CN219496146U - 一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及光学技术领域，公开了一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，包括依次设置的激光器、第一光阑、半波片、第一透镜、第一格兰偏振镜、比色皿、棱镜，还包括依次设置的第二光阑、第二格兰偏振镜、第二透镜、激光光束分析仪CCD，激光能从比色皿经棱镜反射进入第二光阑。本实用新型解决了现有技术存在的分辨度低、分析时间长等问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及光学技术领域，具体是一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置。
背景技术
近年来，生物分子的手性鉴别以及浓度测量在药理学、生物学以及化学等领域被广泛关注。自然界中大多数DNA和蛋白质是手性异构分子。这两种异构体被称为L-左旋和D-右旋，往往不同手性分子有不同的功能。比如：人体肝内的D-脯氨酸会引起肝细胞坏死等疾病，但是L-脯氨酸就是中枢神经系统的关键神经元调节器。有些药物的两个对映体中一个有药理活性而另一个有毒性作用，例如：沙利度胺手性分子一种异构体有镇静作用，另一种异构体对胚胎有致畸反应，造成了大量畸形婴儿的出生。可见手性分子的精确检测意义重大。常用的检测方法如圆二色性、旋光性和荧光传感器，但自然条件下细胞膜的散射限制了圆二色性的使用，且荧光传感器可能会破坏生物分子内部结构。主流方法如色谱法、质谱法等，大多需要添加其他试剂来鉴定，且分析时间长。
实用新型内容
为克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，解决现有技术存在的分辨度低、分析时间长等问题。
本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：
一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，包括依次设置的激光器、第一光阑、半波片、第一透镜、第一格兰偏振镜、比色皿、棱镜，还包括依次设置的第二光阑、第二格兰偏振镜、第二透镜、激光光束分析仪CCD，激光能从比色皿经棱镜反射进入第二光阑。
作为一种优选的技术方案，所述激光器为功率可调激光器。
作为一种优选的技术方案，所述激光器为能发出波长为632.8纳米激光的激光器。
作为一种优选的技术方案，所述第一透镜的焦距为25mm。
作为一种优选的技术方案，所述棱镜反射表面为棱镜耦合表面等离子共振结构。
作为一种优选的技术方案，第一格兰偏振镜用以对激光光束进行预选，经预选的激光光束通过装有手性溶液的比色皿照射至棱镜上进行全反射，全反射的入射角为73°。
作为一种优选的技术方案，所述激光器能发射水平偏振的高斯光束，高斯光束角谱的表达式如下：
其中，ω0表示束腰宽度，kix、kiy分别为入射波矢的x分量和y分量。
作为一种优选的技术方案，激光入射至第一格兰偏振镜的偏振态|H>的表达式如下：
其中，|+>表示左旋量子态、|->表示右旋量子态。
作为一种优选的技术方案，激光光束通过比色皿后，手性分子手性分辨装置的初态ψi的表达式如下：
ψi＝cosα|H>+sinα|V>；
其中，α表示手性溶液的旋光角，|H>表示水平偏振态，|V>表示垂直偏振态。
作为一种优选的技术方案，光斑位移的表达式为：
其中，βi表示入射角，<ζ>表示光斑位移，f表示第二透镜的有效焦距，j表示s偏振光和p偏振光的反射系数的比值，τ表示未经光路放大的本征光束位移，α表示旋光角，λ0表示激光源发出的激光波长，m表示波矢，ω0表示束腰半径，rs分别表示s偏振光的反射系数，rp分别表示p偏振光的反射系数，τH表示水平偏振光在界面反射所产生的光，τV表示垂直偏振光在界面反射所产生的光，R0表示光束的瑞利距离，[α]表示比旋度，l为光程、单位是dm，c为溶液浓度、单位是g/100mL。
本实用新型相比于现有技术，具有以下有益效果：
(1)采用本实用新型提供的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，可对较低浓度的手性分子溶液来进行手性分辨；
(2)采用本实用新型提供的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，增加了第二光阑，滤除了杂散光，提高了光斑的成像质量，且提升了手性检测的灵敏度；
(3)采用本实用新型提供的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，增加了棱镜耦合表面等离子共振(SPR)结构，该结构可有效增大光自旋霍尔效应，提高手性分子检测灵敏度；
(4)采用本实用新型提供的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，可通过观测激光光束分析仪CCD上面的光斑偏移位移，即可分辨比色皿中手性溶液的手性。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置的结构示意图；
图2为实施例中基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置中棱镜表面示意图；
图3为实施例中在去离子水、pH＝8的0.01M-PBS、pH＝7的0.1M-PBS下左旋色氨酸、右旋色氨酸的物质浓度与光束位移之间的关系图。
附图中标记及相应的零部件名称：1、激光器，2、第一光阑，3、半波片，4、第一透镜，5、第一格兰偏振镜，6、比色皿，7、棱镜，8、第二光阑，9、第二格兰偏振镜，10、第二透镜，11、激光光束分析仪CCD。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图3所示，一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，包括依次设置的激光器1、第一光阑2、半波片3、第一透镜4、第一格兰偏振镜5、比色皿6、棱镜7、第二光阑8、第二格兰偏振镜9、第二透镜10以及激光光束分析仪CCD11。
利用激光器1发出波长为632.8纳米的激光；利用第一光阑2滤除激光中的杂散光；利用半波片3调节激光光强；利用第一透镜4聚焦激光光束；利用第一格兰偏振镜5对激光光束进行预选，经预选的激光光束通过装有手性溶液的比色皿6照射至棱镜7上进行全反射，耦合得到自旋分裂；利用第二光阑8滤除反射光中的杂散光；经滤除后的激光光束通过第二格兰偏振镜9以及第二透镜10使自旋分裂后激光的各单独分量发生干涉，放大观测量，利用激光光束分析仪CCD11进行光斑显示以及光斑位移读取。
作为一种优选的技术方案，所述激光器为功率可调激光器。
作为一种优选的技术方案，所述激光器波长为632.8纳米。
作为一种优选的技术方案，所述第一透镜焦距为25mm。
作为一种优选的技术方案，所述棱镜反射表面为棱镜耦合表面等离子共振SPR结构。
作为一种优选的技术方案，所述全反射的入射角为73°。
作为一种优选的技术方案，所述的发射激光为水平偏振的高斯光束，其角谱表达式如下：
其中，ω0表示束腰宽度，kix、kiy分别为入射波矢的x分量和y分量。
作为一种优选的技术方案，所述激光入射至第一格兰偏振镜的偏振态|H>的表达式如下：
其中，|+>表示左旋量子态、|->表示右旋量子态。
作为一种优选的技术方案，所述激光光束通过比色皿后，手性分子手性分辨装置的初态ψi的表达式如下：
ψi＝cosα|H>+sinα|V>
其中，α表示手性溶液的旋光角，|H>表示水平偏振态，|V>表示垂直偏振态。
作为一种优选的技术方案，所述光斑位移的表达式如下：
其中：βi表示入射角，<ζ>表示光斑位移，f表示第二透镜的有效焦距，j表示s偏振光和p偏振光的反射系数的比值，τ表示未经光路放大的本征光束位移，α表示旋光角，λ0表示激光源发出的激光波长，m表示波矢，ω0表示束腰半径，rs、rp分别表示s偏振光和p偏振光的反射系数，τH和τV分别表示水平偏振光和垂直偏振光在界面反射所产生的光，R0表示光束的瑞利距离，[α]表示比旋度，l为光程，单位是dm；c为溶液浓度，单位是g/100mL。
作为一种优选的技术方案，检测过程中温度恒定为20℃。
实施例2
如图1至图3所示，作为实施例1的进一步优化，在实施例1的基础上，本实施例还包括以下技术特征：
利用超声波溶解待测样品，以PBS作为溶剂，用50ml的容量瓶配置浓度为0mg/ml、0.5mg/ml、1mg/ml、1.5mg/ml、2mg/ml、2.5mg/ml、3mg/ml、3.5mg/ml、4mg/ml的D-色氨酸和L-色氨酸。
如图1所示，基于光自旋霍尔效应的手性分子手性分辨装置，包括依次设置的激光器1、第一光阑2、半波片3、第一透镜4、第一格兰偏振镜5、比色皿6、棱镜7、第二光阑8、第二格兰偏振镜9、第二透镜10以及激光光束分析仪CCD11。
本实施例中，利用本装置测量PH＝8的0.01M-PBS、PH＝7的0.1M-PBS和去离子水下的色氨酸手性。利用空调将室温尽量保持在20℃左右，利用激光器1发出波长为632.8纳米的激光；利用光阑2限制激光的杂散光；利用半波片3调节经限制杂散光后的激光光强；利用第一透镜4聚焦激光光束，并通过第一格兰偏振镜5对激光光束进行预选，将经预选的激光光束通过装有去离子水的比色皿6照射至棱镜7上进行全反射，耦合得到自旋分裂；通过第二光阑8滤除反射光中的杂散光，第二格兰偏振镜9以及第二透镜10使自旋分裂后激光的各单独分量发生干涉，放大观测量，然后利用激光光束分析仪CCD11进行光斑显示以及位移读取，记录该时刻的纵坐标作为零点。
利用移液器吸出比色皿中的去离子水，利用移液器将待测溶液垂直加入比色皿中，利用激光光束分析仪CCD进行光斑显示、读取纵坐标位移；
当发射激光为水平偏振的高斯光束，所述高斯光束的角谱表达式如下：
其中，ω0表示束腰宽度，kix、kiy分别为入射波矢的x分量和y分量。
激光入射至第一格兰偏振镜的偏振态|H>的表达式如下：
其中，|+>表示左旋量子态、|->表示右旋量子态。
激光光束通过比色皿后，手性分子手性分辨装置的初态ψi的表达式如下：
ψi＝cosα|H>+sinα|V>
其中，α表示手性溶液的旋光角，|H>表示水平偏振态，|V>表示垂直偏振态。
光斑位移的表达式如下：
其中：βi表示入射角，<ζ>表示光斑位移，f表示第二透镜的有效焦距，j表示s偏振光和p偏振光的反射系数的比值，τ表示未经光路放大的本征光束位移，α表示旋光角，λ0表示激光源发出的激光波长，m表示波矢，ω0表示束腰半径，rs、rp分别表示s偏振光和p偏振光的反射系数，τH和τV分别表示水平偏振光和垂直偏振光在界面反射所产生的光，R0表示光束的瑞利距离，[α]表示比旋度，l为光程，单位是dm；c为溶液浓度，单位是g/100mL。
计算三种溶剂下1mg/ml的D-色氨酸溶液和L-色氨酸溶液的比旋度，结果如表1所示。表1中，溶剂种类一栏，第一个表示色氨酸的手性，第二个表示溶剂PBS的浓度，第三个表示溶剂PBS的pH值。
表1D-色氨酸、L-色氨酸在不同溶剂中的比旋度表
综上所述，采用本实用新型所提供的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，利用弱测量光路放大光自旋霍尔效应产生的光斑偏移，通过光斑偏移计算手性溶液的比旋度，使得测量出来的溶液比旋度误差更小，精确度更高。
如上所述，可较好地实现本实用新型。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，依据本实用新型的技术实质，在本实用新型的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，其特征在于，包括依次设置的激光器(1)、第一光阑(2)、半波片(3)、第一透镜(4)、第一格兰偏振镜(5)、比色皿(6)、棱镜(7)，还包括依次设置的第二光阑(8)、第二格兰偏振镜(9)、第二透镜(10)、激光光束分析仪CCD(11)，激光能从比色皿(6)经棱镜(7)反射进入第二光阑(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，其特征在于，所述激光器(1)为功率可调激光器。
3.根据权利要求1所述的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，其特征在于，所述激光器(1)为能发出波长为632.8纳米激光的激光器。
4.根据权利要求1所述的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，其特征在于，所述第一透镜(4)的焦距为25mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，其特征在于，所述棱镜(7)反射表面为棱镜耦合表面等离子共振结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，其特征在于，第一格兰偏振镜(5)用以对激光光束进行预选，经预选的激光光束通过装有手性溶液的比色皿(6)照射至棱镜(7)上进行全反射，全反射的入射角为73°。
7.根据权利要求1所述的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，其特征在于，所述激光器(1)能发射水平偏振的高斯光束，高斯光束角谱的表达式如下：
其中，ω0表示束腰宽度，kix、kiy分别为入射波矢的x分量和y分量。
8.根据权利要求1所述的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，其特征在于，激光入射至第一格兰偏振镜(5)的偏振态|H>的表达式如下：
其中，|+>表示左旋量子态、|->表示右旋量子态。
9.根据权利要求1所述的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，其特征在于，激光光束通过比色皿(6)后，手性分子手性分辨装置的初态ψi的表达式如下：
ψi＝cosα|H>+sinα|V>；
其中，α表示手性溶液的旋光角，|H>表示水平偏振态，|V>表示垂直偏振态。
10.根据权利要求1所述的一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置，其特征在于，光斑位移的表达式为：
其中，βi表示入射角，<ζ>表示光斑位移，f表示第二透镜的有效焦距，j表示s偏振光和p偏振光的反射系数的比值，τ表示未经光路放大的本征光束位移，α表示旋光角，λ0表示激光源发出的激光波长，m表示波矢，ω0表示束腰半径，rs分别表示s偏振光的反射系数，rp分别表示p偏振光的反射系数，τH表示水平偏振光在界面反射所产生的光，τV表示垂直偏振光在界面反射所产生的光，R0表示光束的瑞利距离，[α]表示比旋度，l为光程、单位是dm，c为溶液浓度、单位是g/100mL。
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| CN202223501510.6U CN219496146U (zh) | 2022-12-26 | 2022-12-26 | 一种基于光自旋霍尔效应的手性分子手性检测装置 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN117330514A (zh) * | 2023-09-28 | 2024-01-02 | 成都信息工程大学 | 基于弱值放大药物手性多功能检测装置及方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117330514A (zh) * | 2023-09-28 | 2024-01-02 | 成都信息工程大学 | 基于弱值放大药物手性多功能检测装置及方法 |
| CN117330514B (zh) * | 2023-09-28 | 2024-05-03 | 成都信息工程大学 | 基于弱值放大药物手性多功能检测装置及方法 |
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