用于检测样本特性的光学传感装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于检测样本特性的光学传感装置和方法。该光学传感装置包括：宽带光源，配置为生成包含p极化分量和s极化分量的第一光束；干涉仪，配置为将p极化分量和s极化分量分别导向第一路径和第二路径，第一路径具有不同于第二路径的长度，以使p极化分量和s极化分量被反射并随后重组，从而提供具有干涉的第二光束；参考装置，配置为接收第二光束的一部分以提取由干涉引起的参考光学特性变化；SPR传感器，配置为接收第二光束的其他部分并将与样本相关的SPR效应引入至第二光束，从而生成带有探测光学特性变化的第三光束；以及检测器，配置为从第三光束提取探测光学特性变化并比较其与参考光学特性变化以确定样本特性。

【技术实现步骤摘要】
用于检测样本特性的光学传感装置和方法
本申请涉及一种用于检测样本特性的光学传感装置和方法。
技术介绍
经过三十多年的发展，表面等离子体共振(SPR)技术已成为用于双分子相互作用的非标记特性描述的标准技术。其优点之一是SPR传感器能够通过观察SPR影响的光的振幅、角反射率、光谱吸收凹陷或相应的相移提供实时定量测量(Ann.Phys.(berlin),524,637-662,2012)。最近的研究工作已经集中在具有宽动态范围和高灵敏度的SPR传感器的开发上。许多所谓的宽动态范围相位SPR传感器已经得到了开发。VanWiggeren等人在US7027676中提出了一种通过使用光学极化延迟单元和可调谐激光器来替代光学外差相位检测方案的塞曼激光器(Zeeman’slaser)。随着跨越光源频率范围进行扫描，在p极化光和s极化光之间发生了频率偏移。通过p极化光和s极化光的干涉能够产生调制光学检测信号。Ho等人在US8169617中提出了一种结合相位检测和角解调的新设计以同时实现高灵敏度和宽动态范围。后来，Wu等人在US13/113,837中提出了一种白光SPR干涉法方案以通过不同的机理实现兼备高灵敏度和宽动态范围。在他们的方案中，采用迈克尔逊干涉仪(Michelsoninterferometer)作为对于p极化光和s极化光两者的相位检测器。本质上，该设计具有借助相同的路径对p极化分量和s极化分量独立起作用的两个干涉仪。借助干涉仪的一个臂所带有的SPR传感头，研究人员通过使用极化分离的沃拉斯顿棱镜(Wollastonprism)分别测量p极化光和s极化光的相位而实现了微分SPR相位检测。因为SPR效应只影响p极化而留下s极化不变，在从两个极化测得的相位值之间的简单减法会产生摆脱由环境变动或系统自身引起的任何干扰信号的真实的SPR相位。
技术实现思路
本申请提出了一种用于检测样本特性的光学传感装置和方法。根据本申请实施方式，公开了一种光学传感装置。该装置可包括宽带光源、干涉仪、参考装置、SPR传感器以及检测器。宽带光源配置为产生包含p极化分量和s极化分量的第一光束。干涉仪配置为将p极化分量和s极化分量分别导向第一路径和第二路径。第一路径具有不同于第二路径的长度，以使p极化分量和s极化分量被反射并随后重组以提供带有p极化分量与s极化分量之间的干涉的第二光束。参考器件配置为接收第二光束的一部分以提取由第二光束的p极化分量与s极化分量之间的干涉引起的参考光学特性变化。SPR传感器配置为接收第二光束的其他部分并将与样本相关的SPR效应引入至第二光束，从而生成带有由SPR效应引起的探测光学特性变化的第三光束。检测器配置为接收第三光束以提取由SPR效应引起的探测光学特性变化并通过比较参考光学特性变化和探测光学特性变化以确定样本特性。根据本申请的其他实施方式，公开了一种用于检测样本特性的方法。该方法可包括：从宽带光源生成包含p极化分量和s极化分量的第一光束；将p极化分量和s极化分量分别导向第一路径和第二路径，其中第一路径具有不同于第二路径的长度，以使p极化分量和s极化分量被反射并随后重组，从而提供带有p极化分量与s极化分量之间的干涉的第二光束；提取由第二光束的p极化分量与s极化分量之间的干涉引起的参考光学特性变化；将与样本相关的SPR效应引入至第二光束，从而生成带有由SPR效应引起的探测光学特性变化的第三光束；提取由第三光束的SPR效应引起的探测光学特性变化；并且比较参考光学特性变化和探测光学特性变化以确定样本特性。附图说明下面参照附图描述了本专利技术的示例性非限制性实施方式。附图是说明性的且一般不按照精确比例绘制。图1是示出了根据一些公开实施方式的光学传感装置的示意图。图2是示出了根据一些公开实施方式的宽带光源的示意图。图3是示出了根据一些公开实施方式的干涉仪的示意图。图4是示出了根据一些公开实施方式的光学传感装置的结构示意图。图5是示出了根据一些公开实施方式的SPR传感器的示意图。图6是示出了根据一些公开实施方式的用于检测样本特性的方法的流程图。图7是示出了根据一些公开实施方式的参考装置的原始信号的曲线图。图8是示出了根据一些公开实施方式的探测器件的原始信号的曲线图。图9通过比较参考装置和探测器件的信号示出了计算光谱和光谱相位信息。图10示出了从盐和水的混合物获得的宽动态范围光谱相位灵敏SPR传感器的实验结果。具体实施方式现在将详细参照示例性实施方式，其示例示出在附图中。适当时，图中各处使用的相同的参考数字指代相同或相似的部分。图1是示出了根据一些公开实施方式的光学传感装置1000的示意图。如图1所示，装置1000可包括宽带光源100、干涉仪200、SPR传感器300、参考装置400以及检测器500。根据一个实施方式，宽带光源100可配置为产生包含p极化分量和s极化分量的第一光束。在另一实施方式中，宽带光源100可通过串联一个以上的单波长光源或多波长光源而制成，比如气体激光器、固态激光器、激光二极管、发光二极管和任何其他合适的电磁辐射源。电磁辐射可为可见光、可见光至红外光、红外光、紫外光或紫外光至可见光。根据一个实施方式，干涉仪200可配置为将p极化分量和s极化分量分别导向第一路径和第二路径。第一路径具有不同于第二路径的长度，以使p极化分量和s极化分量被反射并随后重组以提供带有p极化分量与s极化分量之间的干涉的第二光束。干涉仪200可为迈克尔逊干涉仪(Michelsoninterferometer)、马赫-曾德尔干涉仪(Mach–Zehnderinterferometer)或任何其他合适的干涉仪。在一个实施方式中，参考装置400可配置为接收第二光束的一部分以提取由第二光束的p极化分量与s极化分量之间的干涉引起的参考光学特性变化。SPR传感器300可配置为接收第二光束的其他部分并将与样本相关的SPR效应引入至第二光束，以便产生带有由SPR效应引起的探测光学特性变化的第三光束。检测器500可配置为接收第三光束以提取由SPR效应引起的探测光学特性变化并比较参考光学特性变化和探测光学特性变化以确定样本特性。在该申请中，使用宽带光源和干涉仪能够提供关于SPR光谱的宽动态范围和带有高灵敏度的光谱相位。这还能够提供与以前的SPR生物传感器相比较为简单的光学配置。图2是示出了根据一些公开实施方式的宽带光源100的示意图。如图2所示，宽带光源100可包括宽带电磁辐射源101、校准器102、极化器103以及可变光圈104。在该实施方式中，宽带电磁辐射源101可配置为发射包含p极化分量和s极化分量的宽带光束。替代地或另外地，宽带电磁辐射源101可为多波长电磁辐射源，比如发光二极管(LED)、钨灯、卤素灯、弧光放电灯、超辐射发光二极管(SLD)、荧光管、超连续激光器以及任何其他合适的多波长电磁辐射源。例如，采用带有(例如)3瓦额定功率的固态WLED且其极化视为随机。校准器102可配置为将宽带光束转换为平行光束。替代地或另外地，校准器102可为透镜系统或视场限制系统。极化器103可配置为通过改变其极化轴角度来选择p极化分量和s极化分量之间的含量比例。p极化分量与s极化分量之间的含量比例可设定为50:50。这意味着极化器的极化角与s极化轴成45°角本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光学传感装置，包括：宽带光源，配置为生成包含p极化分量和s极化分量的第一光束；干涉仪，配置为将所述p极化分量和所述s极化分量分别导向第一路径和第二路径，其中所述第一路径具有不同于所述第二路径的长度，以使所述p极化分量和所述s极化分量被反射并随后重组，从而提供带有所述p极化分量与所述s极化分量之间的干涉的第二光束；参考装置，配置为接收所述第二光束的一部分以提取由干涉引起的参考光学特性变化；SPR传感器，配置为接收所述第二光束的其他部分并将与样本相关的SPR效应引入至所述第二光束，从而生成带有由SPR效应引起的探测光学特性变化的第三光束；以及检测器，配置为从所述第三光束提取探测光学特性变化并比较所述参考光学特性变化和所述探测光学特性变化以确定样本特性。

【技术特征摘要】
2014.04.23 US 61/983,2111.一种光学传感装置，包括：宽带光源，配置为生成包含p极化分量和s极化分量的第一光束；干涉仪，配置为将所述p极化分量和所述s极化分量分别导向第一路径和第二路径，其中所述第一路径具有不同于所述第二路径的长度，以使所述p极化分量和所述s极化分量被反射并随后重组，从而提供带有所述p极化分量与所述s极化分量之间的干涉的第二光束；参考装置，配置为接收所述第二光束的一部分以提取由干涉引起的参考光学特性变化；SPR传感器，配置为接收所述第二光束的其他部分并将与样本相关的SPR效应引入至所述第二光束，从而生成带有由SPR效应引起的探测光学特性变化的第三光束；以及检测器，配置为从所述第三光束提取探测光学特性变化并比较所述参考光学特性变化和所述探测光学特性变化以确定样本特性。2.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述SPR传感器包括：棱镜，配置为接收所述第二光束的其他部分；转换层，覆盖于所述棱镜的表面以用作传感表面，并且接收的第二光束经过所述传感表面；以及样本流腔室，布置在所述转换层上以允许所述样本流过所述传感表面，从而使与所述样本有关的SPR效应引入至经过所述传感表面的第二光束。3.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述宽带光源包括：宽带电磁辐射源，配置为发射包含所述p极化分量和所述s极化分量的宽带光束；校准器，配置为将所述宽带光束转换为平行光束；以及极化器，配置为选择所述p极化分量和所述s极化分量之间的含量比例。4.如权利要求3所述的光学传感装置，其中，所述宽带光源还包括：可变光圈，配置为调节光束的束直径并限制光束的角视场。5.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述参考装置包括：极化器，配置为接收所述第二光束的一部分以产生参考光束；透镜，置于所述极化器后方并配置为将所述参考光束耦合至分析器；以及分析器，配置为提取由所述参考光束的p极化分量与s极化分量之间的干涉引起的参考光学特性变化。6.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述干涉仪包括：宽带极化分束器，配置为将所述第一光束分离为经过所述第一路径的所述p极化分量和经过所述第二路径的所述s极化分量；第一四分多色波片，位于所述第一路径中；第二四分多色波片，位于所述第二路径中，其中，所述第一四分多色波片和所述第二四分多色波片配置为改变经过的光束的p极化分量和s极化分量的极化性；第一反射单元，位于所述第一四分多色波片后方以反射经过所述第一路径的光束；第二反射单元，位于所述第二四分多色波片后方以反射经过所述第二路径的光束；以及其中，反射的光束通过所述宽带极化分束器重组，从而生成反射的光束中的p极化分量与s极化分量之间的干涉。7.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述干涉仪还包括：非极化分束器，配置为将重组的光束分离为所述第二光束的一部分和所述第二光束的其他部分。8.如权利要求1所述的光学传感装置，其中，所述检测器包括：极化器，配置为接收所述第三光束以产生探测光束；透镜，置于所述极化器后方并配置为将所述探测光束耦合至分析器，以便所述分析器提取由所述探测光束的SPR效应引...

【专利技术属性】
技术研发人员：何浩培，胡树源，胡志文，吴兆鹏，江绍佳，
申请(专利权)人：香港中文大学，香港城市大学，
类型：发明
国别省市：中国香港;81