CN214201183U - 一种基于手机的角度调制型spr检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于手机的角度调制型SPR检测装置，包括调制模块、检测模块、接收模块，调制模块包括第一透镜，调制模块用于收集手机屏幕发出的光并改变光的方向，以此光作为基于手机的角度调制型SPR检测装置的入射光，检测模块包括检测池、金属层、主棱镜，金属层设置在检测池上，主棱镜设置在金属层上，接收模块包括第二透镜、反射镜，入射光依次经过第一透镜、主棱镜、第二透镜、反射镜，第二透镜用于汇聚入射光，反射镜用于将入射光反射至手机摄像头。通过具体的光路设计，使手机屏幕发出的光能够用于SPR检测，从而使基于手机的角度调制型SPR检测装置适用于不同型号的手机，提高基于手机的角度调制型SPR检测装置的通用性。

Description

一种基于手机的角度调制型SPR检测装置

技术领域

本实用新型涉及传感器研究领域，特别是一种基于手机的角度调制型SPR检测装置。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmons Resonance，SPR)是一种物理光学现象，是用于表征表面折射率系数改变的一种光学技术，利用SPR技术可以实时观测分子之间的相互作用、薄膜形成等表面现象。表面等离子体(SP)指的是沿着金属和电介质间表面传播的电磁波。当两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜时，由全反射产生的倏逝波的P偏振分量进入金属薄膜，与金属薄膜中自由电子相互作用从而产生表面等离子体，在入射角或波长为某一适当值的情况下，表面等离子体与倏逝波发生共振，光能被吸收，使得反射光能量急剧下降。

SPR检测技术作为一种高精度、免标记、可实时响应的检测手段，已经被广泛应用于生命科学、生物学、药物学、分析化学等研究领域。由于SPR检测技术具有能够实时检测生物分子间相互作用、方便快捷、分辨率高于传统方法、无需标记样品、样品需要量少等特点，SPR检测技术广泛应用于蛋白质组学、细胞信号传导、受体/配体、抗体/抗原分子垂钓、免疫识别、癌症研究和新药筛选等生命科学领域，用于实时动态监测蛋白质/蛋白质、蛋白质/核酸、新药分子/靶蛋白等生物分子的相互作用过程。

从传感器结构上讲SPR传感器有三种耦合方式，分别是棱镜耦合、光纤耦合和光栅耦合，其中基于棱镜耦合方式的Kretschmann传感器结构由于具有制作简单、使用方便、传感芯片容易制备等优点，因此被广泛采用。从检测方式上讲SPR传感器有四种调制类型，分别是角度调制、波长调制、相位调制和强度调制。角度调制的原理是通过改变入射光与法线之间的角度并测量不同角度下对应的光强，可以得到一条角度扫描曲线，角度扫描曲线中光强最低点对应的角度称为SPR共振角，这个SPR共振角的大小与被测样品表面折射率系数的变化成正比。

传统的SPR测量仪器性能优良，具有非常高的检测精度和检测通道数，但仪器体积庞大，结构复杂且仪器价格高昂，其实际应用经常受到各种限制。近年来，个人智能手机的出现和普及为小型化便携式SPR检测仪器的发展提供了一种新途径。智能手机自身配备有多种传感器和接口，如多核处理器、前后高清摄像头和大面积触摸屏等，因而具有高清的图像采集和处理能力，以及优秀的人机交互界面。这些集成的功能模块使智能手机适用于光学信号的快速检测分析，可利用其进行光学和电学信号的传感和测量，实现集信号检测、数据处理和结果分析于一体的测量平台。此外，智能手机一般都具备开放性的操作系统，这些开放性的系统使开发者和用户能够在手机平台上根据应用的需求自主开发和安装应用程序，配合一定的传感器件设计，可以扩展智能手机的检测功能及应用，这样的检测设备能够有效提高系统的便携性和控制系统的成本。

现有技术中基于智能手机的SPR检测技术一般利用手机自带的闪光灯作为光源，或者通过手机的高清摄像头和高速处理器对光学信号进行采集、处理和分析。

2015年Kort Bremer研究小组基于SPR光谱检测原理，在智能手机平台上构建了光纤SPR 光谱传感系统。整个传感系统使用了手机闪光灯作为宽谱光源，SPR传感器采用光纤耦合结构，然后利用衍射光栅和摄像头组成的简易光谱仪来实现SPR光谱曲线的检测。这种传感系统可以测量SPR光谱曲线的微小偏移，但没有利用智能手机的运算性能，仅仅通过手机录下视频后通过Matlab进行数据处理，不能实现检测过程的实时监测。申请号为201810216384.9 的发明专利申请“基于表面等离子体共振的手机生化成像装置”同样也采用了手机闪光灯作为光源。

2017年Aykutlu Dana研究小组开发了一种基于智能手机的SPRi传感系统。该传感系统利用520nm的LED作为光源，光源发出的光经过准直、滤波和偏振后通过分束器照射到传感芯片的表面，SPR传感器采用了低成本蓝光光盘作为基底的光栅耦合传感器，从传感器反射回来的光由手机的后置摄像头进行采集。这种传感系统的优点是可以利用智能手机实现多个SPR通道信号的实时监测，但传感系统依赖于特定型号的手机，降低了检测设备的通用性。此外LED光源与手机相互独立，传感系统的集成度差，LED光源需要两节单独的AAA电池供电，当电池电压降低时会影响光源的稳定性，而且传感系统需要额外的蠕动泵来进样，这样不利于实现便携式移动分析检测。

总体来看，现有的基于智能手机检测的SPR传感系统严重依赖于特定型号的手机，降低了检测设备的通用性，而且无法实现角度调制方式的SPR信号检测。

实用新型内容

针对上述现有技术的现状，本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种基于手机的角度调制型SPR检测装置，基于手机的角度调制型SPR 检测装置能够适用于不同型号的手机。

根据本实用新型提供的基于手机的角度调制型SPR检测装置，包括调制模块、检测模块、接收模块，所述调制模块包括第一透镜，所述调制模块用于收集手机屏幕发出的光并改变光的方向，以此光作为基于手机的角度调制型SPR检测装置的入射光，所述检测模块包括检测池、金属层、主棱镜，所述金属层设置在所述检测池上，所述主棱镜设置在所述金属层上，所述接收模块包括第二透镜、反射镜，入射光依次经过所述第一透镜、所述主棱镜、所述第二透镜、所述反射镜，所述第二透镜用于汇聚入射光，所述反射镜用于将入射光反射至手机摄像头。

根据本实用新型提供的基于手机的角度调制型SPR检测装置，至少具有如下技术效果：通过具体的光路设计，使手机屏幕发出的光能够用于SPR检测，从而使基于手机的角度调制型SPR检测装置适用于不同型号的手机，提高基于手机的角度调制型SPR检测装置的通用性，基于手机的角度调制型SPR检测装置能够将手机作为光源和处理器，从而提高便携性，并显著降低制作成本，便于基于手机的角度调制型SPR检测装置的小型化、集成化和便携式检测应用。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一透镜采用平凸型柱面透镜，所述平凸型柱面透镜包括第二凸面区和第一平面区，入射光依次经过所述第一平面区和所述第二凸面区进入所述检测模块。

根据本实用新型的一些实施例，所述第二透镜采用双凸型柱面透镜，所述双凸型柱面透镜包括第三凸面区和第四凸面区，入射光依次经过所述第三凸面区和所述第四凸面区进入所述反射镜。

根据本实用新型的一些实施例，所述第二透镜采用圆柱形透镜。

根据本实用新型的一些实施例，基于手机的角度调制型SPR检测装置包括底座，所述调制模块、所述检测模块、所述接收模块设置在所述底座上，所述底座用于设置于手机上。

根据本实用新型的一些实施例，所述接收模块包括反射镜架，所述反射镜架可转动地设置所述底座上，所述反射镜设置在所述反射镜架上。

根据本实用新型的一些实施例，所述反射镜架开设有角度调节槽。

根据本实用新型的一些实施例，所述检测模块包括压块，所述压块设置在所述底座上，所述检测池、所述金属层、所述主棱镜设置在所述压块和所述底座之间，所述压块压住所述检测池。

根据本实用新型的一些实施例，所述压块通过螺纹连接设置在所述底座上。

根据本实用新型的一些实施例，所述检测模块包括密封条，所述密封条设置在所述检测池和所述金属层之间。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型提供的基于手机的角度调制型SPR检测装置的光路示意图；

图2是根据本实用新型提供的基于手机的角度调制型SPR检测装置的轴测图；

图3是根据本实用新型提供的基于手机的角度调制型SPR检测装置的轴测图

图4是根据本实用新型提供的基于手机的角度调制型SPR检测装置的剖面图。

附图标记：

第一透镜11、

检测池21、主棱镜22、压块23、

第二透镜31、反射镜32、反射镜架33、

底座41、摄像头42、光源43。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，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，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，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或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。

根据本实用新型提供的基于手机的角度调制型SPR检测装置，包括调制模块、检测模块、接收模块，调制模块包括第一透镜11，调制模块用于收集手机屏幕发出的光并改变光的方向，以此光作为基于手机的角度调制型SPR检测装置的入射光，检测模块包括检测池21、金属层、主棱镜22，金属层设置在检测池21上，主棱镜22设置在金属层上，接收模块包括第二透镜31、反射镜32，入射光依次经过第一透镜11、主棱镜22、第二透镜31、反射镜32，第二透镜31用于汇聚入射光，反射镜32用于将入射光反射至手机摄像头。

使用时，被测样品溶液注入检测池21中，手机屏幕的部分区域作为光源43，手机的摄像头42作为接收器，手机屏幕发出的入射光经过第一透镜11收集后进入主棱镜22，发生反射后由主棱镜22的另一侧射出，经过第二透镜31汇聚后照射到反射镜32上，最后由反射镜 32反射到手机的摄像头42中进行检测。

手机屏幕产生的是发散的单色波长光，因此入射光能够以不同入射角度射入检测模块，经过两次反射后由手机的摄像头42进行检测，摄像头42所检测到的图像中，在有光斑照射的区域内不同像素的位置与入射光的不同入射角度是一一对应的，因此实现了角度调制方式的SPR信号检测。

在现有技术中，一般是采用手机的闪光灯作为光源，采用摄像头采集入射光，由于不同型号的手机的闪光灯位置存在差异，闪光灯与摄像头的相对位置难以统一，因此现有的检测方案严重依赖于特定型号的手机，通用性差。并且在现有的技术方案中无法实现角度调制，例如在申请号为201810216384.9的发明专利申请“基于表面等离子体共振的手机生化成像装置”中，需要将入射角预先设置为SPR共振角才可以进行SPR检测，如果SPR共振角发生变化，例如改变了被测样品，就需要重新对装置进行调整，实用性差。

根据本实用新型提供的基于手机的角度调制型SPR检测装置，通过具体的光路设计，使手机屏幕发出的光能够用于SPR检测，从而使基于手机的角度调制型SPR检测装置适用于不同型号的手机，提高基于手机的角度调制型SPR检测装置的通用性，基于手机的角度调制型 SPR检测装置能够将手机作为光源和处理器，从而提高便携性，并显著降低制作成本，便于基于手机的角度调制型SPR检测装置的小型化、集成化和便携式检测应用。采用角度调制方式也能够提高基于手机的角度调制型SPR检测装置的灵敏度。

由于手机屏幕的面积较大，光源43的位置可以在手机屏幕的范围内调整，因此基于手机的角度调制型SPR检测装置能够用在不同型号、不同大小的手机上。

检测模块可以采用Kretschmann传感器结构，样品放置在金属层和检测池21之间。偏振的入射光照射到金属层上，每一束入射光的入射角不同，从而实现在一定角度范围内的角度扫描。在一些实施例中，金属层的厚度为50nm，金属层和主棱镜22之间通过匹配液耦合在一起，匹配液能够填补接触面的缝隙，提高基于手机的角度调制型SPR检测装置的精确度。金属层的材料可以采用金、银等材料。

根据本实用新型的一些实施例，第一透镜11采用平凸型柱面透镜，平凸型柱面透镜包括第二凸面区和第一平面区，入射光依次经过第一平面区和第二凸面区进入检测模块。平凸型柱面透镜具有汇聚效果，能够对来自光源43的入射光进行调整。如图1所示，光源43发出的发散光经过第一透镜11的汇聚，以合适的宽度和角度进入检测模块，照射到金属层上。

根据本实用新型的一些实施例，第二透镜31采用双凸型柱面透镜，双凸型柱面透镜包括第三凸面区和第四凸面区，入射光依次经过第三凸面区和第四凸面区进入反射镜32。入射光在经过金属层的反射后会发散，双凸型柱面透镜能够汇聚入射光。在一些实施例中，第二透镜31采用圆柱形透镜。如图1所示，入射光由第三凸面区射入圆柱形透镜，由第四凸面区射出，通过调节第二透镜31的参数，能够将入射光调整至合适的大小，最终经过反射镜32的反射射入手机的摄像头42。

根据本实用新型的一些实施例，基于手机的角度调制型SPR检测装置包括底座41，调制模块、检测模块、接收模块设置在底座41上，底座41用于设置于手机上。使用时，将底座41放置在手机的屏幕上，调整底座41的位置使反射镜32对准手机的摄像头42，控制手机屏幕的特定区域发光，即可进行SPR检测。在一些实施例中，底座41上成型有若干个凸起的定位块，定位块使第一透镜11、第二透镜31稳定地设置在底座41上。

在一些实施例中，接收模块包括反射镜架33，反射镜架33可转动地设置底座41上，反射镜32设置在反射镜架33上。通过调节反射镜32的角度，能够对光路进行调整，保证入射光能够顺利地反射进入摄像头42。在一些实施例中，反射镜架33开设有角度调节槽。角度调节槽能够便于调节反射镜32的角度。例如如图3、图4所示，反射镜架33插设在底座41 上，反射镜架33的两端各开设有一个角度调节槽，需要调节角度时，可以将螺丝刀等工具插入角度调节槽中，方便地旋转反射镜架33。反射镜架33可以通过螺纹连接方式或者销孔连接方式与底座41配合，例如如图3所示，反射镜架33通过销孔连接方式与底座41配合，基于手机的角度调制型SPR检测装置设置有两个用于固定反射镜架33的螺钉，螺钉压紧反射镜架33。

根据本实用新型的一些实施例，检测模块包括压块23，压块23设置在底座41上，检测池21、主棱镜22设置在压块23和底座41之间，压块23压住检测池21。压块23一方面起到固定作用，另一方面压块23的压紧力能够提高主棱镜22和检测池21之间的贴合效果，提高SPR检测的准确度。在一些实施例中，压块23通过螺纹连接设置在底座41上。如图2所示，压块23的两端开设通孔，两个螺钉将压块23固定住，通过调节螺钉的松紧，可以调整压紧力的大小，避免过松降低SPR检测的准确度，避免过紧使主棱镜22承受过大的应力。在一些实施例中，检测模块包括密封条，密封条设置在检测池21和金属层之间。密封条能够提高密封效果，减少被测样品溶液泄漏。

下面参考图1、图2、图3、图4以一个具体的实施例详细描述根据本实用新型提供的基于手机的角度调制型SPR检测装置。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对实用新型的具体限制。

基于手机的角度调制型SPR检测装置包括底座41、调制模块、检测模块、接收模块。调制模块、检测模块、接收模块设置在底座41上，底座41用于放置在手机上。底座成型有若干个凸起的定位块。

调制模块包括第一透镜11，第一透镜11采用平凸型柱面透镜，平凸型柱面透镜包括第二凸面区和第一平面区。第一透镜11通过固定块定位，通过螺钉压紧固定在底座41上。

检测模块包括检测池21、金属层、主棱镜22，金属层设置在检测池21上，金属层的厚度为50nm，样品放置在金属层和检测池21之间，主棱镜22采用长方体棱镜，主棱镜22放置在底座41上，金属层设置在主棱镜22的顶面，金属层和主棱镜22之间通过匹配液耦合在一起。检测模块包括压块23，压块23通过螺钉设置在底座41上，压块23压住检测池21。检测模块包括密封条，密封条设置在检测池21和金属层之间。入射光通过主棱镜22照射到金属层的表面，入射光被金属层反射，入射光通过主棱镜22进入接收模块。

接收模块包括第二透镜31、反射镜32，第二透镜31采用圆柱形透镜，入射光经过第二透镜31汇聚后照射到反射镜32上。反射镜32设置在反射镜架33上，反射镜架33可转动地插设在底座41上，并通过螺钉压紧反射镜架33，反射镜架33的两端各开设有一个角度调节槽。入射光经过反射镜32的反射射入摄像头42。

使用时，将底座41放置在手机的面板上，调整底座41的位置使反射镜32对准手机的摄像头42，控制手机屏幕的特定区域发出单色的发散光作为入射光，例如红色光或绿色光，入射光射入金属层发生反射，最终进入摄像头42。

根据本实用新型实施例的基于手机的角度调制型SPR检测装置，通过采用以上的设计，至少可以实现这样一些功能：通过具体的光路设计，使手机屏幕发出的光能够用于角度调制型SPR检测，从而使基于手机的角度调制型SPR检测装置适用于不同型号的手机，提高基于手机的角度调制型SPR检测装置的通用性。

基于手机的角度调制型SPR检测装置能够将手机作为光源和处理器，从而提高便携性，并显著降低制作成本，便于基于手机的角度调制型SPR检测装置的小型化、集成化和便携式检测应用。采用角度调制方式也能够提高基于手机的角度调制型SPR检测装置的灵敏度。

通过调整反射镜32的偏转位置，保证从反射镜32反射出来的光顺利进入手机摄像头42 中。角度调节槽能够便于调节反射镜32的角度。压块23的压紧力能够提高主棱镜22和检测池21之间的贴合效果，提高SPR检测的准确度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于手机的角度调制型SPR检测装置，其特征在于，包括：

调制模块，所述调制模块包括第一透镜(11)，所述调制模块用于收集手机屏幕发出的光并改变光的方向，以此光作为基于手机的角度调制型SPR检测装置的入射光；

检测模块，所述检测模块包括检测池(21)、金属层、主棱镜(22)，所述金属层设置在所述检测池(21)上，所述主棱镜(22)设置在所述金属层上；

接收模块，所述接收模块包括第二透镜(31)、反射镜(32)，入射光依次经过所述第一透镜(11)、所述主棱镜(22)、所述第二透镜(31)、所述反射镜(32)，所述第二透镜(31)用于汇聚入射光，所述反射镜(32)用于将入射光反射至手机的摄像头(42)。

2.根据权利要求1所述的基于手机的角度调制型SPR检测装置，其特征在于：所述第一透镜(11)采用平凸型柱面透镜，所述平凸型柱面透镜包括第二凸面区和第一平面区，入射光依次经过所述第一平面区和所述第二凸面区进入所述检测模块。

3.根据权利要求1所述的基于手机的角度调制型SPR检测装置，其特征在于：所述第二透镜(31)采用双凸型柱面透镜，所述双凸型柱面透镜包括第三凸面区和第四凸面区，入射光依次经过所述第三凸面区和所述第四凸面区进入所述反射镜(32)。

4.根据权利要求3所述的基于手机的角度调制型SPR检测装置，其特征在于：所述第二透镜(31)采用圆柱形透镜。

5.根据权利要求1所述的基于手机的角度调制型SPR检测装置，其特征在于：基于手机的角度调制型SPR检测装置包括底座(41)，所述调制模块、所述检测模块、所述接收模块设置在所述底座(41)上，所述底座(41)用于设置于手机上。

6.根据权利要求5所述的基于手机的角度调制型SPR检测装置，其特征在于：所述接收模块包括反射镜架(33)，所述反射镜架(33)可转动地设置所述底座(41)上，所述反射镜(32)设置在所述反射镜架(33)上。

7.根据权利要求6所述的基于手机的角度调制型SPR检测装置，其特征在于：所述反射镜架(33)开设有角度调节槽。

8.根据权利要求5所述的基于手机的角度调制型SPR检测装置，其特征在于：所述检测模块包括压块(23)，所述压块(23)设置在所述底座(41)上，所述检测池(21)、所述金属层、所述主棱镜(22)设置在所述压块(23)和所述底座(41)之间，所述压块(23)压住所述检测池(21)。

9.根据权利要求8所述的基于手机的角度调制型SPR检测装置，其特征在于：所述压块(23)通过螺纹连接设置在所述底座(41)上。

10.根据权利要求8所述的基于手机的角度调制型SPR检测装置，其特征在于：所述检测模块包括密封条，所述密封条设置在所述检测池(21)和所述金属层之间。

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