CN1963467A - 表面等离子体共振生化多通道外差相位检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

表面等离子体共振生化多通道外差相位检测方法及系统，属于生物技术检测领域。本发明基于表面等离子体共振传感原理，采用外差相位检测方法，系统由入射臂、生物传感单元、反射臂和信号处理单元组成，入射臂包括多通道线性调频光纤外差干涉仪、偏振片和第1透镜，反射臂包括第2透镜和反射镜。本发明的特点：从多通道传感芯片反射的光经第2透镜后投射在反射镜上，接着沿原光路返回，光束先后2次经过传感芯片的同一检测点，光波的相位变化自然增加1倍，从而能使检测灵敏度提高1倍。本发明的系统能实时检测发生在传感芯片的每个通道上的生物分子相互作用时引起的光的相位变化，提供给生物学家和医学家解析。

Description

表面等离子体共振生化多通道外差相位检测方法及系统

技术领域

本发明属于生物技术检测领域，特别涉及用来实现高精度、多通道、实时传感蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA、DNA-DNA，蛋白质-效应物、抗原-抗体、配体-受体、药物-靶等生物分子相互作用的检测方法及其蛋白质芯片检测系统。

背景技术

人的生命过程就是一个生物分子之间相互作用的过程，尤其是蛋白质-蛋白质之间的相互作用。疾病的发生和发展无不与蛋白质之间的相互作用有关。疾病的治疗过程，也就是一个蛋白质-药物的相互作用过程。因此，蛋白质-蛋白质以及蛋白质与其它生物分子的相互作用已经成为蛋白质组学的主要研究内容之一。

利用表面等离子体共振成像传感原理来检测生物分子相互作用，具有无需标记、灵敏和实时等优点，尤其是不影响结合位点及其生物活性，可以如同一台摄像机那样记录生物分子相互作用的全过程，因而受到格外重视。当发生表面等离子体共振时，反射光的光强和相位都发生急剧变化，且相位变化更为剧烈。与之对应，可有光强和相位两种检测方法，其中理论分析表明相位检测的灵敏度要比光强检测高1-2个数量级。本发明人曾基于相位检测原理，发明了生物分子相互作用实时相位检测分析方法，该发明能单通道检测生物分子的相互作用(见中国专利ZL99107780.6，授权日为2003年4月30日)，传感原理如图1所示。由横向塞曼双频激光器2发出的“主光”射入传感单元1中，透过其中的梯形棱镜和折射率油层射到传感芯片的玻璃基片与金膜之间的界面上，由此反射，透过玻璃基片、折射率油层和棱镜后射出。从棱镜射出的光透过第2外差检偏器5，射到第2外差光电检测器6上，由其将入射光拍频后转化成电信号，作为测量信号输入鉴相器7。从横向塞曼双频激光器2发出的“尾光”透过第1外差检偏器3后射到第1外差光电检测器4上，由其将入射的“尾光”拍频后转换成电信号，作为参考信号输入鉴相器7。横向塞曼双频激光器2发出的光中包含p和s两个分量，所发出的“尾光”只经过第1外差检偏器3，拍频后的信号的相位始终不变。当从样本池流过的所要检测的样本分子与固定在传感芯片上的探针分子结合时，传感芯片表面的折射率即刻发生变化，从传感芯片的玻璃基片与金膜之间界面反射的光的p分量的相位即发生变化，反射光透过折射率油层、棱镜和第2外差检偏器5后被第2外差光电检测器6拍频后转换成电信号，拍频信号的相位随p分量的相位变化。第1外差光电检测器4和第2外差光电检测器6的输出信号同时输入鉴相器7，鉴相器7实时鉴出参考信号与测量信号之间的相位差，即发生生物反应时引起的光的相位变化，并将鉴出的相位差输入计算机8处理。传感芯片上生物分子反应不断进行，鉴相器7实时输出相位差，计算机8实时处理后给出相关信息。然而，这种方法一次只能检测一种生物分子反应，很难实现多通道或者阵列检测，无法满足提高检测效益的要求。

为此，本发明人又分别发明了空间相位调制干涉阵列检测生物芯片的方法(见中国专利CN1588064A，申请日为2004年8月27日)和蛋白质芯片的传感方法及其检测系统(见中国专利，申请号为200510086332.7，申请日为2005年9月2日)，前者的传感原理如图2所示，后者是一种时域相位调制干涉阵列传感检测方法，传感原理如图3所示。由图2可见，由光源9发出的光透过棱镜和折射率油层后，射到传感芯片的玻璃基片与金膜之间的界面上，由此反射，透过传感芯片的玻璃基片、折射率油层和棱镜，射入一维放大镜10。从一维放大镜10射出的光又进入渥拉斯特棱镜11a，射出后经检偏器12和成像透镜13后，成像在CCD14上，被其转换成电信号，经计算机接口15输入计算机8进行实时处理。反射光所包含的偏振方向正交的s和p分量在渥拉斯特棱镜11a中沿不同方向传播，两分量间的横向位移量随光线离渥拉斯特棱镜的不同位置而不同。由于入射光线中包含无数光线，因而能在渥拉斯特棱镜中产生干涉，干涉条纹位于与棱镜端面平行的平面上。当传感芯片上发生生物分子相互作用时，反射光中的p分量的相位即刻发生变化，在渥拉斯特棱镜11a中产生的干涉条纹相位随之发生变化，成像在CCD14上的干涉条纹被转换成电信号，经接口15输入计算机8处理，可得到即时发生的光的相位变化。生物分子反应不断进行，计算机可以实时处理得到每时每刻的相位变化，一次可以检测许多单元上发生的反应。从图3中可以看出，由光源9发出的光经棱镜和折射率油层后，射到传感芯片的玻璃基片与金膜之间的界面上，并由此反射，经折射率油层和棱镜后，射入一维放大透镜10。从一维放大透镜10射出的光通过被调制器16调制的电光晶体11b和检偏器12后产生干涉，干涉条纹的相位变化只呈现在时域里。所产生的干涉条纹经成像透镜13后，成像在CCD14的靶面上，被其转换成电信号经接口15输入计算机8。当传感芯片上发生生物分子相互作用，反射光中的p分量的相位即刻发生变化，经过一维放大镜10、被调制器16调制的电光晶体11b和检偏器12后，所产生的干涉条纹的相位随之发生变化，计算机8对采集到对应的干涉条纹图像进行处理后，即得到从传感芯片反射的光的相位变化。反应不断进行，计算机8不断进行采集和处理，得到每时每刻发生在传感芯片上生物分子相互作用的信息。由于这种方法在理论上一个CCD像素就可以真实地传感一个传感单元上的反应，因而能实现高通量检测。

上述3种方法都是相位检测方法，且光只通过传感芯片一次，能实现比光强检测更高的灵敏度。然而，在实际检测中，往往遇到小分子检测(如药物中的小分子药靶)和丰度很低的分析物(如早期癌症的相关抗体)，这就要求很高的灵敏度，但上述3种方法都难以满足要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种表面等离子体共振生化多通道外差相位检测方法及系统；可以高灵敏度、多通道进行生化检测，如检测蛋白质芯片，实时获取蛋白质之间以及与药物之间相互作用的信息。

本发明提供了一种表面等离子体共振生化多通道外差相位检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

一种表面等离子体共振生化多通道外差相位检测方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

4)半导体激光器的工作温度控制在15-37℃的范围内；

5)所述的半导体激光器通以锯齿波电流，使它所发出的光的频率随锯齿波电流发生线性变化；

6)所述的调频光由保偏光纤定向耦合器经保偏光纤与自聚焦透镜耦合，经自聚焦透镜后变成平行光；

4)所述的平行光的一部分经自聚焦透镜的前端面反射，沿光纤原路返回，到达光电检测器，作为参考光；另一部分从自聚焦透镜的前端面射出，依次经过偏振片、聚焦透镜、棱镜和折射率油层后，会聚在多通道传感芯片的对应通道的玻璃基片与金膜之间的界面上；

5)所述的在传感芯片的对应通道的玻璃基片与金膜之间的界面上会聚的光从该界面反射，透过折射率油层和棱镜后投射到透镜上，经透镜的光变成平行光，接着投射到反射镜上；

6)所述的投射到反射镜上的平行光从反射镜上反射，再次通过透镜后射入棱镜，接着透过棱镜和折射率油层，会聚在前一次从自聚焦透镜前端面射出的光所射到的传感芯片的同一通道的玻璃基片与金膜之间界面的同一位置上，这时光先后两次射到传感芯片的同一通道的同一位置上；

7)所述的射到传感芯片的同一通道的玻璃基片与金膜之间界面的同一位置的光，由此反射，经过折射率油层和棱镜，沿入射时的原光路，依次通过透镜和偏振片后从自聚焦透镜的前端面射入，沿原光纤返回，到达参考光所到达的同一光电检测器，作为测量光；

8)所述的测量光与参考光之间存在光程差，在光电检测器上产生拍频信号；

9)所述的拍频信号的相位与测量光和参考光之间的相位差完全一致，当传感芯片表面发生生物分子相互作用时，由于光先后2次射到传感芯片的同一通道的同一位置上，测量光的相位先后2次发生急剧变化；生物分子相互作用不断进行，拍频信号的相位对应不断发生变化；通过信号处理单元不断检测拍频信号的相位变化就可知道测量光的相位变化过程，从而获得生物分子相互作用的相关信息。

本发明方法中所述的多通道传感芯片为1～8个通道。所述的锯齿波电流的频率为5～50KHz。

本发明提供了一种实施所述方法的表面等离子体共振生化多通道外差相位检系统，包括入射臂、生物传感单元、反射臂和信号处理单元，所述的生物传感单元包括棱镜、折射率油层、多通道芯片以及置于多通道芯片下的样本池；所述的入射臂置于生物传感单元的一侧，所述的反射臂位于与入射臂相对应的生物传感单元的另一侧，其特征在于：所述的入射臂包括多通道线性调频光纤外差干涉仪、偏振片和第1透镜；所述的多通道线性调频光纤外差干涉仪的每个通道均包括半导体激光器、保偏光纤定向耦合器、保偏光纤、自聚焦透镜和光电检测器；所述的保偏光纤定向耦合器通过保偏光纤，一端分别与所述的半导体激光器及光电检测器相连，另一端与所述的自聚焦透镜相连；所述的偏振片和第1透镜依次置于所述的线性调频光纤外差干涉仪和所述的生物传感单元之间；所述的反射臂包括透镜和反射镜；所述的信号处理单元位于入射臂一侧，与所述的光电检测器相连，依次包括信号处理电路、计算机接口和计算机。

在本发明的表面等离子体共振生化多通道外差相位检系统中，其特征在于：所述的第1透镜和第2透镜均采用焦距为20～60mm的聚焦透镜。所述的自聚焦透镜的长度为1/4节距。

本发明所述生物传感单元中的棱镜为直角、等边三角形或梯形棱镜；所述直角、等边三角形或者梯形棱镜以及折射率油层和多通道芯片的光学玻璃基片的折射率相同，折射率为1.4～1.76。

本发明提供的这种表面等离子体共振生化多通道外差相位检测方法以及用于该方法的表面等离子体共振生化多通道外差相位检测系统，具有的显著特点是测量光先后两次经过被检测点，能使表面等离子共振引起的光波的相位变化增加1倍，从而可使检测灵敏度提高1倍。并且，由于光速很高，返回光程很短，所需时间极短，对生物分子相互作用来说可以认为仍处在同一瞬间，不影响检测实时性。它能同时检测发生在多通道传感芯片的每个通道上生物分子相互作用时引起的反射光的相位变化，提供给生物学家和医学家解析。本发明可以实现高灵敏度、多通道、无需标记和实时检测，一次可检测多种蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA、DNA-DNA、抗原-抗体、配体-受体、药物-靶等生物分子的相互作用，获得动力学特性、特异性、空间位置、空间效应以及结构与功能等信息。

附图说明

图1为已有的一种生物分子相互作用实时相位检测分析系统原理的示意图。

图2为已有的一种空间相位调制干涉阵列检测生物芯片系统原理的示意图。

图3为已有的一种时域相位调制干涉阵列检测蛋白质芯片系统原理的示意图。

图4为本发明实施的表面等离子体共振生化多通道外差相位检测系统原理的示意图。

图5为本发明实施的生物传感单元和传感芯片的结构示意图。

图6为本发明采用的多通道线性调频光纤干涉仪实施例的结构示意图。

图7为本发明实施的锯齿波发生器的电路结构示意图。

图8为本发明实施的半导体激光器温度控制系统的结构框图。

图9为本发明实施的信号处理电路框图。

图10为本发明实施的信号处理电路的有关信号波形图。

图中：1-生物传感单元，2-横向塞曼双频激光器；3-第1外差检偏器；4-第1外差光电检测器；5-第2外差检偏器；6-第2外差光电检测器；7-鉴相器；8-计算机；9-光源；10-一维放大镜；11a-渥拉斯特棱镜；11b-电光晶体；12-检偏器；13-成像透镜；14-CCD；15-算机接口；16-调制器；17-样本池；18-锯齿波发生器；19-温度控制器；20-半导体激光器；21-保偏光纤定向耦合器；22-保偏光纤；23-自聚焦透镜；24-偏振片；25-第1透镜；26-第2透镜；27-反射镜；28-光电检测器；29-信号处理电路；30-棱镜；31-折射率油层；32-传感芯片；32a-玻璃基片；32b-金膜；32c-耦联层；32d-通道传感面；33-第1耦合器；34-第2耦合器；35-第1光电检测器；36-第2耦合器；37-第1自聚焦透镜；38-第2光电检测器；39-第4耦合器；40-第2自聚焦透镜；41-第5耦合器；42-第3光电检测器；43-第6耦合器；44-第3自聚焦透镜；45-第4光电检测器；46-第7耦合器；47-第4自聚焦透镜；48-方波发生器；49-积分电路；  50-半导体致冷硅；51-热敏电阻；52-温度设置器；53-电桥；54-放大器；55-比例积分调节器；56-功放；57-除法器：58-带通滤波器；59-整形电路；60-检测信号锁相倍频器；61-鉴相器；62-可逆计数器；63-参考方波锁相倍频器；64-线性调频光纤外差干涉仪。

具体实施方式

下面结合附图对采用本发明所保护的表面等离子体共振生化多通道外差相位检测方法及其系统进行说明。

本发明由生物传感单元1、入射臂、反射臂和信号处理单元29四大部分组成，如图4所示。其中，生物传感单元1为表面等离子体共振成像生物传感器，包括直角、等腰三角形或梯形棱镜30，置于直角、等腰或者梯形棱镜30底面的折射率油层31和多通道传感芯片32以及置于多通道传感芯片32下面的样本池17；所述的入射臂位于生物传感单元的一侧，由线性调频光纤外差干涉仪64、偏振片24和第1透镜25组成；所述的线性调频光纤外差干涉仪包括半导体激光器20、保偏光纤定向耦合器21、保偏光纤22、自聚焦透镜23和光电检测器28；自聚焦透镜的长度为1/4节距。所述的反射臂位于与入射臂相对应的生物传感单元1的另一侧，依次包括第2透镜26和反射镜27；所述的信号处理单元包括与光电检测器28依次连接的信号处理电路29、计算机接口15和计算机8；所述的信号处理电路29对光电检测器28输出的信号进行处理，求出每时每刻发生生物分子相互作用时引起光的相位变化，通过计算机接口15输入计算机8处理。

将半导体激光器20、保偏光纤定向耦合器21、保偏光纤22和自聚焦透镜23以及光电检测器28组装在一起构成线性调频光纤外差干涉仪64，所述的保偏光纤定向耦合器通过保偏光纤，一端分别与所述的半导体激光器及光电检测器相连，另一端与所述的自聚焦透镜相连；所述的偏振片和第1透镜依次置于所述的线性调频光纤外差干涉仪和所述的生物传感单元之间；保证经自聚焦透镜射出的光是平行光；所述的半导体激光器20还与锯齿波发生器18以及温度控制器19连接。，

根据室温，在半导体激光器的温度控制器19中设定半导体激光器20的工作温度，保证其在温度控制器19的控制下工作在精度为±0.1℃的恒温状态下。启动锯齿波发生器18，给半导体激光器20通以锯齿波电流，所述的锯齿波电流的频率为5～50KHz。半导体激光器20即发出线性调频的激光，经保偏光纤定向耦合器21、保偏光纤22到达自聚焦透镜23。到达自聚焦透镜23的光分成两部分，一部分经自聚焦透镜23的前端面反射，沿着光纤原路返回，到达光电探测器28，作为参考光；另一部分从自聚焦透镜23的前端面射出。调整自聚焦透镜23的位置，使射出的平行光经偏振片24和第1透镜25后，射入棱镜30；射入的光透过棱镜30和折射率油层31，会聚在传感芯片32的对应通道的玻璃基片与金膜之间的界面上；传感芯片一般为1～8个通道。入射光由此反射，通过折射率油层31和棱镜30，射在第2透镜26上，反射光通过透镜26后恢复成平行光，接着投射在反射镜27上。调整反射镜27的位置，使平行入射光反射后经第2透镜26、棱镜30、折射率油层31后，再次会聚在从自聚焦透镜23射出的光会聚在传感芯片32的同一通道的玻璃基片与金膜之间界面的同一位置上。然后沿着入射光路，经折射率油层31、棱镜30、第1透镜25、偏振片24、自聚焦透镜23、保偏光纤22和保偏光纤定向耦合器21，到达光电检测器28，作为测量光。光电检测器28将测量光与参考光拍频后转换成电信号作为检测信号。信号处理电路29接收来自光电检测器28的检测信号并进行处理，处理结果经计算机接口15输入计算机8进行再处理，计算机8输出信息提供给生物学家和医学家解析。第1透镜25和第2透镜26均采用聚焦透镜，焦距为20～60mm。

为了简明叙述，在此以一个通道的检测过程为例：将样本溶液输入所述的样本池17，当固定在多通道传感芯片32的各个通道上的“受体”与样本溶液中的“配体”结合时，从传感芯片32的其中一个传感通道的玻璃基片与金膜之间界面反射光的相位即发生急剧变化：并且，由反射镜27返回的同一束光还在传感芯片32的同一传感通道的玻璃基片与金膜之间界面的同一位置上沿从自聚焦透镜23射出的光的入射光路反射，这时该束光的相位再一次发生激烈变化，即光的相位来回共经历了2次激烈变化。由于光程很短，光速极快，所用时间极短，对生物分子相互作用来说可以认为仍处在同一瞬间，因而相当于即刻生物分子相互作用时引起光的相位发生1倍变化，由光电检测器28拍频转换得到的检测信号的相位变化也增大1倍，从而可使检测灵敏度提高1倍。传感芯片32上的生物分子相互作用不断进行，从光电检测器28上可不断地得到光的相位变化的检测信号，由信号处理电路29处理后经接口15输入计算机8，计算机8不断处理并给出相关信息。不论几个传感通道，每个通道上所发生的反应和所进行的检测过程都一样。

图5所示，本发明所述的生物传感单元1和多通道传感芯片可采用如下结构：生物传感单元1由棱镜30、折射率油层31和多通道传感芯片32组成，如图5(a)所示。多通道传感芯片由玻璃基片32a、金膜32b、耦联层32c和通道传感面32d组成，如图5(b)所示。多通道传感面32d的平面示意图如图5(c)所示，其中的每个通道都由生物分子探针(亦可称配体)组成，可与所分析的生物分子结合，用点样机点在耦联层32c上；每条传感通道上可以固定不同的分子探针，从而一次就可以检测多种生物分子的相互作用；所述棱镜30、折射率油层31和多通道芯片32的光学玻璃基片的折射率相同，折射率为1.4～1.76。

图6为本发明采用的多通道线性调频光纤干涉仪实施例的结构示意图，该实施例采用4通道线性调频光纤仪，由半导体激光器20发出的激光通过保偏光纤经保偏光纤定向第1耦合器33分为两路；一路通过保偏光纤和保偏光纤定向第2耦合器34后再分为两路，另一路经保偏光纤和保偏光纤定向第5耦合器41后再分成两路。由保偏光纤定向第2耦合器34分开的两路中的一路经保偏光纤和保偏光纤定向第3耦合器36、第1自聚焦透镜37和第1光电检测器35组成线性调频光纤外差干涉仪1，即检测通道1。同理，另一路由保偏光纤、保偏光纤定向第4耦合器39、第2自聚焦透镜40和第2光电检测器38组成检测通道2。由保偏光纤定向第5耦合器41分开的两路，一路由保偏光纤、保偏光纤定向第6耦合器43、第3自聚焦透镜44和第3光电检测器42组成检测通道3；另一路由保偏光纤、保偏光纤定向第7耦合器46、第4自聚焦透镜47和第4光电检测器45组成检测通道4。检测时，检测通道分别与传感芯片32上的传感通道一一对应。

图7所示，本发明所述的锯齿波信号发生器可采用如下结构：它由方波发生器48和积分电路49组成。由方波发生器48产生的方波输入积分电路49，积分电路49将方波变换成同频率的锯齿波。锯齿波信号发生器产生的信号在输给半导体激光器20的同时，还要输到信号处理单元中的除法器57；方波发生器48产生的信号也要作为参考方波输入图9中所示的参考方波锁相倍频器63。

图8所示，本发明所述的半导体激光器的温度控制器19可采用如下结构：它由半导体致冷硅50、热敏电阻51、温度设置器52、电桥53、放大器54、比例积分调节器55和功放56组成。用传热胶将半导体激光器20与热敏电阻51以及半导体致冷硅50粘在一起。根据室温，由温度设置器52设定半导体激光器20的工作温度。温度控制器19工作后，热敏电阻51传感半导体激光器20的温度并输入电桥53，电桥53将热敏电阻51输入的信号与由温度设置器52设定的温度进行比较，比较后的差信号输给放大器54放大，放大器54输出的信号输入比例积分调节器55进行处理；比例积分调节器55输出的信号驱动功放56，功放56输出信号驱动半导体致冷硅50工作。如果半导体激光器20的工作温度高了，热敏电阻51传感的信号经电桥53、放大器54、比例积分调节器55和功放56处理后，驱动半导体致冷硅50降温。反之，使半导体致冷硅50升温。这样，始终保持半导体激光器20恒温工作。

图9所示，本发明所述的信号处理电路29可采用如下结构：它由锯齿波发生器18、除法器57、带通滤波器58、整形电路59、检测信号锁相倍频器60、方波发生器48、参考方波锁相倍频器63、可逆计数器62和鉴相器61组成。来自光电检测器28的检测信号进入除法器57，在除法器57中与来自锯齿波发生器18的信号相除，所得的商输入带通滤波器58滤波，滤波后的信号输入整型电路59整形，整形后的信号输入检测信号锁相倍频器60倍频，倍频后的信号分成两路：一路输入可逆计数器62，另一路作为检测信号输入鉴相器61。由方波发生器48输出的方波信号输入参考方波锁相倍频器63倍频，倍频后的信号同样分成两路：一路输入可逆计数器62，另一路作为参考信号输入鉴相器61。由检测信号锁相倍频器60和参考方波锁相倍频器63同时输入可逆计数器62的信号，先进行相位比较，比较后再控制可逆计数器62计数。检测信号锁相倍频器60的倍频倍率与参考方波锁相倍频器63的倍频倍率完全相同。参考方波锁相倍频器63输出的相位是固定的，检测信号锁相倍频器60输出的信号的相位是随传感芯片32上生物分子相互作用变化的，如果相位变化大于或等于1个脉冲周期(即参考方波锁相倍频器63或检测信号锁相倍频器60输出的1个脉冲)，则可逆计数器计1个数。可逆计数器62的计数输出经计算机接口15输入计算机8。由检测信号锁相倍频60输出的测量信号和参考方波锁相倍频器63输出的参考信号同时输入鉴相器61，由它进行实时鉴相，鉴出发生在传感芯片32上生物分子相互作用时引起的反射光的相位变化，鉴相结果经计算机接口15输入计算机8。由可逆计数器62和鉴相器61经计算机接口15同时输入计算机8的参考信号和检测信号由计算机8实时处理，得到发生在传感芯片32上生物分子相互作用时引起反射光的相位变化，其中可逆计数器62所计的是大数(即参考方波锁相倍频器63或检测信号锁相倍频器61输出的脉冲周期的整数倍)，鉴相器61鉴出的是小数(即小于参考方波锁相倍频器63或检测信号锁相倍频器61输出的1个脉冲周期的相位变化部分)，大数和小数之和是精确的数，即前者为粗分，后者为细分，两者结合可大大提高检测灵敏度。

图10所示，本发明所述的信号处理电路的主要波形变化可有下述波形。它包括方波发生器48输出的方波(a)、锯齿波发生器18输出的锯齿波(b)、光电检测器28输出的检测信号(c)、除法器57输出的有点畸变的正弦波(d)、带通滤波器58输出的正弦波(e)、整型电路59输出的方波(f)、检测信号锁相倍频器60输出的倍频方波(g)、方波发生器58输入参考方波锁相倍频器63的方波(h)和参考方波锁相倍频器63输出的倍频方波(j)。

Claims (6)

1.一种表面等离子体共振生化多通道外差相位检测方法，其特征在于该方法按如下步骤进行：

1)半导体激光器的工作温度控制在15-37℃的范围内；

2)所述的半导体激光器通以锯齿波电流，使它所发出的光的频率随锯齿波电流发生线性变化；

3)所述的调频光由保偏光纤定向耦合器经保偏光纤与自聚焦透镜耦合，经自聚焦透镜后变成平行光；

4)所述的平行光的一部分经自聚焦透镜的前端面反射，沿光纤原路返回，到达光电检测器，作为参考光；另一部分从自聚焦透镜的前端面射出，依次经过偏振片、透镜、棱镜和折射率油层后，会聚在多通道传感芯片的对应通道的玻璃基片与金膜之间的界面上；

5)所述的在传感芯片的对应通道的玻璃基片与金膜之间的界面上会聚的光从该界面反射，透过折射率油层和棱镜后投射到透镜上，经透镜的光变成平行光，接着投射到反射镜上；

6)所述的投射到反射镜上的平行光从反射镜上反射，再次通过透镜后射入棱镜，接着透过棱镜和折射率油层，会聚在前一次从自聚焦透镜前端面射出的光所射到的传感芯片的同一通道的玻璃基片与金膜之间界面的同一位置上，这时光先后两次射到传感芯片的同一通道的同一位置上；

7)所述的射到传感芯片的同一通道的玻璃基片与金膜之间界面的同一位置的光，由此反射，经过折射率油层和棱镜，沿入射时的原光路，依次通过透镜和偏振片后从自聚焦透镜的前端面射入，沿原光纤返回，到达参考光所到达的同一光电检测器，作为测量光；

8)所述的测量光与参考光之间存在光程差，在光电检测器上产生拍频信号；

9)所述的拍频信号的相位与测量光和参考光之间的相位差完全一致，当传感芯片表面发生生物分子相互作用时，由于光先后两次射到传感芯片的同一通道的同一位置上，测量光的相位先后两次发生急剧变化，生物分子相互作用不断进行，拍频信号的相位对应不断发生变化；通过信号处理单元不断检测拍频信号的相位变化就可知道测量光的相位变化过程，从而获得生物分子相互作用的相关信息。

2.按照权利要求1所述的表面等离子体共振生化多通道外差相位检测方法，其特征在于：所述的多通道传感芯片为1～8个通道。

3.按照权利要求1所述的表面等离子体共振生化多通道外差相位检测方法，其特征在于：步骤2)中所述的锯齿波电流的频率为5～50KHz。

4.一种实施如权利要求1所述方法的表面等离子体共振生化多通道外差相位检测系统，包括入射臂、生物传感单元、反射臂和信号处理单元，所述的生物传感单元包括棱镜(30)、折射率油层(31)、多通道芯片(32)以及置于多通道芯片下的样本池(17)；所述的入射臂置于生物传感单元的一侧，所述的反射臂位于与入射臂相对应的生物传感单元的另一侧，其特征在于：所述的入射臂包括多通道线性调频光纤外差干涉仪(64)、偏振片(24)和第1透镜(25)；所述的多通道线性调频光纤外差干涉仪共用一个半导体激光器(20)、每个通道还均包括保偏光纤定向耦合器(21)、保偏光纤(22)、自聚焦透镜(23)和光电检测器(28)；所述的保偏光纤定向耦合器通过保偏光纤，一端分别与所述的半导体激光器及光电检测器相连，另一端与所述的自聚焦透镜相连；所述的偏振片(24)和第1透镜(25)依次置于所述的线性调频光纤外差干涉仪和所述的生物传感单元(1)之间；所述的反射臂包括第2透镜(26)和反射镜(27)；所述的信号处理单元位于入射臂一侧，与所述的光电检测器(28)相连，依次包括信号处理电路(29)、计算机接口(15)和计算机(8)。

5.按照权利要求4所述的表面等离子体共振生化多通道外差相位检测系统，其特征在于：所述的第1透镜(25)和第2透镜(26)均采用焦距为20～60mm的聚焦透镜；所述的自聚焦透镜(23)的长度为1/4节距。

6.按照权利要求4或5所述的表面等离子体共振生化多通道外差相位检测系统，其特征在于：所述的生物传感单元中的棱镜(30)为直角、等边三角形或梯形棱镜；所述棱镜(30)、折射率油层(31)和多通道芯片(32)的光学玻璃基片的折射率相同，折射率为1.4～1.76。

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