CN1766575A - 角度扫描表面等离子体共振测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种角度扫描SPR测量系统，其根据控制信号在偏转角范围内偏转光束，并将已偏转光束映射到与偏转角范围对应的入射角范围内的目标。

Description

角度扫描表面等离子体共振测量系统

技术领域

本发明涉及角度扫描表面等离子体共振测量系统。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)测量系统依靠表面等离子体共振来检测传感界面(transducing interface)处目标的折射率变化。由于表面等离子体共振现象，入射到传感界面上的光信号在共振入射角处受到损耗。目标的折射率变化引起共振入射角的变化，后者可以通过测量被目标偏转的光信号的强度来进行检测。SPR测量系统通常以SPR传感图(sensorgram)的形式将检测到的共振入射角变化关联到目标的折射率的相应变化，该传感图是样本的相对折射率随时间变化的图。SPR传感图可以用来根据传感界面处生化过程和目标折射率之间的关系，表征传感界面处的生化过程。

当机械致动器在+/-2.5度的角度调节范围内旋转目标来改变目标相对于入射光束的入射角时，现有技术的SPR测量系统(如图1所示)通过测量被目标偏转的光信号的强度来检测共振入射角的偏移。因为一些生化过程可以使共振入射角产生小于10⁴度的偏移，所以可能期望SPR测量系统能够测量由折射率变化引起的共振入射角的微小偏移。此外，还可能期望目标以高重复率发生角旋转以检测在传感界面处短时间的生化过程。然而，共振入射角的测量精度以及用于检测传感界面处的生化过程的重复率受到SPR测量系统中用于提供目标的角旋转的机械致动器的限制。

发明内容

根据本发明的实施例，角度扫描SPR测量系统根据控制信号在偏转角范围内偏转光束，并将已偏转光束映射到与偏转角范围相对应的入射角范围之内的目标。

附图说明

图1示出了现有技术的SPR测量系统。

图2示出了根据本发明实施例的角度扫描SPR测量系统。

图3示出了适于包含在图2的角度扫描SPR测量系统中的声光偏转器的响应特性的一个例子。

图4A-图4B示出了入射在声光偏转器的光学孔径上的光束。

图5A示出了由根据本发明实施例的角度扫描SPR测量系统检测到的共振入射角偏移的一个例子。

图5B示出了由根据本发明实施例的角度扫描SPR测量系统提供的SPR传感图的一个例子。

图6示出了根据本发明的可选实施例，作为方法实施的角度扫描SPR测量系统的流程图。

具体实施方式

图2示出了根据本发明实施例的角度扫描SPR测量系统10。角度扫描SPR测量系统10(下文中的“测量系统10”)包括光源12、光束偏转器14以及将由光束偏转器14提供的光束导向目标T的成像望远镜16。

光源12提供标示为光束B1的准直光信号。通常，光源12包括LED、激光器或超发光光源。光源12可以提供具有单波长、多波长或可选波长的光信号11。不过，光源12可以包括以下这样任何其他种类的发射器8，其适于提供在测量系统10的测量获取时间间隔内具有足够稳定的波长和强度特性的光信号11，以免破坏被测量系统10获取的测量结果。当由发射器8提供的光信号11未准直时，光源12包括与发射器8级联的准直器C来使光束B1准直。光束偏转器14可以有狭窄范围的入射角，在该范围内有效地偏转例如光束B1的入射光束。对光束B1进行准直防止了光束B1偏离优选输入角α_OPT，这提高了光束偏转器14的效率并增加了由光束偏转器14提供的己偏转光束B2的光功率。图3示出了与光束偏转器14相关联的效率曲线13的一个例子，其表明由于与偏离优选输入角α_OPT相伴随的功率偏转效率下降，即使稍微偏离优选输入角α_OPT都可能大大地降低由光束偏转器14提供的已偏转光束B2的相对光功率。对于典型的光束偏转器14，对光束B1的准直足以提供由光束偏转器14进行的光束B1的有效偏转，该准直是在包含已偏转光束B2的偏转角的平面内进行的。不过，准直器C通常包括这样的元件，其在与包含已偏转光束B2的偏转角的平面正交的方向上也对光束B1进行准直。

准直器C还可以改变由发射器8提供的光信号11的形状，使得由光源12提供的光束B1适应与光学偏转器14相关联的光学孔径的空间形状。通常，准直器C调整光束B1的形状和尺寸，以与光束偏转器14的光学孔径一致。这使得光功率可以从光束B1有效传送到已偏转光束B2。在一个例子中发射器8提供圆形的光信号11，而光束偏转器14的光学孔径是矩形的。在此例中，准直器C包括一个或更多柱面透镜来将光信号11的圆形转变为光束B1中的椭圆形。此椭圆形状适应于如图4A中示出的光束偏转器14的矩形光学孔径A_RECT。在另一个例子中，光束偏转器14的光学孔径是矩形的，而发射器8提供椭圆形的光信号11。在此例中，准直器C可以包括一个或更多球面透镜，以将光信号11准直成适应图4A所示的光束偏转器14的矩形光学孔径A_RECT的光束B1。在另一个例子中，发射器8提供圆形的光信号11，而光束偏转器14的光学孔径是正方形的。在此例子中，准直器C可以包括一个或更多球面透镜，以将光信号11校准成适应图4B所示的光束偏转器14的正方形光学孔径A_SQ的光束B1。在另一个例子中，光束偏转器14的光学孔径是正方形的，而发射器8提供椭圆形的光信号11。在此例中，准直器C可以包括柱面透镜来适应于光束偏转器14的正方形光学孔径A_SO。虽然为举例说明的目的提供了包括球面和/或柱面透镜的准直器C的例子，但是准直器C也可以包括任何合适的设备、元件或系统，其为用光束偏转器14偏转光束B1提供对光束B1的充分准直。准直器C也可以包括任何合适的设备、元件或系统，其用于改变光束B1的形状来适应光束偏转器14的光学孔径。

光束偏转器14使得所施加的信号例如光束B1偏转或改变其方向来提供对应的已偏转光束B2。根据图2中示出的本发明的一个实施例，光束偏转器14包括声光偏转器。声光偏转器为本领域所知且可以从各种来源获取，包括例如Crystal Technologies Inc.。声光偏转器根据控制信号15基于关系Δ＝λ(Δf/Va)使光束B1偏转一个偏转角，其中λ是光束B1的光学波长，Δf是声光偏转器的频率带宽，而Va是声光偏转器的声速。此关系表明声光偏转器与施加到声光偏转器的控制信号频率f成比例地偏转光束B1。在图2中示出的例子中，函数发生器、压控振荡器(VCO)或其它信号源通过提供控制信号来驱动声光偏转器，该控制信号的频率f是在频率f1和频率f2之间的频率范围内扫描、调谐或以另外的方式调整的。在一个例子中，以0.45度的入射角入射在声光偏转器上的光束B1响应于在频率范围35MHz-70MHz内所施加的控制信号15，提供2.9度的偏转角Δ范围内的己偏转光束B2。

根据本发明的可选实施例，光束偏转器14包括具有一个或更多光学反射器的MEMS设备(未示出)或在一定偏转角范围内提供已偏转光束B2的其他设备。通常，MEMS设备包括聚焦元件来使由光源提供的光束B1聚焦到在MEMS设备中的一个或更多反射器上。然后准直元件可以和MEMS设备中的一个或更多反射器级联来提供被准直的己偏转光束B2。根据施加给MEMS设备使得MEMS设备的一个或更多反射器旋转的控制信号，确定由MEMS设备提供的己偏转光束B2的偏转角。

成像望远镜16在由光束偏转器14提供的偏转角的范围Δ内接收已偏转光束B2并将已偏转光束B2导向目标T。通常，目标T在SPR传感器18的传感界面17处紧邻SPR传感器18的传感界面17，或者目标T以其他方式与SPR传感器18的传感界面17相关联。目标T通常包含要照明的一个或更多的指定区域或样本。SPR传感器为本领域所知并在参考文献中示出，例如Characterization and Optimization of a Real-Time，Parallel，Label-Free，Polypyrrole-Based DNA Sensor by Surface Plasmon Resonance Imaging，Guedon等，Analytical Chemistry，Vol.72，No.24，2000年12月15日，6003-6009页。

被成像望远镜16导向的已偏转光束B2导致照明目标T的入射光束B3。光束偏转器14和成像望远镜16的动作使得目标T能在与入射光束B3的入射角相独立的固定位置或地点处被照明。这样，入射光束B3的入射角可以经由光束偏转器14的动作被扫描、调谐、改变或以其他方式调整，并经由成像望远镜16的动作被导向目标T，以使得由于入射光束B3的入射角的调整，而将所得到的入射光束B3提供的照明固定在合适位置或地点中。成像望远镜16将已偏转光束B2在指定范围Δ内的偏转角映射到对应范围ΔΦ内的对应入射角Φ_INC来提供入射光束B3。当入射光束B3的入射角Φ_INC在范围ΔΦ内时，入射光束B3在固定位置处照明目标T。

通常，成像望远镜16包括一系列级联的两个或更多透镜。成像望远镜16基于成像望远镜16中所包括的两个或更多透镜的焦距的选择，放大已偏转光束B2的尺寸，以调整由入射光线B3在目标T处提供的照明斑的尺寸。成像望远镜16提供的放大倍率可以减小或增加入射光束B3相对于已偏转光束B2的尺寸。例如，如果第一透镜L1具有焦距F1，而第二透镜具有焦距F2，那么通过成像望远镜16，入射光束B3可以获得对已偏转光束B2的尺寸的因子为F2/F1的放大倍率。当焦距F2大于焦距F1时，入射光束B3大于已偏转光束B2。当焦距F1大于焦距F2时，已偏转光束B2大于入射光束B3。图2示出了一个例子，其中成像望远镜16包括对整个已偏转光束B2提供均匀放大倍率的两个球面透镜。柱面透镜也可以被包括在成像望远镜16中来提供放大，以沿着柱面透镜定向所确定的入射光束B3的轴改变已偏转光束B2的尺寸。例如，第一对柱面透镜可以提供沿着与已偏转光束B2的传播方向垂直的第一轴向的第一放大倍率，而与第一对柱面透镜正交的第二对柱面透镜可以提供沿着与第一轴正交并与己偏转光束B2的传播方向正交的第二轴的第二放大倍率。

成像望远镜16也使得在目标T处入射光束B3的入射角可以是光束B2偏转角的倍数。倍数因子将已偏转光束B2的偏转角与入射光束B3的入射角Φ_INC关联起来。入射角Φ_INC的范围ΔΦ_INC可以大于、小于或等于偏转角的范围Δ。例如，当光束偏转器14在2.9度的角度范围内提供已偏转光束B2时，由成像望远镜16提供的2倍的放大因子相应地将入射角Φ_INC的范围增大到5.8度，假定在包括偏转角的平面中提供此放大。

由成像望远镜16提供的倍数可以基于目标T处入射角的指定范围、目标T的尺寸和形状、目标T处的标称入射角、以及偏转角的范围Δ来选择。在一个例子中，对于5.8度的入射角Φ_INC范围ΔΦ_INC、65度的标称入射角、14mm的照明斑尺寸、以及2.9度的偏转角范围Δ，倍数2是合适的，并可以通过因子F2/F1获得。不过，由成像望远镜16提供的放大倍率或倍数也可以根据成像望远镜16中所包括的光学设备、元件或系统的尺寸、类型或定向来选择。成像望远镜16还在入射光束B3处保持偏转光束B2的准直。

在测量系统10的典型应用中，检测器20截取来自目标T的反射光信号B4。当入射光束B3的入射角Φ_INC在入射角Φ_INC的范围ΔΦ_INC上被扫描、调谐或以其他方式调整时，检测器20与目标T进行信号通信，检测反射光信号B4的强度，其中入射角Φ_INC是通过偏转光束B2的偏转角的扫描、调谐或调整以及由成像望远镜16提供的倍数或放大倍率提供的。检测器20通常是将检测到的光强度转换为对应电信号的设备、元件或系统，或者设备、元件或系统的阵列。在一个例子中，检测器20包括一个或更多Si、In GaAs、或Ge检测元件。

耦合到检测器20的处理器22经由施加到光束偏转器14的控制信号15来同步入射角Φ_INC的调整。处理器22也可以处理检测到的反射光束B4的强度来提供指示了与目标T相关联的共振入射角Φ_RES的偏移的SPR传感图23或其他输出。图5A示出检测到的反射光束B4的强度一个例子，其指示了由目标T的折射率变化导致的共振入射角Φ_RES的偏移ΔΦ_RES。图5B示出由测量系统10提供的SPR传感图23的一个例子，指示了用微折射率单位(10^-6RIU)表示的折射率。

由于目标T可以包含要照明的一个或更多的指定区域或样本，所以透镜或其他成像元件24可以插入目标T和检测器20之间来将目标T的一个或更多的指定区域或样本成像到检测器20上的对应位置。这使得测量系统10可以并行或顺序地测量SPR传感器18的传感界面17处的多个样本或区域的共振入射角偏移，或者对应的折射率偏移。

虽然在图2中示出单个测量系统10，但本发明的可选实施例可以包括照明单个目标T的两个或更多测量系统10。在这些实施例中，每个测量系统10可以在不同的光学波长上工作。在一个例子中，两个测量系统10照明目标T，其中一个测量系统在700nm的光学波长下工作，而另一个测量系统在1600nm的光学波长下工作。

示出的偏振器P包括在反射光束B4的传播路径中来指示反射光束B4的偏振状态。或者，偏光器可以被包括在其他光束B1-B4中任何一个的传播路径中。测量系统10也可以在光传播路径的不同位置处包括分光器和光学检测元件来监控光束B1-B4中的一个或更多，用于测量系统10的校准。在图2中示出的例子中，可选包括的半波片λ/2被示为插入到光束偏转器14和成像望远镜16之间来校准目标T处入射光束B3的偏振。当目标T与SPR传感器18的传感表面17相关联时，半波片λ/2提供目标T处入射光束B3的p-偏振态。

根据本发明的可选实施例，角度扫描SPR测量系统10根据图6的流程图中示出的方法30来实现。方法30包括在偏转角范围Δ内改变已偏转光束B2的偏转角(步骤32)。已偏转光束B2通过这样产生，即将光源12提供的光束B1施加到光束偏转器14并经由施加给光束偏转器14的控制信号15扫描、调谐或以其他方式调整已偏转光束B2的偏转角。

方法30接着包括将在偏转角的范围Δ内的已偏转光束B2的偏转角映射到入射角Φ_INC的对应范围ΔΦ_INC内的对应入射角Φ_INC来提供照明目标T的入射光束B3(步骤34)。当入射角在入射角范围内时，目标T具有固定的位置。

方法30接着包括在目标T处光束B3的入射角Φ_INC在入射角Φ_INC的范围ΔΦ_INC内变化时，测量来自目标T的反射光束B4(步骤36)。测量来自目标T的反射光束通常包括检测反射光束B4的强度并处理检测到的强度来提供SPR传感图23。

可选步骤35包括将目标T的一个或更多位置成像到检测器20处的一个或更多对应位置。

虽然详细说明了本发明的实施例，但显而易见的是，在不偏离所附权利要求阐明的本发明的范围情况下，本领域的技术人员可以想到对这些实施例的修改或适用。

Claims (20)

1.一种测量系统，包括：

提供光束的光源；

在偏转角范围内偏转所述光束来提供已偏转光束的光束偏转器；以及

将所述已偏转光束映射到入射光束的成像望远镜，当入射角在入射角范围内时，所述入射光束照明与所述偏转角范围对应的所述入射角范围内的固定目标。

2.如权利要求1所述的测量系统，其中所述光源包括发射器和准直器。

3.如权利要求2所述的测量系统，其中所述准直器包括透镜。

4.如权利要求1所述的测量系统，其中所述光束偏转器包括声光偏转器。

5.如权利要求1所述的测量系统，其中所述成像望远镜包括级联的两个或更多透镜。

6.如权利要求5所述的测量系统，其中所述级联的两个或更多所述透镜中的对应透镜的焦距之比指定了所述已偏转光束的放大倍率。

7.如权利要求5所述的测量系统，其中所述成像望远镜包括具有第一焦距的第一透镜，所述第一透镜与具有第二焦距的第二透镜级联，所述成像望远镜以所述第二焦距和所述第一焦距的比例来放大所述目标处的所述已偏转光束的尺寸。

8.如权利要求1所述的测量系统，其中所述目标与表面等离子体共振传感器的传感界面相关联。

9.如权利要求8所述的测量系统，还包括与所述表面等离子体共振传感器进行信号通信的检测器。

10.如权利要求8所述的测量系统，还包括插入到所述目标和所述检测器之间的成像元件，所述成像元件将所述目标的一个或更多位置成像到所述检测器处的一个或更多对应位置。

11.如权利要求4所述的测量系统，其中施加到所述光束偏转器的控制信号使得所述声光偏转器在所述偏转角范围内扫描所述已偏转光束。

12.如权利要求11所述的测量系统，还包括与所述目标进行信号通信的检测器，当所述入射光束在所述偏转角范围内变化时，所述检测器检测来自所述目标的反射光束。

13.如权利要求12所述的测量系统，还包括插入到所述目标和所述检测器之间的成像元件，所述成像元件将所述目标的一个或更多位置成像到所述检测器处的一个或更多对应位置。

14.一种测量系统，包括：

在第一范围内改变第一光束的偏转角；

将所述第一光束的所述偏转角映射到第二范围内的对应入射角，以当所述入射角在所述第二范围内时提供照明具有固定位置的目标的第二光束；以及

当所述偏转角在所述第一范围内改变来相应调整所述第二范围内的所述入射角时，测量来自所述目标的反射信号。

15.如权利要求14所述的测量系统，其中在所述第一范围内改变所述第一光束的所述偏转角包括将光信号施加到光束偏转器并根据控制信号调整所述偏转角。

16.如权利要求14所述的测量系统，其中由成像望远镜将所述第一光束的所述偏转角映射到所述第二范围内的对应入射角，以当所述入射角在所述第二范围内时提供照明具有固定位置的所述目标的所述第二光束。

17.如权利要求14所述的测量系统，还包括将所述目标的一个或更多位置成像到检测器处的一个或更多对应位置。

18.一种测量系统，包括：

在第一范围内改变第一光束的偏转角；

将所述第一光束的所述偏转角映射到第二范围内的对应入射角来提供照明目标的第二光束；

当所述偏转角在所述第一范围内改变来相应调整所述第二范围内的所述入射角时，检测来自所述目标的反射信号；以及

基于所述第二范围内所述入射角的所述调整确定共振入射角的偏移。

19.如权利要求18所述的测量系统，其中在所述第一范围内改变所述第一光束的所述偏转角包括将光信号施加到光束偏转器并根据控制信号调整所述偏转角。

20.如权利要求18所述的测量系统，还包括将所述目标的一个或更多位置成像到检测器处的一个或更多对应位置。

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