基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置及方法，线偏振激光束入射到激励棱镜内部，并在该棱镜内部经设置有金属膜的棱镜面反射后进入匹配棱镜，从匹配棱镜射出，成为物光束，被测样品通过样品池与金属膜接触，物光束经反射镜反射后，成为反馈光，并经原路返回激光腔，反馈光与腔内的激光产生自混合干涉效应，纳米平移台驱动反射镜做平移运动以改变反馈光的光程，实现对自混合干涉信号的调制，通过光电探测器将调制的自混合干涉信号采集到计算机，由计算机软件系统进行处理得到干涉信号的位相和强度信息。本发明专利技术以自混合干涉的方式获取表征SPR生物芯片的位相和强度信息，简化光路结构、提高信息获取速度、降低数据处理量。

Surface plasmon resonance sensing device and method based on self mixing interference

The invention discloses a surface plasmon resonance sensing device and method based on self-mixing interference, in which a linearly polarized laser beam is incident into an exciting prism, and is reflected by a prism surface with a metal film inside the prism, then enters a matching prism, and is ejected from the matching prism to become an object beam, and the measured sample passes through a sample pool. In contact with the metal film, the object beam is reflected by the reflector and then returns to the laser cavity through the original path. The feedback beam and the laser in the cavity produce self-mixing interference effect. The mirror is driven by the nanometer translation table to change the optical path of the feedback light and modulate the self-mixing interference signal by the photoelectric detector. The modulated self-mixing interference signal is collected into a computer and processed by a computer software system to obtain the phase and intensity information of the interference signal. The invention obtains phase and strength information of SPR biochip by self-mixing interference, simplifies optical path structure, improves information acquisition speed and reduces data processing amount.

【技术实现步骤摘要】
基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置及方法
本专利技术涉及光学传感
，具体涉及一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置及方法。
技术介绍
生物传感器是一种将生物识别元素与目标物质结合的物理传感器，对生命科学和生物化学的研究与探索具有相当重要的作用，尤其对于生物分子间相互作用的研究，相比传统的生物法和酶联免疫法，其具有免标记、高特异性和灵敏度、反应速度快、成本低等优点。其中，表面等离子体共振(surfaceplasmonsresonance，SPR)生物传感器是光学生物传感器的代表。SPR效应是利用P偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射时进入金属薄膜内的倏逝波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体，当倏逝波的波矢与表面等离子体的波矢相匹配时，二者将发生共振，入射光的能量被表面等离子体吸收，反射光强急剧下降，在反射光谱上出现共振峰。由于SPR现象发生在金属和介质的表面，因此它对金属表面的电介质折射率变化具有非常高的灵敏度，当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率稍有变化时，共振峰位置也随之改变，反射光的位相和强度均发生变化。如果将探针或配体固定于传感芯片(金属薄膜)表面，含待分析物的样品流经传感芯片表面，分子间发生特异性结合时引起传感芯片表面的折射率改变，通过检测SPR信号改变可实现检测分子间相互作用的特异性、浓度、动力学、亲合性、协同作用、相互作用模式等。SPR技术能实时监测生物分子相互作用的动态过程、分析样品不需要纯化、生物样品无需标记、检测过程方便快捷、灵敏度高等特点，使其可广泛应用于临床诊断、药物筛选、生物分子检测、环境监测以及食品安全监控等领域。随着生命科学技术的不断发展，SPR技术在各类生物体系测定中的研究更为深入，市场对SPR技术提出越来越高的要求，使得提高SPR传感器性能，特别是通过采用新型传感装置和检测技术来实现高分辨率、高速检测，成为当前及未来SPR传感技术发展的趋势之一。为了提高SPR技术的探测分辨率，已有研究表明采用位相信号探测方式，理论上可达10-8RIU的探测分辨率。尽管认为位相探测方式具有最高的探测分辨率，但是目前采用这种方式的商用SPR传感器并不常见，究其原因主要有以下几方面导致难于达到理论探测分辨率：(1)目前应用于SPR位相探测的主要有双光束干涉技术，所需装置复杂、工作环境要求苛刻，抗震动要求高。双光束干涉技术要求参与干涉的两光束强度不能相差太大，以便获得较好的干涉信号对比度和高的信噪比。而在SPR技术中，由于参与干涉的探测物光波被共振吸收，光强大为减弱，导致物光波和参考光波光强不匹配。为了两者匹配如果将参考光波的光强衰减，又会导致干涉信号过于微弱、信噪比低，不利于探测。(2)位相型探测方式的动态测量范围较窄，一般的生物反应在很短的时间内就可能越过可测量的范围，要求采集信号的速度足够快。自混合干涉(Self-mixingInterference,SMI，也称激光回馈)效应是指当激光器的出射光波经过外部物体反射回激光腔，与激光腔内的光波发生干涉，导致激光输出功率发生周期性的变化。目前，基于自混合干涉效应的干涉仪主要用于测量位移、振动、形貌、加速度、微小角度等。与传统干涉仪相比较，基于激光自混合干涉效应的干涉仪，具有以下优点：(1)自混合干涉系统仅有一个光路通道，具有结构紧凑、简单、抗干扰强等优点。(2)在自混合干涉技术中，由于激光腔对反射回腔中的光波进行放大，因此微弱的反射探测光波也可以获得对比度较高的干涉信号，不存在传统双光束干涉技术中，由于微弱探测物光波导致的和参考光波光强不匹配问题，条纹对比度优于双光束干涉。(3)自混合干涉信号检测方便，从激光器的前向输出端和后向漏光端都可检测，特别是从后向漏光端检测时，和探测物光波完全隔离，避免检测时形成干扰。因此，自混合干涉技术是一种特色非常鲜明的技术，在一些独特的领域具有明显的应用优势，其可解决SPR技术中的高精度位相获取问题。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，可以提高位相的获取精度及速度。本专利技术的另一个目的在于提供一种利用上述装置的实现SPR传感检测的方法。根据公开的实施例，本专利技术的第一方面公开了一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，包括激光器1、偏振器2、旋转平台3、激励棱镜4、传感芯片5、匹配棱镜6、反射镜7、纳米平移台8、纳米平移台控制器9、旋转台控制器10、第一光电探测器11、信号采集器12、计算机13、样品池14、半反镜15、第二光电探测器16。激光器1的谐振腔前端发射激光束，经偏振器2产生线偏振激光束，该激光束进入到激励棱镜4，并在该棱镜内部经贴合有传感芯片5的棱镜面反射至匹配棱镜6，从匹配棱镜6出射后，形成物光束，透过半反镜15，垂直入射到反射镜7，再被反射镜7反射，形成反馈光束；偏振器2产生的线偏振激光束，其振动方向平行于光束入射到传感芯片5的入射面。反馈光束按原路返回进入激光器1的谐振腔，反馈光束与谐振腔内光束形成自混合干涉；第一光电探测器11设置在激光器1的谐振腔后端，用于探测激光器的激光后端输出光强，获取自混合干涉信号；第二光电探测器16设置在半反镜15的反射光路上，用于探测半反镜15的反射光强，获取SPR强度信号；反射镜7固定在纳米平移台8上，通过纳米平移台控制器9控制纳米平移台8驱动反射镜7平移，用于改变反馈光的光程，实现对自混合干涉信号的调制；信号采集器12分别与第一光电探测器11以及第二光电探测器16相连，采集信号后传输至相连的计算机13进行处理。激励棱镜4和匹配棱镜6通过折射率匹配液粘附成一整体，并固定在旋转平台3上，旋转台控制器10与旋转平台3相连并驱动旋转平台3转动，用于调整激光束进入激励棱镜的入射角；传感芯片5通过折射率匹配液粘附在激励棱镜4底面，被测样品通过样品池14置于传感芯片5的金属膜表面。计算机13控制旋转台控制器10、纳米平移台控制器9、信号采集器12和样品池14的联动，采集到的干涉信号经计算机进行处理得到干涉信号的强度和位相信息，通过强度和位相信息进一步获得被测样品的检测参数。进一步地，所述的激励棱镜4和所述的匹配棱镜6为两个完全相同规格的三角棱镜，粘合在一起构成一个斜方棱镜。进一步地，所述的传感芯片5为表面等离子体共振传感芯片，其表面上镀有金属膜，激光束进入到激励棱镜4后，经传感芯片5的金属膜反射至匹配棱镜6。进一步地，所述的金属膜为金、银等贵金属膜。根据公开的实施例，本专利技术的第二方面公开了一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置的传感方法，包括以下步骤：S1、开启激光器1和计算机13，在样品池14加入待测样品，旋转台控制器10驱动旋转平台3转动，每旋转一个小角度，信号采集器12通过第二光电探测器16测得一个光强，从测得光强与旋转角度之间的曲线，得到加载样品后传感芯片5产生的表面等离子体共振效应的共振角；S2、冲洗样品池14和还原传感芯片5，重新加载待测样品，旋转台控制器10驱动旋转平台3转动，使得激光束入射传感芯片5金属膜表面的入射角大于或小于共振角的2°以内；S3、纳米平移台控制器9控制纳米平移台8驱动反射镜7平移，同时被测样品通过样品池14加载到传感芯片5上，信号采集本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述的传感装置包括激光器(1)、偏振器(2)、旋转平台(3)、激励棱镜(4)、传感芯片(5)、匹配棱镜(6)、反射镜(7)、纳米平移台(8)、纳米平移台控制器(9)、旋转台控制器(10)、第一光电探测器(11)、信号采集器(12)、计算机(13)、样品池(14)、半反镜(15)、第二光电探测器(16)；激光器(1)的谐振腔前端发射激光束，经偏振器(2)产生线偏振激光束，该偏振激光束进入到激励棱镜(4)，并在该棱镜内部经贴合有传感芯片(5)的棱镜面反射至匹配棱镜(6)，从匹配棱镜(6)出射后，形成物光束，透过半反镜(15)，垂直入射到反射镜(7)，再被反射镜(7)反射，形成反馈光束；反馈光束按原路返回进入激光器(1)的谐振腔，反馈光束与谐振腔内光束形成自混合干涉；第一光电探测器(11)设置在激光器(1)的谐振腔后端，用于探测激光器的激光后端输出光强，获取自混合干涉信号；第二光电探测器(16)设置在半反镜(15)的反射光路上，用于探测半反镜(15)的反射光强，获取SPR强度信号；反射镜(7)固定在纳米平移台(8)上，通过纳米平移台控制器(9)控制纳米平移台(8)驱动反射镜(7)平移，用于改变反馈光的光程，实现对自混合干涉信号的调制；信号采集器(12)分别与第一光电探测器(11)以及第二光电探测器(16)相连，采集信号后传输至相连的计算机(13)进行处理；激励棱镜(4)和匹配棱镜(6)通过折射率匹配液粘附成一整体，并固定在旋转平台(3)上；旋转台控制器(10)与旋转平台(3)相连并驱动旋转平台(3)转动，用于调整激光束进入激励棱镜的入射角；传感芯片(5)通过折射率匹配液粘附在激励棱镜(4)底面，被测样品通过样品池(14)置于传感芯片(5)的金属膜表面；计算机(13)控制旋转台控制器(10)、纳米平移台控制器(9)、信号采集器(12)和样品池(14)的联动，采集到的干涉信号经计算机进行处理得到干涉信号的强度和位相信息，通过强度和位相信息获得被测样品的检测参数。...

【技术特征摘要】
1.一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述的传感装置包括激光器(1)、偏振器(2)、旋转平台(3)、激励棱镜(4)、传感芯片(5)、匹配棱镜(6)、反射镜(7)、纳米平移台(8)、纳米平移台控制器(9)、旋转台控制器(10)、第一光电探测器(11)、信号采集器(12)、计算机(13)、样品池(14)、半反镜(15)、第二光电探测器(16)；激光器(1)的谐振腔前端发射激光束，经偏振器(2)产生线偏振激光束，该偏振激光束进入到激励棱镜(4)，并在该棱镜内部经贴合有传感芯片(5)的棱镜面反射至匹配棱镜(6)，从匹配棱镜(6)出射后，形成物光束，透过半反镜(15)，垂直入射到反射镜(7)，再被反射镜(7)反射，形成反馈光束；反馈光束按原路返回进入激光器(1)的谐振腔，反馈光束与谐振腔内光束形成自混合干涉；第一光电探测器(11)设置在激光器(1)的谐振腔后端，用于探测激光器的激光后端输出光强，获取自混合干涉信号；第二光电探测器(16)设置在半反镜(15)的反射光路上，用于探测半反镜(15)的反射光强，获取SPR强度信号；反射镜(7)固定在纳米平移台(8)上，通过纳米平移台控制器(9)控制纳米平移台(8)驱动反射镜(7)平移，用于改变反馈光的光程，实现对自混合干涉信号的调制；信号采集器(12)分别与第一光电探测器(11)以及第二光电探测器(16)相连，采集信号后传输至相连的计算机(13)进行处理；激励棱镜(4)和匹配棱镜(6)通过折射率匹配液粘附成一整体，并固定在旋转平台(3)上；旋转台控制器(10)与旋转平台(3)相连并驱动旋转平台(3)转动，用于调整激光束进入激励棱镜的入射角；传感芯片(5)通过折射率匹配液粘附在激励棱镜(4)底面，被测样品通过样品池(14)置于传感芯片(5)的金属膜表面；计算机(13)控制旋转台控制器(10)、纳米平移台控制器(9)、信号采集器(12)和样品池(14)的联动，采集到的干涉信号经计算机进行处理得到干涉信号的强度和位相信息，通过强度和位相信息获得被测样品的检测参数。2.根据权利要求1所述的基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置，其特征在于，所述的偏振器(...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟金钢，齐攀，周博文，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44