CN215833252U - 一种基于数字微镜器件的波长调制型spr传感器及spr检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出一种基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器及SPR检测设备，包括发射端、检测模块、接收端和滤光片，发射端包括光源，发射端用于产生检测光，检测光为平行光，检测模块包括检测池，检测池上设置有金属层和棱镜，接收端包括分光器、数字微镜器件和接收器，检测模块反射的检测光依次经过分光器和数字微镜器件进入接收器，数字微镜器件包括微镜，多个微镜阵列设置，各个微镜能够独立打开或关闭，微镜用于反射检测光。经过分光后的检测光射入数字微镜器件，数字微镜器件将不同波长的检测光依次反射至接收器，通过使用数字微镜器件进行波长调制，能够提高波长调制的分辨率。

Description

一种基于数字微镜器件的波长调制型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，特别是一种基于数字微镜器件的波长调制型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、相位调制和强度调制，波长调制检测方式具有如仪器结构简单、折射率测量范围宽、便于与其他检测技术进行联用等优点。波长调制的原理是测量不同波长下对应的光强信号，可以得到一条波长扫描曲线，波长扫描曲线中光强最低点对应的波长称为SPR共振峰，这个SPR共振峰的大小与被测样品溶液的折射率大小成正比。

波长调制型检测装置一般有两种结构，第一种结构中入射光是宽带光源，通过液晶可调谐滤波系统(LCTF)或其它单色器实现波长扫描，并测量不同波长下对应的光强信号，可以得到一条波长扫描曲线。另外一种结构同样采用宽带光源，与前面结构不同之处在于整个装置中没有单色器，通过在接收端利用光谱仪或其它具有分光检测功能的部件实现不同波长的光强信号检测，这样可以利用商品化的光谱模块进行仪器的快速搭建。

对于第一种检测装置结构，由于包含液晶可调谐滤波系统(LCTF)或其它单色器，导致仪器光学系统比较复杂，且仪器价格比较昂贵，波长扫描范围也会受到限制；第二种检测装置结构采用光谱仪实现SPR光谱曲线检测，由于光谱仪采用线阵CCD作为光学检测器，存在光信号测量信噪比低、动态测量范围窄、像素间存在串扰等缺点，导致SPR信号测量分辨率不高。

发明内容

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数字微镜器件的波长调制型SPR传感器及SPR检测设备，基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器能够提高波长调制的分辨率。

根据本实用新型提供的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，包括发射端、检测模块和接收端，所述发射端包括光源，所述发射端用于产生检测光，检测光为平行光，所述检测模块包括检测池，所述检测池上设置有金属层和棱镜，所述接收端包括分光器、数字微镜器件和接收器，所述检测模块反射的检测光依次经过所述分光器和所述数字微镜器件进入所述接收器，所述数字微镜器件包括微镜，多个所述微镜阵列设置，各个所述微镜能够独立打开或关闭，所述微镜用于反射检测光。

根据本实用新型提供的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，至少具有如下技术效果：经过分光后的检测光射入数字微镜器件，数字微镜器件将不同波长的检测光依次反射至接收器，通过使用数字微镜器件进行波长调制，能够提高波长调制的分辨率。

根据本实用新型的一些实施例，基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器包括滤光片，所述滤光片设置在所述数字微镜器件的光路前，所述滤光片用于滤去一定波长的检测光。根据本实用新型的一些实施例，所述分光器采用衍射光栅。

根据本实用新型的一些实施例，所述接收端包括汇聚透镜和聚焦透镜，所述数字微镜器件反射的检测光依次经过所述汇聚透镜和所述聚焦透镜进入所述接收器。

根据本实用新型的一些实施例，所述接收器采用单点检测器。

根据本实用新型的一些实施例，所述发射端包括偏振片。

根据本实用新型的一些实施例，所述发射端包括准直透镜，所述光源发射的检测光依次经过所述准直透镜和所述偏振片进入所述检测模块。

根据本实用新型的一些实施例，所述准直透镜和所述偏振片的光路之间设置有光阑。

根据本实用新型的一些实施例，所述光源包括LED灯和小孔光阑。

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数字微镜器件的波长调制型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：通过使用本实用新型提供的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，能够提高SPR检测设备的波长调制分辨率。

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数字微镜器件的波长调制型SPR传感器的示意图。

附图标记：

光源11、准直透镜12、光阑13、偏振片14、

检测池21、金属层22、棱镜23、

滤光片31、分光器32、汇聚透镜33、数字微镜器件34、聚焦透镜35、接收器36。

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数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，包括发射端、检测模块和接收端，发射端包括光源11，发射端用于产生检测光，检测光为平行光，检测模块包括检测池21，检测池21上设置有金属层22和棱镜23，接收端包括分光器32、数字微镜器件34和接收器36，检测模块反射的检测光依次经过分光器32和数字微镜器件34进入接收器36，，数字微镜器件34包括微镜，多个微镜阵列设置，各个微镜能够独立打开或关闭，微镜用于反射检测光。

经过分光器32分光后的检测光照射在数字微镜器件34的表面，此时的检测光包含了多束单个波长的单色光，不同波长的单色光照射在不同的微镜上，数字微镜器件34包括众多的微镜，数字微镜器件34能够通过电脉冲高速地实现微镜的状态切换，当某一个微镜处于打开状态时，照射至该微镜所在位置的单色光被反射至接收器36，当微镜关闭时，单色光无法反射至接收器。通过控制各个微镜的开关，使得不同波长的单色光依次射入接收器36，从而获得波长调制的SPR扫描曲线。一般的数字微镜器件34的微镜反应速度能达到微秒数量级，微镜数量能达到百万数量级，例如一块1024分辨率(1024*768)的数字微镜器件34具有约78万块微镜，而1080分辨率、2k分辨率、4k分辨率的数字微镜器件34具有更多的微镜数量。

对于采用线阵CCD作为光学检测器的波长调制结构，由于不同波长的单色光同时射入线阵CCD的接收面，像素间存在串扰，因此分辨率有所降低。对于采用单色器选择单色光的波长调制结构，由于单色器的选择速度较慢，扫描曲线的绘制时间较长。

根据本实用新型提供的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，通过使用数字微镜器件34进行波长调制，微镜控制不同波长的单色光依次射入接收器36，避免单色光之间的串扰，能够提高波长调制的分辨率，微镜的数量众多，起到了进一步提高分辨率的效果，微镜的响应速度块，能够提高扫描曲线的绘制速度。。

根据本实用新型的一些实施例，基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器包括滤光片31，滤光片31设置在数字微镜器件34的光路前，滤光片31用于滤去一定波长的检测光。滤光片31一方面能够对检测光的波长范围进行选择，从而在合适的范围内进行SPR测试，另一方面还能够缩小射入数字微镜器件34的检测光的带宽，从而提高波长调制的分辨率。

可以理解的是，每一个微镜对应理想扫描曲线中的一个采样点，通过连接多个采样点获得实际的扫描曲线，扫描曲线的拟合精度与采样点的数量以及采样的范围存在相关关系。因而波长调制的分辨率与数字微镜器件34具有的微镜数量以及射入数字微镜器件34的检测光的带宽相关。但是增加微镜数量只能线性地提高分辨率，而缩小检测光的带宽能够比例地提高分辨率。因此，相比于增加微镜数量，设置滤光片31能够更高效地提高分辨率。

在一些实施例中，滤光片31设置在检测模块和分光器32的光路之间。在一些实施例中，分光器32采用衍射光栅。

根据本实用新型的一些实施例，接收端包括汇聚透镜33和聚焦透镜35，数字微镜器件34反射的检测光依次经过汇聚透镜33和聚焦透镜35进入接收器36。在一些实施例中，接收器36采用单点检测器。汇聚透镜33和聚焦透镜35能够将检测光汇聚至单点检测器，单点检测器检测光强波动从而绘制出扫描曲线。相比于线阵检测器和面阵检测器，单点检测器具有光强检测范围较宽、信噪比较高、仪器成本较低等优点，能够节约成本并提高检测效果。

单点检测器可以采用光电二极管、光电倍增管或者其它具体结构。可以理解的是，接收器36当然也可以使用线阵检测器或面阵检测器，例如线阵CCD或面阵CCD。

根据本实用新型的一些实施例，发射端包括偏振片14。偏振片14用于偏振检测光，在一些实施例中，发射端包括准直透镜12，光源11发射的检测光依次经过准直透镜12和偏振片14进入检测模块。准直透镜12能够使检测光变为准直光，由于某些规格的偏振片14的入射角度范围较窄，在偏振片14的前端设置准直透镜12对检测光进行处理能够增大偏振片14的选用范围。

在一些实施例中，准直透镜12和偏振片14的光路之间设置有光阑13。光阑13的作用是控制准直光光束的大小，从而调节照射到金属层22光斑区域检测光的大小，使检测光准确照射至待检测区域，避免多余的检测光对检测造成干扰。当然，光阑13也可以设置在光路的其它位置。

可以理解的是，检测模块采用Kretschmann传感器结构，样品放置在金属层22和检测池21之间，检测光通过棱镜23照射到金属层22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23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23采用半圆柱形棱镜，聚焦透镜24配合半圆柱形棱镜，能够使检测光垂直地入射和出射，避免检测光在棱镜23表面的折射。在一些实施例中，金属层22的厚度为50nm，金属层22和棱镜23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，提高基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器的精确度。由于金属层22的厚度较薄，金属层22可以附着在光学玻璃片的表面从而便于操作，光学玻璃片的折射率与棱镜23一致，光学玻璃片贴附在棱镜23上，光学玻璃片和棱镜23之间通过匹配液耦合在一起。在一些实施例中，检测模块包括密封圈，密封圈设置在检测池21和金属层22之间。金属层22和检测池21之间通过密封圈进行密封，能够起到保护样品的作用，避免样品泄漏。

根据本实用新型的一些实施例，光源11包括LED灯和小孔光阑。LED灯产生可见波段或红外波段的检测光，小孔光阑对检测光进行隔挡，使光源11成为点光源。

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数字微镜器件的波长调制型SPR传感器。

根据本实用新型提供的SPR检测设备，通过使用本实用新型提供的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，能够提高SPR检测设备的波长调制分辨率。

下面参考图1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数字微镜器件的波长调制型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。

基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器包括发射端、检测模块和接收端。

发射端包括光源11、准直透镜12、光阑13和偏振片14。光源11包括LED灯和小孔光阑，光源11为点光源，光源11产生检测光。检测光依次经过准直透镜12、光阑13和偏振片14射入检测模块。准直透镜12使检测光变为准直光，光阑13限制准直光光束的大小，偏振片14使检测光产生偏振。

检测模块包括检测池21，检测池21上设置有金属层22和棱镜23。金属层22贴合在检测池21上，金属层22和检测池21之间通过密封圈进行密封。金属层22的厚度为50nm，金属层22的另一面附着在光学玻璃片上，光学玻璃片的折射率与棱镜23一致，光学玻璃片贴附在棱镜23上，光学玻璃片和棱镜23之间通过匹配液耦合在一起。棱镜23采用半圆柱形棱镜。

接收端包括滤光片31、分光器32、汇聚透镜33、数字微镜器件34、聚焦透镜35和接收器36。金属层22反射的检测光依次经过滤光片31、分光器32、汇聚透镜33、数字微镜器件34、汇聚透镜33和聚焦透镜35射入接收器36。滤光片31采用带通滤光片，滤光片31滤去一定波长的检测光，对检测光的带宽进行限制，分光器32采用衍射光栅，分光器32对检测光进行分光，使检测光由复合光变为多束单色光。汇聚透镜33和聚焦透镜35使检测光汇聚至接收器36，接收器36为单点检测器，具体地，接收器36采用光电二极管。

经过分光器32分光后的检测光照射在数字微镜器件34的表面，不同波长的检测光照射在不同的微镜上。通过控制各个微镜的开关，使得不同波长的检测光依次射入接收器36，接收器36检测每一束检测光的光强，从而获得波长调制的SPR扫描曲线。

根据本实用新型实施例的基于数字微镜器件的波长调制型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：通过使用数字微镜器件34、滤光片31以及单点检测器，数字微镜器件34高速地依次反射检测光，滤光片31对检测光的波段进行选择过滤，能够缩小射入数字微镜器件34的检测光的带宽，从而提高波长调制的分辨率。

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波长调制型SPR传感器，其特征在于，包括：

发射端，所述发射端包括光源(11)，所述发射端用于产生检测光，检测光为平行光；

检测模块，所述检测模块包括检测池(21)，所述检测池(21)上设置有金属层(22)和棱镜(23)；

接收端，所述接收端包括分光器(32)、数字微镜器件(34)和接收器(36)，所述检测模块反射的检测光依次经过所述分光器(32)和所述数字微镜器件(34)进入所述接收器(36)，所述数字微镜器件(34)包括微镜，多个所述微镜阵列设置，各个所述微镜能够独立打开或关闭，所述微镜用于反射检测光。

2.根据权利要求1所述的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，其特征在于：基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器包括滤光片(31)，所述滤光片(31)设置在所述数字微镜器件(34)的光路前，所述滤光片(31)用于滤去一定波长的检测光。

3.根据权利要求1或2所述的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，其特征在于：所述分光器(32)采用衍射光栅。

4.根据权利要求1或2所述的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，其特征在于：所述接收端包括汇聚透镜(33)和聚焦透镜(35)，所述数字微镜器件(34)反射的检测光依次经过所述汇聚透镜(33)和所述聚焦透镜(35)进入所述接收器(36)。

5.根据权利要求4所述的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，其特征在于：所述接收器(36)采用单点检测器。

6.根据权利要求1或2所述的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，其特征在于：所述发射端包括偏振片(14)。

7.根据权利要求6所述的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，其特征在于：所述发射端包括准直透镜(12)，所述光源(11)发射的检测光依次经过所述准直透镜(12)和所述偏振片(14)进入所述检测模块。

8.根据权利要求7所述的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，其特征在于：所述准直透镜(12)和所述偏振片(14)的光路之间设置有光阑(13)。

9.根据权利要求1或2所述的基于数字微镜器件的波长调制型SPR传感器，其特征在于：所述光源(11)包括LED灯和小孔光阑。

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波长调制型SPR传感器。

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