CN115931787A - 一种波长型lspr检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种波长型LSPR检测系统及方法，包括：光源、光传导单元、光学滤波器、LSPR传感单元、样品流通池、面阵探测器以及数据记录与处理单元；光源发出的光经过所述光传导单元和光学滤波器后到达所述LSPR传感单元，面阵探测器用于接收所述LSPR传感单元的光信号，对所述LSPR传感单元成像；数据记录与处理单元读取所述面阵探测器的信号并转化为二维强度图像。本发明不仅解决了宽谱光源的光谱间的强散射串扰，而且，通过调谐步长的可控特性，增加了系统的检测灵活性，另外，探测光路部分利用面阵探测器取代光谱成像装置，解决高灵敏高通量生物分子浓度检测和相互作用分析的实际应用需求，有效降低检测成本，并且提高检测灵敏度和灵活性。

Description

一种波长型LSPR检测系统及方法

技术领域

本发明属于生物检测技术领域，尤其涉及一种波长型LSPR检测系统及方法。

背景技术

局域表面等离子体共振（Localize Surface Plasmon Resonance, LSPR）是一种光入射贵金属纳米颗粒或金属岛表面时激发金属表面价电子集体振荡的效应，光波频率与价电子共振频率匹配的光子会被大量吸收和散射，进而在消光光谱中出现共振峰的现象。LSPR效应不仅与贵金属纳米结构、尺寸、材料有关，也对环境介电特性十分敏感。同时，LSPR传感技术具有实时、无标记的传感性能。因此，LSPR传感技术被广泛地应用于生物检测、药物研究、分子动力学研究等领域，尤其是在抗原抗体检测、核酸检测、分子间相互作用的动力学参数测量等方面提供了新的传感方案。与表面等离子体共振（Surface PlasmonResonance, SPR）传感相比，LSPR具有局域特性，灵敏度更高，而且，对比SPR装置，LSPR的激发方法与光路装置更简单。LSPR容易与多种效应结合，如光热效应、非线性光学效应、磁等离激元效应等，为传感信号的增强提供了多种途径。因此，对LSPR传感器的深入研究，从而实现高灵敏度、高通量、大动态范围、实时监测等传感功能，对科研及生产具有重要意义。

LSPR传感技术通常采用宽带光源激发，利用光谱仪进行探测，通过对探测光谱分析，找到LSPR共振光谱的位置，在实验过程中测量LSPR共振光谱的偏移量，表征样品折射率的变化，从而获得样品的反应情况。目前有两种主要的LSPR传感方案：一是利用宽带光源激发传感芯片，然后利用光谱仪探测反射或透射光谱，一次只能探测一个位点，如需要高通量测量，要么需要逐点移动扫描芯片，导致检测时间增加，结构复杂，要么，使用多台光谱仪并行测量，导致设备成本提高，因此，很难满足实际高通量测量需求；二是利用光谱成像装置进行光谱分辨测量，使通常只有单通道单物质检测能力的LSPR纳米生物芯片具有了同时检测多种不同物质的能力，大大降低了检测系统的复杂度、使用成本和操作难度。然而，目前光谱成像装置价格昂贵，而且，该方法必然使用宽带光光谱同时激发，由于LSPR纳米芯片的强散射造成不同光谱间串扰，增加了背底噪声，降低了检测灵敏度。

发明内容

本发明的技术目的在于提供一种波长型LSPR检测系统及方法，旨在解决高灵敏高通量生物分子浓度检测和相互作用分析的实际应用需求，降低检测成本、提高检测灵敏度和灵活性。

为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种波长型LSPR检测系统及方法，包括：光源、光传导单元、光学滤波器、LSPR传感单元、样品流通池、面阵探测器以及数据记录与处理单元；所述LSPR传感单元设置在所述光源与所述样品流通池之间，所述光源发出的光经过所述光传导单元和所述光学滤波器后到达所述LSPR传感单元，所述面阵探测器用于接收所述LSPR传感单元的光信号，对所述LSPR传感单元成像；所述数据记录与处理单元连接所述面阵探测器和所述光学滤波器，用于读取所述面阵探测器的信号并转化为二维强度图像。

进一步地，所述光传导单元包括依次设置在所述光源与所述LSPR传感单元之间的第一准直透镜组、光纤、第二准直透镜组和扩束透镜组。

进一步地，光学滤波器设置在所述第二准直透镜组与所述扩束透镜组之间。

进一步地，所述光源为宽带光源。

进一步地，在所述LSPR传感单元反射光的一侧设有分束器，所述LSPR传感单元反射的光经过所述分束器后进入所述面阵探测器，所述面阵探测器记录所述LSPR传感单元的反射光图像。

所述面阵探测器与所述分束器之间设有成像透镜组。

进一步地，所述面阵探测器设置在所述LSPR传感单元的透射光一侧，所述面阵探测器记录所述LSPR传感单元的透射光图像。

进一步地，在所述面阵探测器与所述LSPR传感单元之间设有成像透镜组。

进一步地，所述数据记录与处理单元为计算机。

一种波长型LSPR检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）待测样品进入样品流通池，光源发出的光经过光传导机构后到达LSPR传感单元，通过光学滤波器对光源滤波，顺序调整每次滤波输出的入射光的波长，设置扫描起始波长，扫描结束波长，扫描步长△λ；

（2）滤波输出波长从，按照扫描步长△λ依序切换至，输出波长每切换一次，面阵探测器记录一幅图像，从到扫描完成，则对应记录N幅图像；

（3）相同位置像素的光强值构成一个通道光谱曲线，利用差值拟合算法，提取LSPR共振波长；

（4）重复步骤（1）~（3）波长扫描过程，直至测量完成共重复m次循环，则获得m×N幅图像，构成LSPR共振波长随时间变化曲线。

这里所说的扫描是指光学滤波器对光源依次滤波，得到不同波长的窄带光。

进一步地，步骤（4）在重复波长扫描过程中采用共振波长负反馈扫描方法计算波长范围，具体包括以下步骤：

（401）对每条LSPR曲线进行插值与拟合，获得每条曲线强度最小值即每个传感区域的共振波长；

（402）获得所有共振波长中的最大共振波长和最小共振波长；

（403）采用负反馈波长扫描模式，通过将所述最大共振波长向长波长方向移动第一距离x1后获得下次扫描区域的波长上限，通过将所述最小共振波长向短波长方向移动第二距离x2后获得下次扫描区域的波长下限，其中x1≥1nm，x2≥1nm，根据所述波长上限和所述波长下限获得下次扫描的波长范围。

本发明中波长型LSPR检测系统及方法与现有技术相比，有益效果在于：

本发明通过对光源的波长可调谐滤波，实现不同波长可控宽场激发LSPR传感单元，由面阵探测器同步成像记录LSPR传感单元的反射或透射光强度，每幅强度图片对应一个激发波长，波长调谐一个周期，面阵探测器记录一系列强度图像，因此，面阵探测器每个像素对应一个光谱通道，即相同位置像素的一系列光强值构成一条LSPR光谱曲线，理论上面阵探测器的每个像素对应一个传感位点。这样，对于面阵探测器而言，光源波长调谐一个周期，就可以获得LSPR芯片所有传感位点的LSPR共振波长，通过循环调谐激发光波长，获得不同时刻LSPR芯片所有传感位点的LSPR共振波长，通过监测LSPR共振波长变化，就可以完成分子生物传感。而且，波长调谐步长可以根据检测需要，进行灵活设置，适合于各种分子相互作用分析和浓度检测。本发明不仅解决了宽谱光源的光谱间的强散射串扰，而且，通过调谐步长的可控特性，增加了系统的检测灵活性，另外，探测光路部分利用面阵探测器取代光谱成像装置，大大降低了系统成本。本发明提供的波长型LSPR检测系统及方法，解决高灵敏高通量生物分子浓度检测和相互作用分析的实际应用需求，有效降低检测成本，并且提高检测灵敏度和灵活性。

附图说明

图1是本发明实施例1中波长型LSPR检测系统的示意图；

图2是完整LSPR光谱曲线；其中，分别是最小共振波长和最大共振波长；是为控制局部扫描光谱范围的常数；

图3是局部LSPR光谱曲线；其中，分别是最小共振波长和最大共振波长；是为控制局部扫描光谱范围的常数；

图4是不同退火温度下的纳米芯片扫描电子显微镜图像；

图5是本发明实施例2中波长型LSPR检测系统的示意图；

在附图中，各附图标记表示：

1、第一准直透镜  2、第二准直透镜  3、第三准直透镜  4、光学滤波器  5、第一扩束透镜  6、分束器  7、第二扩束透镜  8、感芯片衬底  9、传感芯片衬底  10、样品流通池  11、第一成像透镜  12、第二成像透镜  13、面阵探测器  14、宽带光源  15、光纤16、计算机。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”“轴向”、“周向”、“径向”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个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：

参见图1，在本实施例中，波长型LSPR检测系统包括：宽带光源14、光传导单元、光学滤波器4、LSPR传感单元、样品流通池10、面阵探测器13以及数据记录与处理单元；LSPR传感单元设置在宽带光源14与样品流通池10之间，宽带光源14发出的光经过光传导单元和光学滤波器4后到达LSPR传感单元，面阵探测器13用于接收LSPR传感单元的光信号，对LSPR传感单元成像；数据记录与处理单元连接面阵探测器13和光学滤波器4，用于读取面阵探测器13的信号并转化为二维强度图像。

本实施例中的数据记录与处理单元为计算机16。宽带光源选用如LED、卤素灯等，面阵探测器13可选用CCD、CMOS等。

在本实施例中，光传导单元包括依次设置在宽带光源14与LSPR传感单元之间的第一准直透镜组、光纤15、第二准直透镜组和扩束透镜组。光学滤波器4设置在第二准直透镜组与扩束透镜组之间。其中光纤15可以是多模光纤、单模光纤、液芯光纤等。第一准直透镜组包括平行设置的第一准直透镜1和第二准直透镜2，宽带光源14发出宽谱光，经第一准直透镜1和第二准直透镜2准直后聚焦，并耦合入光纤15。第二准直透镜组为设置在光纤15发射端的第三准直透镜3，从光纤15出射的宽谱光经过第三准直透镜3准直成为平行光，经过光学滤波器4滤波后形成波长范围很小的窄带光。

扩束透镜组包括平行设置的第一扩束透镜5和第二扩束透镜7，从光学滤波器4出射的光经过第一扩束透镜5和第二扩束透镜7扩束准直，使得光束能充分照射整个传感区域，从第二扩束透镜7出射的平行光照射LSPR传感单元。

在本实施例中，光学滤波器4设置在第一扩束透镜5与第二扩束透镜7之间，光学滤波器4可以选用如声光可调滤波器AOTF、液晶可调滤波器LCTF等。

LSPR传感单元包括沿光入射方向依次设置的传感芯片衬底8和传感芯片界面9。其中，传感芯片衬底8采用如BK7玻璃、SF11玻璃等任何光学透明材料。传感芯片界面9可根据测量需求，分布不同纳米结构、不同纳米尺寸的贵金属颗粒等，如金纳米岛、银纳米岛等；将样品通入样品流通池10进行检测。光束照射传感芯片界面9时，激发局域表面等离子体效应，透射或反射的光束携带有传感界面的样本信息。

在本实施例中，传感芯片界面9可采用具有纳米结构的芯片，例如金属纳米岛结构（Au-NIS）。Au-NIS是一种具有随机分布特点的金纳米岛结构。其制备过程比较简单，仅需要金属沉积和样品退火。随机金纳米岛的尺寸以及吸收光谱可通过设定不同的退火温度而调节。如图4所示，Au-NIS样品S1-S3的扫描电子显微镜图像，S1至S3的退火温度分别为100℃，200℃和300℃。

在LSPR传感单元反射光的一侧设有分束器6，并且在分束器6与面阵探测器13之间设有第一成像透镜11。LSPR传感单元反射的光经过分束器6后进入面阵探测器13，面阵探测器13记录LSPR传感单元的反射光图像。分束器6的分束比50:50，或者其他任意比例。

本实施例还提供一种波长型LSPR检测方法，使用上述检测系统，包括以下步骤：

（1）待测样品进入样品流通池10，宽带光源14发出的光经过第一准直透镜1和第二准直透镜2准直后聚焦，并耦合入光纤15，从光纤15出射的宽谱光经过第三准直透镜3准直成为平行光，经过光学滤波器4滤波后形成波长范围很小的窄带光，从光学滤波器4出射的光经过第一扩束透镜5和第二扩束透镜7扩束准直，使得光束能充分照射整个传感区域，从第二扩束透镜7出射的平行光照射LSPR传感单元，通过光学滤波器4对宽带光源14滤波，顺序调整每次滤波输出的入射光的波长，设置扫描起始波长，扫描结束波长，扫描步长△λ。

（2）滤波输出波长从，按照扫描步长△λ依序切换至，输出波长每切换一次，面阵探测器13记录一幅图像，从到扫描完成，则对应记录N幅图像；

本实施例中面阵探测器13记录图像时是传感芯片界面9反射的光进入分束器6，再经分束器6反射至第一像透镜11，并由面阵探测器13成像记录。

（3）相同位置像素的光强值构成一个通道光谱曲线，利用差值拟合算法，提取LSPR共振波长。

（4）重复波长扫描过程，直至测量完成共重复m次循环，则获得m×N幅图像，构成LSPR共振波长随时间变化（即分子相互作用过程）曲线。

该检测方法可以改变扫描起始波长，扫描结束波长，扫描步长△λ，实现扫描范围、测量速度的改变，如果高浓度测量，可以选择相对大的扫描步长△λ，提高检测速度，如果低浓度测量，选择相对小的扫描步长△λ，实现高灵敏度测量。因此，传感界面上每一传感位点都能得到对应的LSPR光谱曲线，每条LSPR光谱曲线的最小值即为对应传感位置的共振波长。在传感测量实验中，当贵金属纳米颗粒附近的样品发生反应时，贵金属纳米颗粒附近的折射率发生改变，LSPR共振峰发生偏移，根据共振峰偏移量的多少，即可计算出折射率的变化量，从而获得样品的反应情况。

参见图2~3，为了适应分子量差异较大的多种分子同时测量，同时提高测量速度，上述步骤（4）中重复波长扫描过程中采用共振波长负反馈扫描方法计算波长范围，具体包括以下步骤：

（401）对每条LSPR曲线进行插值与拟合，获得每条曲线强度最小值即每个传感区域的共振波长；

（402）获得所有共振波长中的最大共振波长和最小共振波长；

（403）采用负反馈波长扫描模式，通过将所述最大共振波长向长波长方向移动第一距离x1后获得下次扫描区域的波长上限，通过将所述最小共振波长向短波长方向移动第二距离x2后获得下次扫描区域的波长下限，其中x1≥1nm，x2≥1nm，根据所述波长上限和所述波长下限获得下次扫描的波长范围。

先获得LSPR传感单元的所有传感位点的共振波长，选出最大共振波长和最小共振波长，那么，本次扫描过程中扫描波长范围设定为[], 其中x1≥1nm和x2≥1nm，获得的新共振波长最大值和最小值分别为和，那么，下一次扫描的波长范围为[]，依次类推。

本实施例基于以上方法，提供一种对局部区域进行扫描的方法，具体包括以下步骤：

（1）面阵探测器13进行成像，并在计算机16中记录图像每一像素的灰度值、对感兴趣区域进行传感区域选取。

（2）根据光学滤波器4的工作光谱段进行等步长的全光谱波长扫描，记录一系列对应波长的传感区域的二维强度图。

（3）根据二维强度图序列中相同位置像素的灰度值绘制对应的LSPR光谱曲线。

（4）对每条LSPR曲线进行插值与拟合，获得每条曲线强度最小值即每个传感区域的共振波长。

（5）获得所有共振波长中的最大共振波长和最小共振波长，如图2所示。

（6）采用负反馈波长扫描模式，通过将所述最大共振波长向长波长方向移动第一距离x1后获得下次扫描区域的波长上限，通过将所述最小共振波长向短波长方向移动第二距离x2后获得下次扫描区域的波长下限，并根据所述波长上限和所述波长下限获得下次扫描的波长范围。

（7）根据实验测量需求确定局部光谱扫描的扫描步长，如果需要高灵敏度测量，则选用小步长（小于1nm），如果需要快速测量，则选用大步长（大于等于1nm）。

（8）在所述下次扫描的波长范围内，根据局部光谱扫描步长，对局部光谱区域进行快速扫描并记录对应的二维图像。

（9）对扫描图像，重复执行步骤（3）～（7），获得不同时刻的LSPR芯片的所有探测位点的共振波长（如图2所示），并获得二维波长敏感LSPR传感图像。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有LSPR传感技术相比，该技术能够对任意局部光谱区域进行快速扫描，并根据LSPR共振波长变化自动改变扫描光谱范围，可以实现二维阵列的快速光谱LSPR探测、对多种生物分子的相互作用进行实时监测的功能，具有高通量、快速检测的优势。

实施例2：

参见图5，在本实施例中，面阵探测器13设置在LSPR传感单元的透射光一侧，面阵探测器13记录LSPR传感单元的透射光图像，在面阵探测器13与LSPR传感单元之间设有成像透镜组。

在本实施例中成像透镜组包括平行设置的第一成像透镜11和第二成像透镜组12，传感芯片界面9上每一点前向散射的光直接经过第一成像透镜11和第二成像透镜12成像在面阵探测器13上。计算机16读取面阵探测器13接收的信号并转化为二维强度图像。

在本实施例中，传感芯片界面9上每一点前向散射的光直接经过第一成像透镜11和第二成像透镜12成像在面阵探测器上13。计算机14读取面阵探测器13接收的信号并转化为二维强度图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波长型LSPR检测系统，其特征在于，包括：光源、光传导单元、光学滤波器、LSPR传感单元、样品流通池、面阵探测器以及数据记录与处理单元；所述LSPR传感单元设置在所述光源与所述样品流通池之间，所述光源发出的光经过所述光传导单元和所述光学滤波器后到达所述LSPR传感单元，所述面阵探测器用于接收所述LSPR传感单元的光信号，对所述LSPR传感单元成像；所述数据记录与处理单元连接所述面阵探测器和所述光学滤波器，用于读取所述面阵探测器的信号并转化为二维强度图像。

2.根据权利要求1所述的波长型LSPR检测系统，其特征在于，所述光传导单元包括依次设置在所述光源与所述LSPR传感单元之间的第一准直透镜组、光纤、第二准直透镜组和扩束透镜组。

3.根据权利要求2所述的波长型LSPR检测系统，其特征在于，光学滤波器设置在所述第二准直透镜组与所述扩束透镜组之间。

4.根据权利要求1或2所述的波长型LSPR检测系统，其特征在于，所述光源为宽带光源。

5.根据权利要求1所述的波长型LSPR检测系统，其特征在于，在所述LSPR传感单元反射光的一侧设有分束器，所述LSPR传感单元反射的光经过所述分束器后进入所述面阵探测器，所述面阵探测器记录所述LSPR传感单元的反射光图像。

6.根据权利要求5所述的波长型LSPR检测系统，其特征在于，所述面阵探测器与所述分束器之间设有成像透镜组。

7.根据权利要求1所述的波长型LSPR检测系统，其特征在于，所述面阵探测器设置在所述LSPR传感单元的透射光一侧，所述面阵探测器记录所述LSPR传感单元的透射光图像。

8.根据权利要求7所述的波长型LSPR检测系统，其特征在于，在所述面阵探测器与所述LSPR传感单元之间设有成像透镜组。

9.一种波长型LSPR检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）待测样品进入样品流通池，光源发出的光经过光传导机构后到达LSPR传感单元，通过光学滤波器对光源滤波，顺序调整每次滤波输出的入射光的波长，设置扫描起始波长，扫描结束波长，扫描步长△λ；

（2）滤波输出波长从，按照扫描步长△λ依序切换至，输出波长每切换一次，面阵探测器记录一幅图像，从到扫描完成，则对应记录N幅图像；

（3）相同位置像素的光强值构成一个通道光谱曲线，利用差值拟合算法，提取LSPR共振波长；

（4）重复步骤（1）~（3）波长扫描过程，直至测量完成共重复m次循环，则获得m×N幅图像，构成LSPR共振波长随时间变化曲线。

10.根据权利要求9所述的波长型LSPR检测方法，其特征在于，步骤（4）在重复波长扫描过程中采用共振波长负反馈扫描方法计算下次扫描的波长范围，具体包括以下步骤：

（401）对每条LSPR曲线进行插值与拟合，获得每条曲线强度最小值即每个传感区域的共振波长；

（402）获得所有共振波长中的最大共振波长和最小共振波长；

（403）采用负反馈波长扫描模式，通过将所述最大共振波长向长波长方向移动第一距离x1后获得下次扫描区域的波长上限，通过将所述最小共振波长向短波长方向移动第二距离x2后获得下次扫描区域的波长下限，其中x1≥1nm，x2≥1nm，根据所述波长上限和所述波长下限获得下次扫描的波长范围。

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