以上方法存在成本较高和难以高效化测量的问题，弱测量方法在同样灵敏度下有着成本更低的特点，可以进行对这些测量过程改进。

弱测量方法具有应用范围广泛，测量灵敏，可实时原位灵敏测量的优点。根据现有工作(参见Zhang Y,Li D,He Y,et al.Optical weak measurement system with commonpath implementation for label-free biomolecule sensing[J].Optics letters,2016,41(22):5409-5412.)的报导，这种传感器能够达到10^-6RIU的分辨率，是一种有望取代表面等离子体共振的高灵敏度测量方法。但弱测量方法本身存在着难以集成化的问题，其原因主要在于频域弱测量方法虽然测量效果优秀，但测量时需要对频谱进行分离，对于光线的空间角度响应非常敏感，更换不同样品时容易影响到光路的弱值状态，重新恢复光路状态比较困难。

综上所述，基于光学弱测量效应的方法需要进一步改进，提出一种鲁棒性更强，对环境噪声和技术噪声更不敏感的弱测量系统，实现生物分子传感的集成化应用。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种频域量子弱测量生物分子传感器及其测量方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种频域量子弱测量生物分子传感器，包括发光装置、偏振态制备装置、棱镜、偏振态选择装置、光谱分频装置和光电探测元件，被测样品与所述棱镜的反射表面接触，由所述发光装置发出的光束经所述偏振态制备装置变成偏振光，所述偏振光入射到所述棱镜的反射表面，经棱镜-样品界面全内反射产生相位差，经过所述偏振态选择装置对偏振态进行选择，经所述光谱分频装置后被分离为不同频率区间的光束，再被所述光电探测元件分别接收并通过计算光强差值的方式获得样品折射率测量结果；其中，偏振光入射到棱镜内表面的入射角与样品介质表面产生倏逝波，通过对入射光频谱和偏振状态的选择，由频域的分离来测量倏逝波带来的相位差，得到高精度的相位或旋光角度测量结果，并利用量子弱测量的弱值放大效应，测定棱镜表面的样品分子的浓度和/或实现生化反应过程的监控。

进一步地：

所述偏振态制备装置和所述偏振态选择装置的偏振片光轴之间的夹角为90°±β或±β，β≤5°。

所述偏振态制备装置的光轴与水平面所成夹角α满足:0<α<20°。

所述偏振态制备装置将入射到所述偏振态制备装置的光束调整为线偏振光或近似椭圆偏振光，所述偏振态选择装置使从所述棱镜反射出的光束偏振态与所述偏振态选择装置设定的偏振态接近正交，从而将入射到所述偏振态选择装置的椭圆偏振光或圆偏振光调整为近似线偏振光。

所述偏振态制备装置为偏振器或者偏振器与相位补偿系统的组合；所述偏振态选择装置为偏振器或者相位补偿系统与偏振器的组合；所述偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜或偏振衰减片，所述相位补偿系统为相位补偿器或相位延迟波片。

所述发光装置包括光源发生器以及设置于所述光源发生器出射光路上的能量调节器，所述能量调节器用于对由所述光源发生器发出的光束能量进行调节；优选地，还包括设置于光源发生器出射光路上的滤光片；所述光源发生器为激光器、激光二极管、超辐射发光二极管、发光二极管、白光发生器或量子光源发生器；所述能量调节器为二分之一波片、四分之一波片、高斯滤波片或中性衰减片，对于二分之一波片和四分之一波片，通过调节其光轴方向与入射光偏振方向的夹角实现对光能量的调节。

所述棱镜为三棱镜、四棱镜或五棱镜，所述光谱分频装置为二向色镜或带通偏振片与分光棱镜的组合装置，所述光电探测元件为电荷耦合器件CCD、互补金属氧化物半导体图像传感器、光谱仪或光电倍增管。

还包括流道和流道耦合元件，所述棱镜的反射表面处通过所述流道耦合元件安装有所述流道，液体和气体的待测样品在所述流道中与所述棱镜的反射表面接触。

还包括棱镜更换装置，其以凹槽或夹持的方式固定所述棱镜，以在进行生化反应检测时按需更换所述棱镜，并进行棱镜位置的微调。

一种基于差分原理设计的频域量子弱测量生物分子的方法，包括使用所述的传感器进行测量，具体还包括：

记录通过光电探测元件测量的不同频段光束的光强I_γ；

计算从棱镜反射出的反射光束水平偏振方向H和竖直偏振方向V的偏振分量产生的相位差：

其中，θ是入射到样品界面光束的入射角，n代表棱镜与样品的折射率比值；

计算偏振态选择装置前后的偏振态为：

其中α＝Δ+δ，δ为偏振态选择装置对光束的补偿相位，β为偏振态选择装置光轴与偏振态制备装置正交方向之间的微小差异；

计算经偏振态选择装置后不同波长下的光束能量密度为：

其中

通过测量出射光不同频率的光强差后，计算得到样品的折射率；

特别地，当仅将光谱分离为高频和低频时，光强差为：

本发明具有如下有益效果：

本发明提供了一种基于差分原理设计的频域量子弱测量生物分子传感器及其测量方法，通过对入射光频谱和偏振状态的选择，得到高精度的相位或旋光角度测量结果，并利用量子弱测量的弱值放大效应得到生物分子的浓度结果和实现生化反应过程的监控。其中，入射到棱镜表面的入射角与样品介质表面产生倏逝波，并通过频域的分离测量倏逝波带来的相位差，以测定棱镜表面的分子浓度和实现生化反应过程的监控。本发明能够在保证高灵敏度测量生物分子样品折射率的前提下，进一步提升测量的稳定性，可重复性和对环境噪声干扰的抵抗能力。

本发明实现基于差分式量子弱测量原理的表面折射率的测量，利用量子弱测量的弱值放大特性，来提升测量的灵敏度，并且通过探测不同频率光强差异的方式提高测量系统的鲁棒性，这使得测量系统可以通过替换透镜的方式将测量系统集成化。本发明可适用于生物、化学、食品安全等领域的实时、无标记的微弱分子相互作用过程的高灵敏度探测。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

(1)本发明基于量子弱测量技术，通过设置合适的偏振态制备装置和偏振态选择装置，以使从经棱镜内表面反射的光束偏振态与偏振态选择装置设定的偏振态接近正交，并利用量子弱测量放大效应得到的不同频段的光强差得到样品折射率；

(2)本发明改进了频域型量子弱测量的测量方法，将光谱测量转变为不同频域的光强测量，通过在空间上的分离不同频率的光线来测定不同频谱范围的光强，相比于直接使用光谱仪测量的方法，本方法可以解决光谱测量中空间分辨率不足导致测量偏差的问题，并且可以抑制环境震动噪声或更换棱镜时光路偏移带来的误差；

(3)本发明基于频域型量子弱测量方法进行了改进，通过改进光谱测量方式使得出射光不需要通过耦合透镜和狭缝进入光谱仪，可以减少传播过程中光强的损失，提升测量的灵敏度，提升测量的可靠性和降低响应阈值，使得测量弱值有进一步放大的空间。

(4)本发明基于差分式频域量子弱测量方法是一种新型的、无损的、可重复替换的直接光学传感分子测量技术，由于在频域中进行了差分测量，可以抑制环境噪声和技术噪声的影响，可实现在样品自然状态下样品折射率变化的可重复、高精度测量，并且可以对分子的相互作用过程进行实时的、高灵敏度的监控和分析。在生物医学、生命科学、分析化学、物理学、材料学等多个技术领域具有重要应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例的基于差分原理设计的频域量子弱测量生物分子传感器结构示意图。

图2为本发明实施例的光谱分频结构的示意图。

图3(a)为不同浓度NaCl溶液检测得到的实时光强差示意图；图3(b)为根据图3(a)结果拟合得到的浓度响应误差图。

图4为监测不同浓度的兔IgG分子和蛋白A结合过程的实验结果示意图。

标记说明：

1、发光装置，2、偏振态制备装置，3、相位补偿系统，4、棱镜，5、流道耦合元件，6、棱镜更换装置，7、偏振态选择装置，8、光谱分频装置，9、频谱选择后的出射光，10、光电探测元件，11、入射光，12、分频装置框架，13、光谱分频元件，14、高频出射光，15、低频出射光

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1和图2，本发明实施例提供一种基于差分原理设计的频域量子弱测量生物分子传感器，包括发光装置1、偏振态制备装置2、棱镜4、偏振态选择装置7、光谱分频装置8和光电探测元件10，被测样品与所述棱镜4的反射表面接触，由所述发光装置1发出的光束经所述偏振态制备装置2变成偏振光，所述偏振光入射到所述棱镜4的反射表面，经棱镜4-样品界面全内反射产生相位差，经过所述偏振态选择装置7对偏振态进行选择，经选择的入射光11进而经所述光谱分频装置8后被分离为不同频率区间的出射光9，例如高频出射光14和低频出射光5，再被所述光电探测元件10分别接收并通过计算光强差值的方式来获得样品折射率测量结果；其中，偏振光入射到棱镜4内表面的入射角与样品介质表面产生倏逝波，通过对入射光频谱和偏振状态的选择，由频域的分离测量倏逝波带来的相位差，得到高精度的相位或旋光角度测量结果，并利用量子弱测量的弱值放大效应，测定棱镜4表面的生物分子的浓度和/或实现生化反应过程的监控。

在优选的实施例中，所述偏振态制备装置2和所述偏振态选择装置7的偏振片光轴之间的夹角为90°±β或±β，β≤5°。

在优选的实施例中，所述偏振态制备装置2的光轴与水平面所成夹角α满足:0<α<20°。

在优选的实施例中，所述偏振态制备装置2将入射到所述偏振态制备装置2的光束调整为线偏振光或近似椭圆偏振光，所述偏振态选择装置7使从所述棱镜4反射出的光束偏振态与所述偏振态选择装置7设定的偏振态接近正交，从而将入射到所述偏振态选择装置7的椭圆偏振光或圆偏振光调整为近似线偏振光。

在一些实施例中，所述偏振态制备装置2为偏振器或者偏振器与相位补偿系统3的组合；所述偏振态选择装置7为偏振器或者相位补偿系统3与偏振器的组合；所述偏振器为格兰激光偏振棱镜4或偏振分光镜或偏振衰减片，所述相位补偿系统3为相位补偿器或相位延迟波片。

在优选的实施例中，所述发光装置1包括光源发生器以及设置于所述光源发生器出射光路上的能量调节器，所述能量调节器用于对由所述光源发生器发出的光束能量进行调节；优选地，还包括设置于光源发生器出射光路上的滤光片；所述光源发生器为激光器、激光二极管、超辐射发光二极管、发光二极管、白光发生器或量子光源发生器；所述能量调节器为二分之一波片、四分之一波片、高斯滤波片或中性衰减片，对于二分之一波片和四分之一波片，通过调节其光轴方向与入射光偏振方向的夹角实现对光能量的调节。

在一些实施例中，所述棱镜4为三棱镜4、四棱镜4或五棱镜4，所述光谱分频装置8为二向色镜或带通偏振片与分光棱镜4的组合装置，所述光电探测元件10为电荷耦合器件CCD、互补金属氧化物半导体图像传感器、光谱仪或光电倍增管。如图2所示，在一个实施例中，所述光谱分频装置8可包括分频装置框架12和安装在所述分频装置框架12上的光谱分频元件13。

如图1所示，在优选的实施例中，所述频域量子弱测量生物分子传感器还包括流道和流道耦合元件5，所述棱镜4的反射表面处通过所述流道耦合元件5安装有所述流道，液体和气体的待测样品在所述流道中与所述棱镜4的反射表面接触。

如图1所示，在优选的实施例中，所述频域量子弱测量生物分子传感器还包括棱镜更换装置6，其可以以凹槽或夹持的方式固定所述棱镜4，以在进行生化反应检测时按需更换所述棱镜4，并进行棱镜4位置的微调。

本发明实施例还提供一种基于差分原理设计的频域量子弱测量生物分子的方法，使用前述任一实施例的传感器进行测量。

以下进一步描述本发明具体实施例。

所针对的样品可以为透明或半透明的固体、液体和气体。当样品为固体时，可以不需要流道；当样品为液体或气体时，测量时将其放入流道中并与棱镜反射面的外表面接触，在测量不同样品时，可以将不同样品通入流道，也可以使用棱镜更换装置更换棱镜与流道，并通入不同的待测样品。

偏振态制备装置制备的偏振态与偏振态选择装置选择的偏振态接近垂直或平行，这样可以使得弱值增大，以提高测量灵敏度。

所述流道耦合元件包括嵌入式、压合式、粘合式和推入式等组装方式，所述流道耦合元件用于固定棱镜外表面的流道，以保证待测样品与棱镜反射外表面的接触。

所述偏振态制备装置用于构造入射到棱镜的光束偏振态，同时将发光装置发出的光束调整为线偏振光或近似椭圆偏振光，并使光束入射到棱镜-样品界面，经该界面反射后形成椭圆偏振光；所述偏振态选择装置用于构造经棱镜出射，入射到偏振态选择装置后的光束偏振态，并使从棱镜反射出的光束偏振态与偏振态选择装置设定的偏振态接近正交，从而将入射到偏振态选择装置的椭圆偏振光或圆偏振光调整为近似线偏振光。偏振态制备装置和偏振态选择装置的偏振态之间的夹角为90°±β或±β，β≤5°，以保证足够的弱值，并产生弱值增强效应，实现高分辨率和高灵敏度的测量。

所述偏振态制备装置的光轴与水平面所成夹角约为±45°，以进一步保证量子弱值放大效应，实现高分辨率和高灵敏度的测量。

所述棱镜用于产生全内反射的倏逝波相位延迟效应，棱镜可以为三棱镜、四棱镜、五棱镜等，棱镜材质可以为玻璃、树脂等。

入射光在棱镜反射表面内表面的入射角满足全反射条件。

所述棱镜更换装置包括自动更换装置或手动更换装置，可以以凹槽或夹持的设计固定棱镜位置，并通过角度反馈等方法进行棱镜位置的微调，以保证测量实验的可重复性，所述棱镜更换装置可以在进行生化反应检测时使用，当棱镜外表面被生化分子覆盖，或棱镜反射表面与生化分子发生反应而无法恢复测量前状态时，可以通过更换棱镜的方式，以保证在相同初始状态下进行下一次的生化反应监测。

所述光谱分频装置光谱分离的方式是将光线在频域分离为离散频段的光谱，可以仅分为高频光和低频光，或对光谱的多个频段进行分离，不同频段的出射光分别用不同的光电探测器进行接收。

测量时，可以先利用标准样品进行光路调节，以使系统达到较高灵敏度。再在流道中通入待测样品，在相同的光路条件下，利用光电探测器接收光强信号。若测量过程中样品改变了棱镜外表面的光学特性，或样品与样品之间发生生化分子结合反应，则需要利用棱镜更换装置对棱镜进行更换，并保证出射光的角度不变。随着样品的改变，棱镜全反射内外表面的折射率差异发生改变，则最终接收到的反射光的振幅和相位也随之发生变化，将其变化量可以被后选择偏振态放大，并通过光谱分频的方法接收测量。

本发明实施例提供了利用上述基于差分原理设计的频域量子弱测量生物分子传感器进行生物分子传感测量的方法，包括以下步骤：

(1)调节所述差分式频域量子弱测量生物分子传感器的光路，使偏振态制备装置制备的光束偏振态经过棱镜反射和相位补偿系统与偏振态选择装置设定的偏振态之间构成量子弱测量光路部分，两个偏振态之间的夹角为90°±β或±β，β≤5°。将待测样品通过流道与棱镜全反射外表面接触，由发光装置发出的光经偏振态制备装置后入射到棱镜的全反射表面，在反射过程中产生会倏逝波，偏振方向垂直于反射表面的偏振分量S波(当棱镜反射面竖直放置时，S波即为水平偏振分量H)会穿透在反射表面穿透一段距离，产生相位延迟，而偏振方向平行于反射表面的偏振分量P波(当棱镜反射面竖直放置时，P波即为竖直偏振分量V)直接反射，不会产生相位延迟。反射的光束经相位补偿系统和偏振态选择装置后通过光谱分频装置进行光谱分频，并由光电探测元件接收；通过光电探测元件记录不同频段接收光束的光强I_γ；

(2)根据以下公式⑴得到从棱镜反射出的反射光束水平偏振方向H和竖直偏振方向V的偏振分量产生的相位差与样品折射率有关，为：

其中，θ是入射到样品界面光束的入射角，n代表棱镜与样品的折射率比值；

(3)根据以下公式(2)得到偏振态选择装置前后的偏振态为：

其中α＝Δ+δ，δ为偏振态选择装置对光束的补偿相位，β为偏振态选择装置光轴与偏振态制备装置正交方向之间的微小差异；

⑷经偏振态选择装置后不同波长下的光束能量密度为：

其中

(5)通过测量出射光不同频率的光强差后，可以计算得到样品的折射率。

(6)特别的，当仅将光谱分离为高频和低频时，光强差为：

上述基于差分式频域量子弱测量生物分子传感器测量生物分子溶液介质折射率的方法，为了操作方便，可以先利用折射率已知的标准样品对所述表面等离子体传感器的光路进行调节，具体方式为：

(1)将标准样品放入流道；

(2)调节偏振态制备装置的光轴与水平面所成夹角为约45°；

(3)调节偏振态选择装置和相位延迟器，使光电探测器接收到的光强信号最小，此时偏振态选择装置与偏振态制备装置的偏振态之间的为90°±β或±β，β≤5°，此时可以记录光电探测器处的光强，并记录光强差，作为定标结果；

(4)通过通入液体的方式可以进行生物分子样品的浓度测量和监测生化反应过程，通过更换棱镜的方式可以保证实验的重复一致性，并实现系统的集成化，和测量流程的标准化。

本发明将样品折射率转化为与偏振态关联的振幅和相位差变化，此变化将导致光路中不同频段出射光光强的敏感差异变化，通过测量光强差从而获得样品折射率的微小变化。

实施例1

本实施例提供的基于差分式频域量子弱测量生物分子传感器，结构如图1所示，该传感器包括发光装置1、偏振态制备装置2、相位补偿系统3、棱镜与流道装置4、流道耦合元件5、棱镜更换装置6、偏振态选择装置7、光谱分频装置8和光电探测元件10。其中光源发生器1为半导体激光器，偏振态制备装置2与偏振态选择装置7均为偏振衰减片，相位补偿系统3为索雷-巴比涅相位补偿器，棱镜4为正三棱镜，流道中可以通入液体，与棱镜反射表面接触，光谱分频装置8为二向色镜，光电探测元件10为电荷耦合器件CCD。

上述基于差分式频域量子弱测量生物分子传感器工作原理为：由发光装置1发出的激光光束后入射到偏振态制备装置3,经偏振态制备装置得到线偏振光，线偏振光入射到相位补偿系统3，再入射到棱镜4的全反射内表面与流道中的待测样品接触，在棱镜-样品界面反射产生相位差，再经偏振态选择装置9对偏振态进行选择，经过光谱分频装置后，由光电探测器10接收。两个偏振片光轴之间的夹角为90°±β或±β，β≤5°。

实施例2

本实施例基于量子弱测量技术，采用实施例1提供的基于量子弱测量的表面等离子体传感器，对标准NaCl溶液样品进行测量，步骤如下：

(SI)配制浓度为0～1.8％(质量百分比)的10份已知浓度的NaCl溶液；浓度为0的溶液即为去离子水，并将其作为标准溶液。

(S2)将去离子水放入样品耦合器；打开发光装置1，光线入射到偏振态制备装置2和相位补偿系统3(相位补偿δ≈-1.275rad)后，以满足全反射条件的入射角θ＝93.0°入射到棱镜-待测样品分界面，反射光再经过偏振态选择装置7，被光谱分频装置8分为高频光和低频光，分别用光电探测元件10接收；调节偏振态制备装置的光轴与水平面所成夹角45°；调节相位补偿系统3以及偏振态选择装置7的光轴，使光电探测元件接收到的光强信号最小，此时偏振器7的光轴与水平方向之间的夹角约为-45°，棱镜材质为schott SF5折射率n_0＝1.672

(S3)将不同浓度的NaCl溶液加入到样品耦合器中，在不改变步骤(S2)光路的情况下，利用光电探测器10检测接收到的光强信号I。

由于经过相位补偿器后，从棱镜反射的光束偏振态为：

其中|H＞表示沿水平方向的偏振态，|V＞表示沿竖直方向的偏振态。α＝Δ+δ表示测量光路产生的总相位差，δ为偏振态选择装置对光束的补偿相位，Δ表示棱镜全内反射时在不同偏振方向上产生的相位差。

其n＝n₁/n₂，其中n₁为棱镜折射率，n₂为样品折射率。偏振态选择装置设定的偏振态为：

其中，β为偏振态选择装置光轴与偏振态制备装置正交方向之间的微小差异；不同频率下出射光的能量为：

其中

经过后选择偏振片后，出射光通过光谱分频装置分离为高频和低频两部分光线，并由光电耦合元件接收，得到光强差为：

对于不同浓度的NaCl溶液，根据NaCl溶液的已知浓度可以确定NaCl溶液的折射率，并将得到的折射率减去(标准样品)去离子水折射率得到NaCl溶液相对于去离子水的折射率变化值，进而依据得到的不同浓度NaCl溶液的折射率变化值和得到的对应NaCl溶液的光强得到折射率变化值随光强差变化的曲线。图3(a)和图3(b)展示了通入不同浓度梯度下NaCl溶液光强差的测量结果示意图。

图3(a)展示的是不同浓度NaCl溶液检测得到的实时光强差示意图，可以通过拟合方式得到测量光路对于不同折射率的相应曲线如图3(b)所示。可以看出，实验数据的拟合曲线线性较好，对于折射率的溶液区分度很大，分辨率高，测量灵敏度高，并且可以很好的避免环境噪声和技术噪声的干扰，长时间下的测量稳定性好。

实施例3

本实施例基于量子弱测量技术，采用实施例1提供的基于量子弱测量的表面等离子体传感器，对兔IgG分子与蛋白A分子的结合过程进行测量，步骤如下：

标准样品定标后，我们可以进行生物分子结合过程的监测。配制浓度为2mg/mL，pH＝8.5，溶剂为10mM tris缓冲液的多巴胺溶液，使用磷酸盐缓冲液作清洗流道(PBS，pH7.4)，使用牛血清蛋白(BSA)作为封闭液，在实施例2中的光路系统中监测不同浓度兔IgG分子和蛋白A的结合过程，试验结果示意图如图4所示。

在分子结合试验过程中，首先在流道中持续通入多巴胺溶液，在棱镜表面沉积一层粘附性聚多巴胺膜。用PBS缓冲液冲洗。再通入50ug/mL，10mM PBS缓冲的蛋白A溶液，使蛋白A分子粘附在多巴胺膜上，以捕获兔IgG。然后注入0.3％的牛血清白蛋白(BSA)和10mM的PBS，以填补蛋白A之间的空隙，最后将不同浓度的兔IgG注入流道。在不同浓度的蛋白A溶液下均能看到明显的光强差变化。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种频域量子弱测量生物分子传感器，其特征在于，包括发光装置、偏振态制备装置、棱镜、偏振态选择装置、光谱分频装置和光电探测元件，被测样品与所述棱镜的反射表面接触，由所述发光装置发出的光束经所述偏振态制备装置变成偏振光，所述偏振光入射到所述棱镜的反射表面，经棱镜-样品界面全内反射产生相位差，经过所述偏振态选择装置对偏振态进行选择，经所述光谱分频装置后被分离为不同频率区间的光束，再被所述光电探测元件分别接收并通过计算光强差值的方式获得样品折射率测量结果；其中，偏振光入射到棱镜内表面的入射角与样品介质表面产生倏逝波，通过对入射光频谱和偏振状态的选择，由频域的分离来测量倏逝波带来的相位差，得到高精度的相位或旋光角度测量结果，并利用量子弱测量的弱值放大效应，测定棱镜表面的样品分子的浓度和/或实现生化反应过程的监控。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述偏振态制备装置和所述偏振态选择装置的偏振片光轴之间的夹角为90°±β或±β，β≤5°。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述偏振态制备装置的光轴与水平面所成夹角α满足:0<α<20°。

4.如权利要求1至3任一项所述的传感器，其特征在于，所述偏振态制备装置将入射到所述偏振态制备装置的光束调整为线偏振光或近似椭圆偏振光，所述偏振态选择装置使从所述棱镜反射出的光束偏振态与所述偏振态选择装置设定的偏振态接近正交，从而将入射到所述偏振态选择装置的椭圆偏振光或圆偏振光调整为近似线偏振光。

5.如权利要求1至4任一项所述的传感器，其特征在于，所述偏振态制备装置为偏振器或者偏振器与相位补偿系统的组合；所述偏振态选择装置为偏振器或者相位补偿系统与偏振器的组合；所述偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜或偏振衰减片，所述相位补偿系统为相位补偿器或相位延迟波片。

6.如权利要求1至5任一项所述的传感器，其特征在于，所述发光装置包括光源发生器以及设置于所述光源发生器出射光路上的能量调节器，所述能量调节器用于对由所述光源发生器发出的光束能量进行调节；优选地，还包括设置于光源发生器出射光路上的滤光片；所述光源发生器为激光器、激光二极管、超辐射发光二极管、发光二极管、白光发生器或量子光源发生器；所述能量调节器为二分之一波片、四分之一波片、高斯滤波片或中性衰减片，对于二分之一波片和四分之一波片，通过调节其光轴方向与入射光偏振方向的夹角实现对光能量的调节。

7.如权利要求1至6任一项所述的传感器，其特征在于，所述棱镜为三棱镜、四棱镜或五棱镜，所述光谱分频装置为二向色镜或带通偏振片与分光棱镜的组合装置，所述光电探测元件为电荷耦合器件CCD、互补金属氧化物半导体图像传感器、光谱仪或光电倍增管。

8.如权利要求1至7任一项所述的传感器，其特征在于，还包括流道和流道耦合元件，所述棱镜的反射表面处通过所述流道耦合元件安装有所述流道，液体和气体的待测样品在所述流道中与所述棱镜的反射表面接触。

9.如权利要求1至8任一项所述的传感器，其特征在于，还包括棱镜更换装置，其以凹槽或夹持的方式固定所述棱镜，以在进行生化反应检测时按需更换所述棱镜，并进行棱镜位置的微调。

10.一种频域量子弱测量生物分子的方法，其特征在于，包括使用如权利要求1至9任一项所述的传感器进行测量，具体还包括：

记录通过光电探测元件测量的不同频段光束的光强I_γ；

计算从棱镜反射出的反射光束水平偏振方向H和竖直偏振方向V的偏振分量产生的相位差：

其中，θ是入射到样品界面光束的入射角，n代表棱镜与样品的折射率比值；

计算偏振态选择装置前后的偏振态为：

其中α＝Δ+δ，δ为偏振态选择装置对光束的补偿相位，β为偏振态选择装置光轴与偏振态制备装置正交方向之间的微小差异；

计算经偏振态选择装置后不同波长下的光束能量密度为：

其中

通过测量出射光不同频率的光强差后，计算得到样品的折射率；

特别地，当仅将光谱分离为高频和低频时，光强差为：

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