CN115684093A - 一种基于色散检测的集成化波长调制型spr检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明首先提出了一种基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置，包括：入射光发生组件；四棱镜，四棱镜包括依次设置的第一镜面、第二镜面、第三镜面和第四镜面，第一镜面用于接收入射光；检测芯片，检测芯片包括层叠设置的透明基底、传感薄膜以及微流控芯片，透明基底设置在第二镜面上，微流控芯片上设有标准样本通道和待测样本通道，检测芯片用于接收经第一镜面折射的入射光；反射镜，反射镜设置在第三镜面上，反射镜用于将经检测芯片反射的入射光并将其反射至第四镜面完成色散后射出；检测组件，检测组件用于对经第四镜面射出的入射光光信号进行处理并采集样本图像，能够增加装置集成化程度，提升检测精度。本发明还提出了一种检测方法。

Description

一种基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置及检测 方法

技术领域

本发明涉及生物医药监测技术领域，具体而言，为一种基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置及检测方法。

背景技术

表面等离体激元共振效应(SPR，Surface Plasmon Resonance)是一种光学物理现象。以棱镜耦合为例，当p偏振光以全反射的方式照射在棱镜和金属界面时产生倏逝波，而使得金属介质与普通介质临界面的自由电子受到倏逝波的影响变化为表面等离体激元(surface plasmon SP)。当入射光的波长和入射角度合适的时候，倏逝波的频率与表面等离体激元振动频率接近一致时会引发共振，导致对应光的反射能量急剧下降，呈现出SPR共振谷的情形，即获得共振波长或者共振角。传感层表面修饰的生物分子与其他物质特异性结合之后的物理性质(如折射率RI)发生了变化。当传感层表面的物质折射率发生变化时，共振波长会发生改变。通过这种变化来反映传感金属层表面修饰的物质与待测样本发生了特异性的结合现象，从而判断溶液中目标物质的是否存在，甚至是做到定量分析。

目前，利用此效应制成的SPR生物传感器在检测生物大分子相互作用等方面比传统方法具有更多的优点，例如：无需标记、低样本消耗以及实时检测等。虽然现在SPR传感器已经商品化，但是主要基于共振角检测(角度扫描)模式，虽然检测精度较高，但是大都昂贵且笨重，限制了其在即时检验(point-of-care testing，POCT)中的应用。近年来，个人及家庭健康检测等非实验室场景的检测需求逐渐增多，摆脱庞大的体积、开发小型化SPR生物传感设备对现场检测以及临床检验都有着重要意义。

对于波长调制方式，光源为复色光且入射角度固定，探测复色的反射光并利用光谱仪对光谱进行分析，可以得到反射率随着波长的变化曲线，不同的折射率的待测物有相对应的反射光强度最小的波长值，这个波长值即为共振波长。现如今，针对多通道检测的方式主要分为两种，其一是一根光纤被划分为多个波道，当利用光纤入射时，多个波长以一定的间隔隔开，在光纤中独立传输，例如，Homola小组曾经报道了波分复用的方法设计波长调制型SPR传感器，在该设计中，不同传感区域的多个SPR信号被编码成光波的不同光谱范围，实现了8通道检测。但是这种方式相邻通道间串扰较大、器件尺寸较大，信道数少一般不利用此方法。其二，入射时采用宽带光源，在入射光线完成SPR激发现象后，通过色散棱镜将宽带光分开，如图5所示，多种波长的光线从光源元件射出，以一定角度(通常为72°)进入三棱镜的一侧，检测芯片贴附于三棱镜底面上，样品附着在检测芯片的另一侧。当光源波长发生改变时，入射光在棱镜界面处发生不同角度的折射，继而在三棱镜与检测芯片的界面上的不同位点发生反射，再从三棱镜的另一侧射出，由光检测元件采集。当检测芯片吸附的样品发生变化时，对样品进行不同波长光扫描，会发现样品吸附引起金属薄膜的折射率变化，导致共振波长发生位移，在谱图上表现为反射光强度波谷随波长发生改变。

对于波长调制方式，光源为复色光且入射角度固定，探测复色的反射光并利用光谱仪对光谱进行分析，可以得到反射率随着波长的变化曲线，不同的折射率的待测物有相对应的反射光强度最小的波长值，这个波长值即为共振波长。现如今，针对多通道检测的方式主要分为两种，其一是一根光纤被划分为多个波道，当利用光纤入射时，多个波长以一定的间隔隔开，在光纤中独立传输，例如，Homola小组曾经报道了波分复用的方法设计波长调制型SPR传感器，在该设计中，不同传感区域的多个SPR信号被编码成光波的不同光谱范围，实现了8通道检测。其二，入射时采用宽带光源，在入射光线完成SPR激发现象后，通过色散棱镜将宽带光分开，如图5所示，多种波长的光线从光源元件射出，以一定角度(通常为72°)进入三棱镜的一侧，检测芯片贴附于三棱镜底面上，样品附着在检测芯片的另一侧。当光源波长发生改变时，入射光在棱镜界面处发生不同角度的折射，继而在三棱镜与检测芯片的界面上的不同位点发生反射，再从三棱镜的另一侧射出，由光检测元件采集。当检测芯片吸附的样品发生变化时，对样品进行不同波长光扫描，会发现样品吸附引起金属薄膜的折射率变化，导致共振波长发生位移，在谱图上表现为反射光强度波谷随波长发生改变。

但现有的检测装置存在以下不足：

1.市场上的产品需要使用光谱仪大都昂贵且笨重，限制了其在即时检验中的应用

2.在检测过程中自制的棱镜耦合波长调制型SPR生物传感器往往采用两个棱镜来完成，一个棱镜在反射底面装有检测芯片，用以激发SPR现象；另一个做为色散棱镜。但是在操作过程中由于光的灵敏性，会造成检测结果的误差。同时不利于实现集成化的系统。

2000年，美国TI公司生产的发散型无可动部件角度扫描型SPR传感器，使用不规则四边形棱镜作为SPR的激发结构，并将光路和光学器件小型化设计。该传感器利用LED光源(840nm)发出的单色光经偏振片出射,并以一定角度入射到倾斜放置的SPR芯片上，不同角度的光线入射到芯片表面的不同位置，反射光先经反射镜后再由光电二极管阵列(128像素)接收。对于发散型入射方式，其成像光学系统较难设计，因此通常以小型化方式设计、相关器件固定在芯片内，即传感部分的金属薄膜镀积在棱镜表面。但是，这种结构不仅会限制后期对于金属薄膜的修饰，而且金属薄膜在多次实验过后很容易脱落，且无法更换，导致整个传感器就无法使用，其使用成本较高。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置及检测方法，能够增加装置集成化程度，并提升检测精度。

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基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置，包括：

入射光发生组件，所述入射光发生组件用于发射平行光；

四棱镜，所述四棱镜包括依次设置的第一镜面、第二镜面、第三镜面和第四镜面，所述第一镜面用于接收入射光；

检测芯片，所述检测芯片包括层叠设置的透明基底、传感薄膜以及微流控芯片，所述透明基底设置在所述第二镜面上，所述微流控芯片上设有标准样本通道和待测样本通道，所述检测芯片用于接收经所述第一镜面折射的入射光；

反射镜，所述反射镜设置在所述第三镜面上，所述反射镜用于将经所述检测芯片反射的入射光并将其反射至所述第四镜面完成色散后射出；

检测组件，所述检测组件用于对经所述第四镜面射出的入射光光信号进行处理并采集样本图像。

进一步，所述入射光发生组件包括：

光源，所述光源用于发射光线；

光纤耦合器，所述光纤耦合器用于将所述光源发射的光线耦合进光纤；

多模光纤，所述多模光纤用于传递光源的光谱并在其出射端形成点光源；

准直透镜，所述准直透镜用于将所述多模光纤形成的点光源折射为平行光射出。

进一步，所述入射光发生组件还包括线偏振片，所述线偏振片用于滞留经所述准直透镜发射的平行光的横电波并获得P偏振光。

进一步，所述光源为LED灯。

进一步，所述检测组件包括凸透镜和CCD相机，所述凸透镜位于所述CCD相机与所述第四镜面之间，所述凸透镜用于将经所述第四镜面色散后的所有光线进行会聚，并使会聚后的光线进入所述CCD相机的镜头。

进一步，所述第一镜面与所述第二镜面之间相互垂直，所述第二镜面与所述第三镜面之间的夹角为120°，所述第三镜面与所述第三镜面之间的夹角为60°，所述第四镜面与所述第一镜面之间相互垂直。

进一步，所述传感薄膜为金膜或银膜。

进一步，所述透明基底为玻璃基底或透明石英基底。

本发明还提出了一种基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测方法，所述方法基于如上任一项所述的检测装置实现，包括如下步骤：

S1、拍摄背景图：打开光源，

S2、拍摄样本图像：将检测芯片装在第二镜面上，对标准样本通道和待测样本通道分别加入参考样本和待测样本，利用CCD相机拍摄记录得到样本图像，重复上述操作直至测完所有待测样本；

S3、处理图像，得到谱图：将CCD相机拍摄的照片图像进行处理并得到所有光谱图；

S4、整合谱图：将所有待测样本的谱图整合到一起，观察不同浓度的待测样本发生共振波长的变化。

进一步，步骤S3中，每种待测样本重复多次试验并求平均。

本发明的有益效果在于：

本发明的基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置，利用四棱镜完成入射光的全反射和色散双重功能，相较于现有技术中的棱镜耦合波长调制型SPR生物传感器，将两个三棱镜替换为一个四棱镜，可有效提升装置的集成度，并且消除了采用两个三棱镜会造成光路装配困难，稳定性差，检测结果误差大等技术缺陷，提升了检测精度，微流控芯片上设有标准样本通道和待测样本通道能够达到多通道检测的目的。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

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为本发明的基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置实施例的示意图；

图2为本发明中四棱镜实施例的示意图；

图3为本发明中检测芯片实施例的示意图；

图4为本发明中微流控芯片实施例的示意图；

图5为现有技术中波长调制型SPR生物传感器的示意图。

附图标记说明：

1-四棱镜；101-第一镜面；102-第二镜面；103-第三镜面；104-第四镜面；2-检测芯片；201-透明基底；202-金膜；203-微流控芯片；2301-标准样本通道；2032-待测样本通道；3-反射镜；4-LED灯；5-光纤耦合器；6-多模光纤；7-准直透镜；8-线偏振片；9-凸透镜；10-CCD相机。

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。

实施例1-基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置

如图1所示，为本发明基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置实施例的示意图，本实施例的基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置包括：

入射光发生组件，入射光发生组件用于发射平行光。

四棱镜1，如图2中所示，本实施例中，四棱镜1包括依次设置的第一镜面101、第二镜面102、第三镜面103和第四镜面104，第一镜面101用于接收入射光；

检测芯片2，如图3和图4中所示，本实施例中，检测芯片2包括层叠设置的透明基底201、传感薄膜以及微流控芯片203，本实施例中，传感薄膜采用金膜202，当然，在某些实施例中，传感薄膜还可以采用银膜，透明基底201设置在第二镜面102上，本实施例中透明基底201采用玻璃基底，当然，在某些实施例中，透明基底201也可以采用透明石英基底，微流控芯片203上设有标准样本通道2031和待测样本通道2032，检测芯片2用于接收经第一镜面101折射的入射光，样品从微流控芯片203上的标准样本通道2031和待测样本通道2032流过，以激发SPR现象；

反射镜3，如图1中所示，本实施例中，反射镜3设置在第三镜面103上，反射镜3用于将经检测芯片2反射的入射光并将其反射至第四镜面104完成色散后射出，光线不直接从四棱镜1折射出去，经过反射镜3的反射，继续在四棱镜1内沿直线传播，到达第四镜面104，光线出射，完成色散；

检测组件，检测组件用于对经第四镜面104射出的入射光光信号进行处理并采集样本图像。

如图1中所示，本实施例中，入射光发生组件包括：

光源，光源用于发射光线。本实施例中，光源采用LED灯4，LED灯为高亮度点光源，有单色光和复色光，属于宽谱光源，光谱范围大，可以满足波长调制需要；

光纤耦合器5，光纤耦合器5用于将LED灯4发射的光线耦合进光纤；

多模光纤6，多模光纤6用于传递光源的光谱并在其出射端形成点光源；

准直透镜7，准直透镜7用于将多模光纤6形成的点光源折射为平行光射出；

线偏振片8，线偏振片8用于滞留经准直透镜7发射的平行光的横电波并获得P偏振光。

如图1中所示，本实施例中，检测组件包括凸透镜9和CCD相机10，凸透镜9位于CCD相机10与第四镜面104之间，凸透镜9用于将经第四镜面104色散后的所有光线进行会聚，并使会聚后的光线进入CCD相机10的镜头，CCD相机10用于采集样本图像，制成SPR光谱图。

如图2中所示，本实施例中，第一镜面101与第二镜面102之间相互垂直，第二镜面102与第三镜面103之间的夹角为120°，第三镜面103与第三镜面103之间的夹角为60°，第四镜面104与第一镜面101之间相互垂直，其横截面形状为直角梯形。

检测时，将检测芯片2、反射镜3、凸透镜9和CCD相机10设置在设定位置，调整入射光的入射角度，使其能够通过第一镜面101的折射到达检测芯片2上，样品从微流控芯片203上的标准样本通道2031和待测样本通道2032流过，以激发SPR现象，激发SPR现象后的入射光再通过反射镜3的反射到达第四镜面104，光线从第四镜面104折射出，完成色散并到底凸透镜9，凸透镜9将色散后的光线会聚，使得会聚后的所有的光信号进入CCD相机10，通过CCD相机10采集样本图像，制成SPR光谱图。

实施例2-基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测方法

本实施例公开了一种基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测方法，方法基于如实施例1中的基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置实现，包括如下步骤：

S1、拍摄背景图：打开LED灯4，取下检测芯片3，利用CCD相机10拍摄得到背景图；

S2、拍摄样本图像：将检测芯片2装在第二镜面102上，对标准样本通道2031和待测样本通道2032分别加入参考样本和待测样本，利用CCD相机10拍摄记录得到样本图像，重复上述操作直至测完所有待测样本；

S3、处理图像，得到谱图：将CCD相机10拍摄的照片图像进行处理并得到所有光谱图；

S4、整合谱图：将所有待测样本的谱图整合到一起，观察不同浓度的待测样本发生共振波长的变化。

本实施例的步骤S3中，每种待测样本重复多次试验并求平均。能够更大程度地降低数据的误差。

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)

1.一种基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置，其特征在于，包括：

入射光发生组件，所述入射光发生组件用于发射平行光；

四棱镜，所述四棱镜包括依次设置的第一镜面、第二镜面、第三镜面和第四镜面，所述第一镜面用于接收入射光；

检测芯片，所述检测芯片包括层叠设置的透明基底、传感薄膜以及微流控芯片，所述透明基底设置在所述第二镜面上，所述微流控芯片上设有标准样本通道和待测样本通道，所述检测芯片用于接收经所述第一镜面折射的入射光；

反射镜，所述反射镜设置在所述第三镜面上，所述反射镜用于将经所述检测芯片反射的入射光并将其反射至所述第四镜面完成色散后射出；

检测组件，所述检测组件用于对经所述第四镜面射出的入射光光信号进行处理并采集样本图像。

2.根据权利要求1所述的基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置，其特征在于，所述入射光发生组件包括：

光源，所述光源用于发射光线；

光纤耦合器，所述光纤耦合器用于将所述光源发射的光线耦合进光纤；

多模光纤，所述多模光纤用于传递光源的光谱并在其出射端形成点光源；

准直透镜，所述准直透镜用于将所述多模光纤形成的点光源折射为平行光射出。

3.根据权利要求2所述的基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置，其特征在于：所述入射光发生组件还包括线偏振片，所述线偏振片用于滞留经所述准直透镜发射的平行光的横电波并获得P偏振光。

4.根据权利要求2所述的基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置，其特征在于：所述光源为LED灯。

5.根据权利要求1所述的基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置，其特征在于：所述检测组件包括凸透镜和CCD相机，所述凸透镜位于所述CCD相机与所述第四镜面之间，所述凸透镜用于将经所述第四镜面色散后的所有光线进行会聚，并使会聚后的光线进入所述CCD相机的镜头。

6.根据权利要求1所述的基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置，其特征在于：所述第一镜面与所述第二镜面之间相互垂直，所述第二镜面与所述第三镜面之间的夹角为120°，所述第三镜面与所述第三镜面之间的夹角为60°，所述第四镜面与所述第一镜面之间相互垂直。

7.根据权利要求1所述的基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置，其特征在于：所述传感薄膜为金膜或银膜。

8.根据权利要求1所述的基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测装置，其特征在于：所述透明基底为玻璃基底或透明石英基底。

9.一种基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测方法，其特征在于：所述方法基于如权利要求1-8任一项所述的检测装置实现，包括如下步骤：

S1、拍摄背景图：打开光源，

S2、拍摄样本图像：将检测芯片装在第二镜面上，对标准样本通道和待测样本通道分别加入参考样本和待测样本，利用CCD相机拍摄记录得到样本图像，重复上述操作直至测完所有待测样本；

S3、处理图像，得到谱图：将CCD相机拍摄的照片图像进行处理并得到所有光谱图；

S4、整合谱图：将所有待测样本的谱图整合到一起，观察不同浓度的待测样本发生共振波长的变化。

10.根据权利要求9所述的基于色散检测的集成化波长调制型SPR检测方法，其特征在于：步骤S3中，每种待测样本重复多次试验并求平均。

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