CN214472762U - 基于dmd的角度调制型spr传感器及spr检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于DMD的角度调制型SPR传感器及SPR检测设备，包括发射模块、调制模块、检测模块、第一接收模块，发射模块包括光源，发射模块用于产生检测光，调制模块包括数字微镜器件、聚焦透镜，数字微镜器件用于反射检测光，检测模块包括检测池、金属层、棱镜，金属层设置在检测池上，棱镜设置在金属层上，第一接收模块包括第一接收器，检测光依次通过数字微镜器件、聚焦透镜、检测模块进入第一接收模块。通过采用数字微镜器件进行角度调制，数字微镜器件包括由若干个微镜组成的反射阵列，微镜能够快速地切换开关状态，数字微镜器件能够提高基于DMD的角度调制型SPR传感器的角度调制速度。

Description

基于DMD的角度调制型SPR传感器及SPR检测设备

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DMD的角度调制型SPR传感器及SPR 检测设备。

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、相位调制和强度调试，其中角度调制的检测方式由于具有光学结构简单、易于实现、检测灵敏度高等优点，被广泛采用。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。

现有技术的角度调制型SPR传感器一般采用机械扫描方式、振镜扫描方式和光束汇聚方式三种方式实现角度调制。机械扫描方式的缺点是角度分辨率不高，且扫描速度比较慢，不利于快速、实时检测；振镜扫描方式相对于机械扫描方式可以明显提高扫描速度，但对入射角度的控制与光学信号采集之间的同步性要求很高，而且角度扫描范围越大、角度分辨率越高，测量的时间分辨率就越低；光束聚焦方式的优点是可以一次检测出角度范围内的所有光强数据，但一般需要采用线阵CCD或面阵CCD检测器，由于检测面积有限，所以角度分辨率不高，且检测光强信号的动态范围较窄。

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DMD的角度调制型SPR传感器及SPR检测设备，基于DMD的角度调制型SPR传感器能够提高角度调制的速度。

根据本实用新型提供的基于DMD的角度调制型SPR传感器，包括发射模块、调制模块、检测模块、第一接收模块，所述发射模块包括光源，所述发射模块用于产生检测光，检测光为水平偏振状态的准直光束，所述调制模块包括数字微镜器件、聚焦透镜，所述数字微镜器件用于反射检测光，所述数字微镜器件包括若干个用于角度调制的微镜，所述检测模块包括检测池、金属层、棱镜，所述金属层设置在所述检测池上，所述棱镜设置在所述金属层上，所述第一接收模块包括第一接收器，检测光依次通过所述数字微镜器件、所述聚焦透镜、所述检测模块进入所述第一接收模块。

根据本实用新型提供的基于DMD的角度调制型SPR传感器，至少具有如下技术效果：通过采用数字微镜器件进行角度调制，由于数字微镜器件包括由若干个微镜组成的反射阵列，每个微镜能够快速地切换开关状态，通过对数字微镜器件中不同行、列微镜的分时驱动控制实现角度扫描，利用数字微镜器件能够提高基于DMD的角度调制型SPR传感器的角度调制速度。

根据本实用新型的一些实施例，所述金属层和所述检测池之间形成若干个样品通道。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一接收器采用单点检测器。

根据本实用新型的一些实施例，所述第一接收模块包括第一准直透镜和第一汇聚透镜，经过所述检测模块的检测光依次经过所述第一准直透镜和所述第一汇聚透镜进入所述第一接收器。

根据本实用新型的一些实施例，基于DMD的角度调制型SPR传感器包括第二接收模块，所述第二接收模块包括第二接收器，所述调制模块包括分束器，所述分束器用于将检测光分为至少两束，其中一束检测光进入所述检测模块，另外一束检测光进入所述第二接收模块。

根据本实用新型的一些实施例，所述第二接收器采用单点检测器。

根据本实用新型的一些实施例，所述第二接收模块包括第二汇聚透镜，所述分束器设置在所述数字微镜器件和所述聚焦透镜之间，经过所述分束器的一束检测光经过所述第二汇聚透镜进入所述第二接收器。

根据本实用新型的一些实施例，所述发射模块包括第二光阑、偏振片，所述光源发出的检测光依次经过所述第二光阑和所述偏振片进入所述调制模块，所述第二光阑用于选取处于一定角度范围的检测光，所述偏振片用于偏振检测光。

根据本实用新型的一些实施例，所述光源采用LED灯，所述发射模块包括第一光阑、第二准直透镜，所述LED灯发出的检测光依次经过所述第一光阑和所述第二准直透镜进入所述第二光阑。

根据本实用新型提供的SPR检测设备，包括本实用新型提供的基于DMD的角度调制型 SPR传感器。

根据本实用新型提供的SPR检测设备，至少具有如下技术效果：通过采用数字微镜器件进行角度调制，由于数字微镜器件包括由若干个微镜组成的反射阵列，每个微镜能够快速地切换开关状态，通过对数字微镜器件中不同行、列微镜的分时驱动控制实现角度扫描，利用数字微镜器件能够提高基于DMD的角度调制型SPR传感器的角度调制速度。

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DMD的角度调制型SPR传感器的示意图；

图2是根据本实用新型提供的检测模块的示意图；

图3是根据本实用新型提供的样品通道的示意图。

附图标记：

光源11、第二光阑12、偏振片13、第一光阑14、第二准直透镜15、

数字微镜器件21、聚焦透镜22、分束器23、

检测池31、金属层32、棱镜33、

第一接收器41、第一准直透镜42、第一汇聚透镜43、

第二接收器51、第二汇聚透镜53。

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DMD的角度调制型SPR传感器，包括发射模块、调制模块、检测模块、第一接收模块，发射模块包括光源11，发射模块用于产生检测光，检测光为带有偏振的准直光束，调制模块包括数字微镜器件21、聚焦透镜22，数字微镜器件21用于反射检测光，数字微镜器件21包括若干个用于角度调制的微镜，检测模块包括检测池31、金属层32、棱镜33，金属层32设置在检测池31上，棱镜33设置在金属层32上，第一接收模块包括第一接收器41，检测光依次通过数字微镜器件21、聚焦透镜22、检测模块进入第一接收模块。

数字微镜器件21(Digital Micromirror Device，DMD)是一种空间光调制器件，由数百万个可独立控制的高速数字式光反射开关组成，每个光反射开关都包括一个微镜，微镜具有两个稳定的工作状态，工作状态由微镜的几何结构和静电特性决定，两个工作状态分别对应微镜的打开和关闭，微镜打开时入射光能够反射至目标位置，微镜关闭时入射光无法反射至目标位置，微镜能够在两个状态之间来回偏转，从而实现单个像素点的光开关控制功能。

使用时，通过有选择地打开或关闭数字微镜器件21的微镜行或者微镜列，调节数字微镜器件21反射的检测光射入金属层32时与法线之间的角度，依次开启微镜行或者微镜列，即可以实现角度范围内的角度扫描，从而实现表面等离子共振的检测光的角度调制。

根据本实用新型提供的基于DMD的角度调制型SPR传感器，通过设置数字微镜器件21，数字微镜器件21能够快速地改变微镜的工作状态，从而提高基于DMD的角度调制型SPR传感器的角度调制速度。此外，使用数字微镜器件21进行角度调制，在调节角度时基于DMD的角度调制型SPR传感器的部件不需要活动，各个部件的位置可以保持相对固定，能够避免因部件活动产生的误差。

检测模块采用Kretschmann传感器结构，样品放置在金属层32和检测池31之间，偏振的检测光通过棱镜33照射到金属层32上，通过改变入射光的入射角激发表面等离子共振现象。棱镜33可以采用半圆柱形棱镜或者等腰三角形棱镜，例如在一些实施例中，如图1所示，棱镜33采用半圆柱形棱镜，半圆柱形棱镜能够使检测光垂直地入射和出射，避免检测光在棱镜33表面的折射。在一些实施例中，金属层32的厚度为50nm，金属层32和棱镜33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DMD的角度调制型SPR传感器的精确度。在一些实施例中，金属层32和检测池31之间通过密封件进行密封，能够起到保护样品的作用，当样品是液态时还能够避免泄漏。

根据本实用新型的一些实施例，金属层32和检测池31之间形成若干个样品通道。若干个样品通道使得基于DMD的角度调制型SPR传感器能够实现多通道的表面等离子共振检测。例如如图3所示，检测池中并排地设置若干个样品通道，相应地将数字微镜器件21在水平或垂直方向划分成多个区域，每个区域对应一个通道，通过各个区域的微镜的打开或关闭，实现各个通道的角度调制。

在一些现有技术中，基于DMD的角度调制型SPR传感器采用CCD传感器 (Charge-Coupled Device，电荷耦合器件)，CCD传感器的成本较高。根据本实用新型的一些实施例，第一接收器41采用单点检测器。单点检测器可以是光电管、光电二极管、硅光电池等单通道传感器。单点检测器可以提高光强度信号的动态测量范围和信噪比，还能够降低基于DMD的角度调制型SPR传感器的成本。

在一些实施例中，第一接收模块包括第一准直透镜42和第一汇聚透镜43，经过检测模块的检测光依次经过第一准直透镜42和第一汇聚透镜43进入第一接收器41。如图1所示，发散的检测光经过第一准直透镜42成为准直光束，第一汇聚透镜43将检测光汇聚到单点检测器上。

根据本实用新型的一些实施例，基于DMD的角度调制型SPR传感器包括第二接收模块，第二接收模块包括第二接收器51，调制模块包括分束器23，分束器23用于将检测光分为至少两束，其中一束检测光进入检测模块，另外一束检测光进入第二接收模块。第二接收模块作为参考，将第一接收器41、第二接收器51的测量结果的比值作为最终的响应结果，可以消除光源波动、外界噪声等因素对测量结果的影响，提高基于DMD的角度调制型SPR传感器的检测精度。

在一些实施例中，第二接收器51采用单点检测器。在一些实施例中，第二接收模块包括第二汇聚透镜53，分束器23设置在数字微镜器件21和聚焦透镜22之间，经过分束器23的一束检测光经过第二汇聚透镜53进入第二接收器51。例如如图1所述，分束器23可以设置有半透半反反射镜，数字微镜器件21反射的检测光穿过分束器23最终进入第一接收器41，数字微镜器件21反射的检测光经过分束器23的反射最终进入第二接收器51。

根据本实用新型的一些实施例，发射模块包括第二光阑12、偏振片13，光源11发出的检测光依次经过第二光阑12和偏振片13进入调制模块，第二光阑12用于选取处于一定角度范围的检测光，偏振片13用于偏振检测光。在一些实施例中，光源11采用LED灯，发射模块包括第一光阑14、第二准直透镜15，LED灯发出的检测光依次经过第一光阑14和第二准直透镜15进入第二光阑12。如图1所述，第一光阑14为小孔光阑，第一光阑14能够筛选 LED灯发出的光线，使通过第一光阑14的检测光更加近似于点光源发出的光线，第二准直透镜15将发散的检测光变为准直光束，然后通过第二光阑12的选取和偏振片13的偏振，最终得到带有偏振的准直光束。

根据本实用新型提供的SPR检测设备，包括本实用新型提供的基于DMD的角度调制型 SPR传感器。

根据本实用新型提供的SPR检测设备，通过采用本实用新型提供的基于DMD的角度调制型SPR传感器，使用数字微镜器件21进行角度调制，能够提高角度调制速度。基于DMD的角度调制型SPR传感器的各个部件的位置可以保持相对固定，能够避免因部件活动产生的误差，还能够便于实现基于DMD的角度调制型SPR传感器在SPR检测设备中的一体化集成。

下面参考图1、图2、图3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DMD 的角度调制型SPR传感器。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DMD的角度调制型SPR传感器包括发射模块、调制模块、检测模块、第一接收模块、第二接收模块。

发射模块包括光源11、第二光阑12、偏振片13、第一光阑14、第二准直透镜15，发射模块用于产生检测光，检测光为带有偏振的准直光束。光源11采用LED灯，第一光阑14采用小孔光阑，第二光阑12用于选取处于一定角度范围的检测光，光源11发出的检测光依次经过第一光阑14、第二准直透镜15、第二光阑12、偏振片13进入调制模块。

调制模块包括数字微镜器件21、聚焦透镜22、分束器23，分束器23设置在数字微镜器件21和聚焦透镜22之间，数字微镜器件21用于反射检测光，数字微镜器件21上划分有四个区域。发射模块发出的检测光经过数字微镜器件21，随后被分束器23分为两束，其中一束检测光经过聚焦透镜22进入检测模块，另外一束检测光进入第二接收模块。

检测模块包括检测池31、金属层32、棱镜33，金属层32设置在检测池31上，金属层32的厚度为50nm，金属层32和检测池31之间形成四干个样品通道，样品通道与数字微镜器件21的区域配置设置，样品放置在样品通道内，棱镜33采用半圆柱形棱镜，棱镜33设置在金属层32上，金属层32和棱镜33之间通过匹配液耦合在一起。检测光通过棱镜33照射到金属层32的表面，检测光被金属层32反射，检测光通过棱镜进入第一接收模块。

第一接收模块包括第一接收器41、第一准直透镜42、第一汇聚透镜43，经过检测模块的检测光依次经过第一准直透镜42和第一汇聚透镜43进入第一接收器41。第一接收器41采用单点检测器。

第二接收模块包括第二接收器51、第二汇聚透镜53，经过分束器23的一束检测光经过第二汇聚透镜53进入第二接收器51。第二接收器51采用单点检测器。

根据本实用新型实施例的基于DMD的角度调制型SPR传感器，通过采用以上的设计，至少可以实现这样一些功能：通过设置数字微镜器件21，数字微镜器件21能够快速地改变微镜的工作状态，从而提高基于DMD的角度调制型SPR传感器的角度调制速度。此外，使用数字微镜器件21进行角度调制，在调节角度时基于DMD的角度调制型SPR传感器的部件不需要活动，各个部件的位置可以保持相对固定，能够避免因部件活动产生的误差。

基于DMD的角度调制型SPR传感器能够实现多通道检测，提高检测的灵活性和效率。

第二接收模块作为参考，将第一接收器41、第二接收器51的测量结果的比值作为最终的响应结果，可以消除光源波动、外界噪声等因素对测量结果的影响，提高基于DMD的角度调制型SPR传感器的检测精度。

单点检测器可以提高光强度信号的动态测量范围和信噪比，还能够降低基于DMD的角度调制型SPR传感器的成本。

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)

1.一种基于数字微镜器件的角度调制型SPR传感器，其特征在于，包括：

发射模块，所述发射模块包括光源(11)，所述发射模块用于产生检测光，检测光为水平偏振状态的准直光束；

调制模块，所述调制模块包括数字微镜器件(21)、聚焦透镜(22)，所述数字微镜器件(21)用于反射检测光，所述数字微镜器件(21)包括若干个用于角度调制的微镜；

检测模块，所述检测模块包括检测池(31)、金属层(32)、棱镜(33)，所述金属层(32)设置在所述检测池(31)上，所述棱镜(33)设置在所述金属层(32)上；

第一接收模块，所述第一接收模块包括第一接收器(41)，检测光依次通过所述数字微镜器件(21)、所述聚焦透镜(22)、所述检测模块进入所述第一接收模块。

2.根据权利要求1所述的基于数字微镜器件的角度调制型SPR传感器，其特征在于：所述金属层(32)和所述检测池(31)之间形成若干个样品通道。

3.根据权利要求1或2所述的基于数字微镜器件的角度调制型SPR传感器，其特征在于：所述第一接收器(41)采用单点检测器。

4.根据权利要求3所述的基于数字微镜器件的角度调制型SPR传感器，其特征在于：所述第一接收模块包括第一准直透镜(42)和第一汇聚透镜(43)，经过所述检测模块的检测光依次经过所述第一准直透镜(42)和所述第一汇聚透镜(43)进入所述第一接收器(41)。

5.根据权利要求1或2所述的基于数字微镜器件的角度调制型SPR传感器，其特征在于：基于数字微镜器件的角度调制型SPR传感器包括第二接收模块，所述第二接收模块包括第二接收器(51)，所述调制模块包括分束器(23)，所述分束器(23)用于将检测光分为至少两束，其中一束检测光进入所述检测模块，另外一束检测光进入所述第二接收模块。

6.根据权利要求5所述的基于数字微镜器件的角度调制型SPR传感器，其特征在于：所述第二接收器(51)采用单点检测器。

7.根据权利要求6所述的基于数字微镜器件的角度调制型SPR传感器，其特征在于：所述第二接收模块包括第二汇聚透镜(53)，所述分束器(23)设置在所述数字微镜器件(21)和所述聚焦透镜(22)之间，经过所述分束器(23)的一束检测光经过所述第二汇聚透镜(53)进入所述第二接收器(51)。

8.根据权利要求1所述的基于数字微镜器件的角度调制型SPR传感器，其特征在于：所述发射模块包括第二光阑(12)、偏振片(13)，所述光源(11)发出的检测光依次经过所述第二光阑(12)和所述偏振片(13)进入所述调制模块，所述第二光阑(12)用于选取处于一定角度范围的检测光，所述偏振片(13)用于偏振检测光。

9.根据权利要求8所述的基于数字微镜器件的角度调制型SPR传感器，其特征在于：所述光源(11)采用LED灯，所述发射模块包括第一光阑(14)、第二准直透镜(15)，所述LED灯发出的检测光依次经过所述第一光阑(14)和所述第二准直透镜(15)进入所述第二光阑(12)。

10.一种SPR检测设备，其特征在于：SPR检测设备包括如权利要求1至9任一项所述的基于数字微镜器件的角度调制型SPR传感器。

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