CN1740778A

CN1740778A - 并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像方法及装置

Info

Publication number: CN1740778A
Application number: CNA2005100362323A
Authority: CN
Inventors: 刘乐; 何永红; 郭继华; 马辉
Original assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Graduate School Tsinghua University
Priority date: 2005-08-03
Filing date: 2005-08-03
Publication date: 2006-03-01
Anticipated expiration: 2025-08-03
Also published as: CN100483110C

Abstract

本发明涉及并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像方法及装置，其方法是：将宽带光源发出的光束变为一条细线形光束，使该细线形光束照射在SPR发生装置上，该装置出射光束经色散后，由二维光电探测装置探测，获得被测平面被照明的一条线形区域内的SPR光谱信息；平移该装置，用所述细线型光束扫描整个被测量平面，获得整个被测平面的全部列的SPR光谱信息；由计算机对全部列SPR光谱图像信息进行运算、处理，得到该装置中整个被测平面的折射率信息，生成一幅二维图片。本方法可得到直观的二维折射率分布信息，具有很高的折射率分辨率；由于采用列扫描技术，具有大信息吞吐量的特点，广泛用于生物、化学领域，尤其适合各种生物芯片的检测。

Description

并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像方法及装置

技术领域：

本发明属于光学成像检测技术领域，特别是涉及一种基于列扫描的光谱型表面等离子体共振(SPR)技术的折射率成像方法和装置。

背景技术：

表面等离子体共振(surface plasmon resonance，简写为SPR)传感方法，因其高灵敏和无需标记的特点，在生物和化学领域有广泛的应用。已经有用点测量的SPR传感方法来研究蛋白反应、化学反应等的报道(Anal.Chem.70(1998)2019-2024)。但是，随着基因阵列、蛋白阵列等生物阵列(即生物芯片)的广泛应用，点的折射率传感越来越不能满足研究的需求，需要有能够探测二维平面的方法——即成像检测。而传统的利用SPR的成像方法(Nature 332 1988.615-616.)，即SPM(surface plasmon microscopy)，固定入射平行光束的频率和入射角度，直接把反射光进行成像，所成的图像灰度值与折射率的对应并不是线性关系，所以只能定性地说明折射率的变化；而且这种方法只能测量变化不大的折射率范围，超过这个范围，两个不同的折射率可能对应相同的灰度值；另外部分使用激光照明的这类装置，由于激光的强烈相干性，会产生闪斑效应，严重影响成像效果。

于是，人们开始寻求其他利用SPR现象来成像的方法。Knobloch等人使用白光照明的色散SPM开始了利用光谱SPR成像的研究(Appl.Phys.Lett.69，2336-2337 1996)，但是这种方法跟普通SPM一样只能提供定性的折射率信息；

Yuk等人用一束很细的白光光束，固定入射角照射在SPR装置上，激发被测面上一个点的SPR，反射光用光谱仪分析得到该点的共振波长；二维扫描平面上的各个点，得到整个平面的共振波长分布，从而计算得出整个平面的折射率分布等其它信息(Proteomics 2004，4，3468-3476；Biosensors& Bioelectronics 20(11)2189-2196，2005)。这种方法能够定量地描述被测面的折射率分布，但是这种方法采用一个点、一个点地扫描测量，这样测量速度很慢，不能适应蛋白阵列等高通量测量的要求。

发明内容

鉴于现有二维SPR成像检测技术存在的上述不足，本发明提供一种并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像方法及装置，本方法利用光谱型SPR技术，采用线形光束进行一维的列扫描，测量二维的折射率分布图像。利用这种方法，可以高通量地探测被测量面的全部折射率信息，得到的二维图像，其每一点灰度值直接线性地对应于被测面对应点折射率。

本发明并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像方法包括如下步骤：

a、将宽带光源发出的光束转变成一条细线形光束，使所述细线形光束照射在SPR发生装置上，SPR发生装置的出射光束经由一个色散装置进行色散后，由二维光电探测装置探测，获得SPR发生装置中被测平面被照明的一条线形区域内的一列SPR光谱图像信息，然后传输到计算机存贮；

b、使所述SPR发生装置中被测平面在该平面内沿垂直于照明区域的方向平移，通过所述的线形光束扫描整个被测平面，并在这个过程中用二维光电探测装置连续探测，获得整个被测平面的全部列SPR光谱图像信息；

c、计算机对所述的全部列SPR光谱图像信息进行运算、处理，得到所述SPR发生装置中整个被测平面的折射率信息，并生成一幅二维折射率分布图片。

实现上述成像方法的一种并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像装置，主要包括：SPR发生装置、入射臂、反射臂以及图像处理用计算机；所述SPR发生装置是能够平移的，它安装在一个可控移动平台上；所述入射臂设置于SPR发生装置的一侧，它依次包括宽带光源、偏振器件及产生一条细线形光束的含柱形镜的光学系统，所述细线形光束射入SPR发生装置的被测平面；所述反射臂依次包括用于色散的色散装置和二维光电探测装置；二维光电探测装置的输出端与计算机的相应输入端连接，二维光电探测装置检测的每一列SPR光谱图像信息均传输到计算机存贮、处理，并生成一幅二维折射率分布图片。

本发明作为SPR成像，具有所有SPR技术的对折射率变化敏感的特点，有较高的折射率分辨率。与现有技术相比，本发明还有下列独特的优点：

1、本发明方法所成的像，定量地、真实地反映了被测量平面的折射率分布。

2、由于采用线形光束一次得到一维信息，列扫描得到二维信息，本发明具有信息吞吐量大、效率高的特点，可广泛用于生物、化学领域，非常适合于各种生物芯片领域的应用。

3、本发明一次测量中就可以得到被测一维各点的全部折射率信息，因此也可以不进行列扫描，作为一维SPR传感器来使用。

4、本发明由于采用光谱测量，可以用光纤来传导光谱信息，这样SPR探测面可以远离光源和分析装置，进行远距离和特殊环境(如有毒、易燃易爆环境)的测量。

附图说明

图1是本发明并行扫描光谱型SPR成像装置的原理框图；

图2是其计算机计算、处理获得的整个被测平面的全部列图像信息流程图；

图3是其计算机计算、处理获得的整个被测平面的一列图像信息流程图；

图4是采用本发明方法测得的金膜上面的一滴甘油的实例图片；

图5是其一实施例装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明。

参照图1，并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像装置主要包括SPR发生装置4、入射臂、反射臂以及图像处理用计算机7。所述SPR发生装置4包括棱镜和设置于棱镜斜面上的金膜，该金膜的外表面为被测平面，用于附着被侧物；所述SPR发生装置4是能够平移的，它安装在一个可控移动平台43上，该可控移动平台可采用手动或自动控制方式实现。所述入射臂设置于SPR发生装置4的一侧，它依次包括宽带光源1、偏振器件2及产生一条细线形光束的含柱形镜的光学系统3，所述细线形光束射入SPR发生装置4的被测平面；所述反射臂设置于SPR发生装置4的另一侧，它依次包括用于色散的色散装置5和二维光电探测装置6；二维光电探测装置的输出与计算机7的输入相连接，二维光电探测装置检测的每一列图像信息均传输到计算机7存贮、处理，并生成一幅二维图片。

反射臂的色散装置5可包括狭缝52、光栅53及光栅前后的透镜52、54，色散装置5也可采用一台光栅单色仪实现。入射臂的含柱形镜的光学系统3可采用一个柱面凸透镜、或柱面反射镜。宽带光源1可采用卤素灯、或发光二极管及其组合、或汞灯等宽带光源。

本发明由于采用光谱测量，可以用光纤来传导光谱信息，即SPR发生装置4入射面侧的细线形光束、SPR发生装置4反射面侧的出射光束均通过光纤来远距离传导。这样SPR探测面可以远离光源和分析装置，进行远距离和特殊环境(如有毒、易燃易爆环境)的测量。

宽带光源1发出的光，经过偏振器件2(如偏振片、偏振棱镜等)成为偏振光，再经过一个含柱形镜的光学系统3变成一条细线形光束。该线形光束入射在SPR发生装置4上，偏振器件2的通光方向调整为SPR装置4的p光方向。SPR发生装置4的出射光束，经由一个色散装置5进行色散后，由二维光电探测装置6探测到，传输到计算机7处成像。这样得到的一列图像包含了SPR发生装置4中被测平面被照明的一条线形区域内的SPR的光谱信息。

通过可控移动平台43带动，使SPR发生装置4的被测平面在该平面内沿垂直于照明区域的方向平移，用所述的线形光束扫描整个平面，并在这个过程中连续用二维光电探测装置6成像，获得整个被测平面的全部列图像信息，这样得到的一系列图像就包含了整个被测平面的SPR光谱信息。

计算机7调用图像处理软件对所述的全部列图像信息进行运算、处理，得到SPR发生装置4中整个被测平面的折射率信息，并生成一幅二维图片，其上的点与被测平面的点一一对应，每一点的灰度值线性对应于对应被测平面上点的折射率。

参照图2，计算机计算、处理获得的整个被测平面的全部列图像信息的过程可包括：1)、用线形光束扫描被测平面，同时用二维光电探测装置连续探测，得到一系列图；2)、取其中一幅图片；3)、按照图3处理一列图像信息程序分析这幅图，得到一列折射率信息；4)、记录这列折射率信息；5)、重复以上2)至4)步骤，直至处理完所有图片，这样得到一个包含折射率信息的二维数组；6)、把折射率线性换算为灰度值，画出一幅图。这就是所测平面的定量折射率分布图。

参照图3，计算机处理一列图像信息的过程包括：1)、把二维光电探测装置得到的一幅图，按照二维光电探测装置对不同波长的光谱响应曲线修正；2)、取该图像的一行数据；3)、拟合求得该行数据的最小值对应像素数；4)、由像素数求得对应SPR共振波长；5)、进而由SPR共振波长求得对应折射率；6)、记录该行的折射率；7)、取该图像的下一行数据，重复以上2)至6)的步骤，直至对图片所有行的数据处理完毕，这样就得到了一列折射率信息。

图5表示一具体实施例装置。宽带光源1采用白光点光源，如卤素灯，大恒光电GCO-13M，100W。该白光点光源发出的光，经过一个消色差的成像透镜21(如f＝50mm，大恒光电GCL-010630)变成平行光，通过一个偏振方向为水平方向的偏振片22(如大恒光电GCL-050002)，再经过一个柱面凸透镜3(如大恒光电GCL-110101)，使其在水平方向会聚变成细一条细线形光束。这样光照到SPR发生装置4上时，近似形成了一条线形光斑。

SPR发生装置4采用Kretschmann全反射模型(Z.Naturforsch.23A(1968)2135-2136.)：BK7棱镜41的斜面上镀了45nm厚的金膜42，金膜外为被测平面。SPR发生装置4安装在一个可控一维移动平台43，可以让其上面的棱镜沿图示方向平移。使上述细线形光束会聚在金膜上，中心光束的入射角约为45°。距离入射光斑10cm处，放置一个0.1mm的狭缝51，在SPR反射光中挑选出某一反射角的反射光。经过狭缝的光线，由一个成像透镜52变成平行光，经过一个反射光栅53进行色散，再经过一个成像透镜54，成像在CCD器件6上，CCD器件可为Q-imaging RETIGA EXi，12位，1392×1040像素。实例中狭缝51、光栅53及光栅前后的透镜52、53是通过使用一台光栅单色仪来实现的，如：ACTON RESEARCHSpectraPro150，光栅300线。

这样所得到的图像每一行，用CCD器件对不同波长的光的响应曲线修正后，就是金膜上的线形照明区域的对应点的SPR光谱分布。我们可以找到反射率最小的波长——SPR共振波长，再由SPR共振波长和折射率的对应关系，可以得到这点的折射率。因此这一幅图包含了线形区域的全部点的折射率信息。平移SPR平面，用线形光束扫描测量被测平面，这样就可以得到整个平面的折射率信息。生成一幅图，根据被测面内折射率的分布范围，给图上每一点赋予一个与该点对应折射率成线形关系的灰度值，就得到了被测平面的折射率分布图。如图4是采用本发明方法测得的金膜上面的一滴甘油的实例图片。

Claims

1、一种并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像方法，其特征是包括如下步骤：

a、将宽带光源发出的光束转变成一条细线形光束，使所述细线形光束照射在SPR发生装置上，该装置的出射光束经由一个色散装置进行色散后，由二维光电探测装置探测，获得该装置中被测平面被照明的一条线形区域内的一列SPR光谱图像信息，然后传输到计算机存贮；

b、使所述SPR发生装置中的被测平面在该平面内沿垂直于照明区域的方向平移，通过所述的线形光束扫描整个被测平面，并在这个过程中用二维光电探测装置连续探测，获得整个被测平面的全部列SPR光谱图像信息；

2、根据权利要求1的并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像方法，其特征是：在步骤a中，所述宽带光源发出的光由偏振器件转变成偏振光，再经过一个含柱形镜的光学系统变成细一条线形光束。

3、根据权利要求1的并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像方法，其特征是：在步骤b中，所述SPR发生装置是通过一可控移动平台平移的，所述可控移动平台采用手动或自动控制方式。

4、根据权利要求1的并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像方法，其特征是：所述SPR发生装置入射面侧的细线形光束、SPR发生装置反射面侧的出射光束均通过光纤远距离传导。

5、根据权利要求1的并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像方法，其特征是计算机计算、处理获得的整个被测平面的全部列图像信息过程包括：

1)、用线形光束扫描被测平面，同时用二维光电探测装置连续探测，得到一系列图；2)、取其中一幅图片；3)、按照处理一列图像信息程序分析这幅图，得到一列折射率信息；4)、记录这列折射率信息；5)、重复以上2)至4)步骤，直至处理完所有图片，这样得到一个包含折射率信息的二维数组；6)、把折射率线性换算为灰度值，得到所测平面的定量折射率分布图。

6、根据权利要求5的并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像方法，其特征是计算机处理一列图像信息的过程包括：

1)、把二维光电探测装置得到的一幅图，按照二维光电探测装置对不同波长的光谱响应曲线修正；2)、取该图像的一行数据；3)、拟合求得该行数据的最小值对应像素数；4)、由像素数求得对应SPR共振波长；5)、进而由SPR共振波长求得对应折射率；6)、记录该行的折射率；7)、取该图像的下一行数据，重复以上2)至6)的步骤，直至对图片所有行的数据处理完毕，这样就得到了一列折射率信息。

7、并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像装置，包括SPR发生装置(4)、入射臂、反射臂以及图像处理用计算机(7)，其特征是：

所述SPR发生装置(4)是能够平移的，它安装在一个可控移动平台(43)上；

所述入射臂设置于SPR发生装置(4)的一侧，它依次包括宽带光源(1)、偏振器件(2)及产生一条细线形光束的含柱形镜的光学系统(3)，所述细线形光束射入SPR发生装置(4)的被测平面；

所述反射臂依次包括用于色散的色散装置(5)和二维光电探测装置(6)；二维光电探测装置的输出端与计算机(7)的相应输入端连接，二维光电探测装置检测的每一列SPR光谱图像信息均传输到计算机(7)存贮、处理，并生成一幅二维折射率分布图片。

8、根据权利要求7的并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像装置，其特征是：所述的含柱形镜的光学系统(3)采用一个柱面凸透镜、或柱面反射镜。

9、根据权利要求7的并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像装置，其特征是：所述反射臂的色散装置(5)包括狭缝(51)、光栅(53)及光栅前后的透镜(52、54)，或色散装置(5)采用一台光栅单色仪。

10、根据权利要求7的并行列扫描光谱型表面等离子体共振成像装置，其特征是：所述宽带光源(1)采用卤素灯、或发光二极管及其组合、或汞灯等宽带光源。