表面电磁模式共振高光谱成像装置、成像方法及应用制造方法及图纸

一种表面电磁模式共振高光谱成像装置、成像方法及应用，该装置包括耦合部件、光源、显微镜筒、高光谱相机和表面电磁模式共振芯片，表面电磁模式共振芯片包括表面电磁模式共振结构；由光源发出的宽带线偏振平行光从耦合部件的第一侧射入耦合部件后，在共振结构靠近耦合部件的表面发生全反射，产生的消逝场与共振结构作用而共振激励表面电磁模式，反射光携带着表面电磁模式共振结构的二维信息从耦合部件的第二侧射出后，穿过显微镜筒被高光谱相机接收，记录的反射光图像和光谱为表面电磁模式共振图像和共振光谱。本发明专利技术可进行图像和光谱同步测量，能实现表面电磁模式共振结构二维信息的定量检测，空间分辨率高。

Surface Electromagnetic Mode Resonance Hyperspectral Imaging Device, Imaging Method and Application

A surface electromagnetic mode resonance hyperspectral imaging device, imaging method and application, which includes a coupling component, a light source, a microscope barrel, a hyperspectral camera and a surface electromagnetic mode resonance chip, and a surface electromagnetic mode resonance chip including a surface electromagnetic mode resonance structure; a broadband linearly polarized parallel light emitted by a light source enters the coupling component from the first side of the coupling component, and then, after the coupling component is injected into the surface electromagnetic mode resonance chip, the surface electromagnetic mode resonance Total reflection occurs near the surface of the coupling component, resulting in evanescent field and resonance structure acting on the surface, and resonance excites the surface electromagnetic mode. The reflected light carries two-dimensional information of the surface electromagnetic mode resonance structure from the second side of the coupling component and is received by the hyperspectral camera through the microscope barrel. The reflected light images and spectra recorded are surface electromagnetic mode resonance images and spectra. Resonance spectrum. The invention can carry out synchronous measurement of image and spectrum, realize quantitative detection of two-dimensional information of surface electromagnetic mode resonance structure, and has high spatial resolution.

【技术实现步骤摘要】
表面电磁模式共振高光谱成像装置、成像方法及应用
本专利技术涉及光学传感
，尤其涉及一种表面电磁模式共振高光谱成像装置、成像方法及应用。
技术介绍
表面电磁模式共振成像属于消逝波传感技术，是一种对表界面生化反应高度专一和高度敏感的二维空间分辨光学传感技术，具有抗电磁干扰、响应快、免标记、高通量、适合原位测试等优点。此外，现有的CCD或CMOS图像探测器普遍能够连续快速记录图像，从而赋予了表面电磁模式共振成像装置良好的时间分辨本领，使其能够原位跟踪表界面生化反应，进而获取其反应动力学参数。由此可见，表面电磁模式共振成像技术在生化检测领域具有重要的应用价值。表面电磁模式共振结构主要包括表面等离子体共振结构、光波导共振结构和光子晶体共振结构。在这三种结构中，表面等离子体共振结构最为简单，最容易于实现，因此备受青睐。1987年Yeatman等人使用He-Ne激光器作为光源首次实现了表面等离子体共振成像。自此以后，表面等离子体共振成像传感器在国际上获得了广泛研究，并被开发成为商业化的分析仪器。但是，基于单色光源的表面等离子体共振图像是灰度像，信息量少，定量分析能力差，检测动态范围窄，一次成像难以准确反映成像区域所有位点的生化反应；而且，灰度像纪录的是图像不同区域的光强大小，光强是个相对值，不仅依赖于表面等离子体共振结构，还依赖于光源和探测器。因此光强作为被测物理量不适合对其进行仿真拟合以求取生化靶标分子吸附层的相关参数。与此相比，共振波长只依赖于表面等离子体共振结构，一旦测定了共振波长，就能够通过仿真拟合而获得生化靶标分子吸附层的相关参数。1996年Knobloch等人首次利用白光光源获得了彩色表面等离子体共振图像。相比于灰度共振图像，彩像共振图像包含共振波长信息，信息量大，测量动态范围宽，原则上一次成像就能提供整个成像区域所有位点的生化反应信息。但是，利用RGB全色CCD成像器件采集的彩色共振图像也只是用于直观的图像分析，不能进行定量检测。究其原因是，虽然彩色共振图像包含共振波长信息，但是目前为止，如何从彩色共振图像中准确提取出共振波长仍然是一个亟待解决的关键问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种表面电磁模式共振高光谱成像装置、成像方法及应用，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少一种。根据本专利技术的一个方面，提供一种表面电磁模式共振高光谱成像装置，包括：耦合部件；光源，位于所述耦合部件的第一侧；显微镜筒，位于所述耦合部件的第二侧；高光谱相机，位于所述显微镜筒的远离耦合部件的一侧；以及表面电磁模式共振芯片，与所述耦合部件的上表面紧密接触，包括表面电磁模式共振结构；其中，由所述光源发出的宽带线偏振平行光从所述耦合部件的第一侧射入耦合部件后，在所述表面电磁模式共振结构的靠近耦合部件的表面发生全反射，全反射产生的消逝场与所述表面电磁模式共振结构作用而共振激励表面电磁模式，反射光携带着表面电磁模式共振结构的二维信息从所述耦合部件的第二侧射出后，穿过显微镜筒被所述高光谱相机接收，由该高光谱相机同步记录得到的反射光图像和反射光光谱即为表面电磁模式共振图像和与所述表面电磁模式共振图像相对应的表面电磁模式共振光谱。在本专利技术的一些实施例中，所述表面电磁模式共振结构为传播表面等离子体共振结构、长程表面等离子体共振结构、局域表面等离子体共振结构、漏模光波导结构或光子晶体结构。在本专利技术的一些实施例中，所述表面电磁模式共振结构呈微阵列式分布。在本专利技术的一些实施例中，所述表面电磁模式共振光谱是对应于所述表面电磁模式共振图像整个区域的共振光谱，或是对应于所述表面电磁模式共振图像局部区域的共振光谱，或是对应于所述表面电磁模式共振图像任意一像素的共振光谱。在本专利技术的一些实施例中，所述表面电磁模式共振光谱用于准确确定所述表面电磁模式的共振波长；结合同步测得的表面电磁模式共振图像和表面电磁模式共振光谱求得与表面电磁模式共振图像相对应的共振波长二维分布图，再利用菲涅耳公式对所述共振波长二维分布图进行逐点拟合进而定量获取所述表面电磁模式共振结构的二维信息。在本专利技术的一些实施例中，所述表面电磁模式共振芯片还包括透明基底，所述透明基底的下表面与所述耦合部件的上表面紧密接触，所述表面电磁模式共振结构形成于所述透明基底的上表面；其中，所述宽带线偏振平行光在所述透明基底与所述表面电磁模式共振结构之间的界面发生全反射。在本专利技术的一些实施例中，所述透明基底的下表面通过耦合液与所述耦合部件的上表面形成紧密接触，所述耦合液的折射率不低于所述透明基底。在本专利技术的一些实施例中，所述透明基底选自玻璃基片、石英基片和有机玻璃片的一种。在本专利技术的一些实施例中，所述光源包括：发光体，发出宽带光；准直透镜，设置于所述发光体的前端，发光体发出的宽带光穿过该准直透镜后成为宽带平行光；以及线性偏振器，设置于所述准直透镜的前端，所述宽带平行光垂直穿过该线性偏振器后成为所述宽带线偏振平行光。在本专利技术的一些实施例中，所述耦合部件为耦合棱镜，所述耦合棱镜为以下棱镜中的一种：半圆柱形棱镜，其上表面为平面，所述第一侧和第二侧分别为该半圆柱形棱镜的下方左右两侧；半球形棱镜，其上表面为平面，所述第一侧和第二侧分别为该半球形棱镜的下方左右两侧；直角棱镜，其上表面为其斜面，所述第一侧和第二侧分别为该直角棱镜的两直角面；梯形棱镜，其上表面为其底面，所述第一侧和第二侧分别为该梯形棱镜的两侧面。在本专利技术的一些实施例中，所述表面电磁模式共振高光谱成像装置还包括样品池，设置于所述表面电磁模式共振结构的上表面并使得所述样品池内的溶液样品不向外泄漏，所述样品池内的溶液样品能够直接接触所述表面电磁模式共振结构的上表面；所述宽带线偏振平行光照射到所述表面电磁模式共振芯片的区域位于所述样品池内。作为本专利技术的另一个方面，提供一种使用如上所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置的成像方法，所述成像方法包括：将表面电磁模式共振芯片紧密贴合于耦合部件的上表面；使光源发出的宽带线偏振平行光从耦合部件的第一侧射入耦合部件后，在表面电磁模式共振结构的靠近耦合部件的表面发生全反射，全反射产生的消逝场与所述表面电磁模式共振结构作用而共振激励表面电磁模式；携带着表面电磁模式共振结构的二维信息的反射光从所述耦合部件的第二侧射出，穿过显微镜筒后被高光谱相机接收；利用高光谱相机同步记录反射光图像和反射光光谱，所述反射光图像和反射光光谱即为表面电磁模式共振图像和与所述表面电磁模式共振图像相对应的表面电磁模式共振光谱。作为本专利技术的又一个方面，提供一种如上所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置在以下方面中的应用：用于原位定量检测溶液样品中化学或/和生物靶标分子的浓度，或/和用于原位实时测定溶液样品中化学或/和生物靶标分子在所述表面电磁模式共振芯片表面的吸附反应动力学参数，或/和用于原位测定溶液样品中化学或/和生物靶标分子在所述表面电磁模式共振芯片表面的表面密度的平均值及其二维分布，或/和用于原位实时监测所述表面电磁模式共振芯片的表面功能化修饰过程和定量分析表面功能化修饰层的均匀性；或/和用于原位跟踪分析细胞的粘附、凋亡、分裂或分泌行为。基于上述技术方案，本专利技术的有益效果在于：(1)功能多，将高光谱相机应用于表面电磁模式共振成像中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于，所述表面电磁模式共振高光谱成像装置包括：耦合部件；光源，位于所述耦合部件的第一侧；显微镜筒，位于所述耦合部件的第二侧；高光谱相机，位于所述显微镜筒的远离耦合部件的一侧；以及表面电磁模式共振芯片，与所述耦合部件的上表面紧密接触，包括表面电磁模式共振结构；其中，由所述光源发出的宽带线偏振平行光从所述耦合部件的第一侧射入耦合部件后，在所述表面电磁模式共振结构的靠近耦合部件的表面发生全反射，全反射产生的消逝场与所述表面电磁模式共振结构作用而共振激励表面电磁模式，反射光携带着表面电磁模式共振结构的二维信息从所述耦合部件的第二侧射出后，穿过显微镜筒被所述高光谱相机接收，由该高光谱相机同步记录得到的反射光图像和反射光光谱即为表面电磁模式共振图像和与所述表面电磁模式共振图像相对应的表面电磁模式共振光谱。

【技术特征摘要】
1.一种表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于，所述表面电磁模式共振高光谱成像装置包括：耦合部件；光源，位于所述耦合部件的第一侧；显微镜筒，位于所述耦合部件的第二侧；高光谱相机，位于所述显微镜筒的远离耦合部件的一侧；以及表面电磁模式共振芯片，与所述耦合部件的上表面紧密接触，包括表面电磁模式共振结构；其中，由所述光源发出的宽带线偏振平行光从所述耦合部件的第一侧射入耦合部件后，在所述表面电磁模式共振结构的靠近耦合部件的表面发生全反射，全反射产生的消逝场与所述表面电磁模式共振结构作用而共振激励表面电磁模式，反射光携带着表面电磁模式共振结构的二维信息从所述耦合部件的第二侧射出后，穿过显微镜筒被所述高光谱相机接收，由该高光谱相机同步记录得到的反射光图像和反射光光谱即为表面电磁模式共振图像和与所述表面电磁模式共振图像相对应的表面电磁模式共振光谱。2.根据权利要求1所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于：所述表面电磁模式共振结构为传播表面等离子体共振结构、长程表面等离子体共振结构、局域表面等离子体共振结构、漏模光波导结构或光子晶体结构；和/或所述表面电磁模式共振结构呈微阵列式分布。3.根据权利要求1所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于，所述表面电磁模式共振光谱是对应于所述表面电磁模式共振图像整个区域的共振光谱，或是对应于所述表面电磁模式共振图像局部区域的共振光谱，或是对应于所述表面电磁模式共振图像任意一像素的共振光谱。4.根据权利要求1或3所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于：所述表面电磁模式共振光谱用于准确确定所述表面电磁模式的共振波长；结合同步测得的表面电磁模式共振图像和表面电磁模式共振光谱能够求得与表面电磁模式共振图像相对应的共振波长二维分布图，以利用菲涅耳公式对所述共振波长二维分布图进行逐点拟合进而定量获取所述表面电磁模式共振结构的二维信息。5.根据权利要求1所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于，所述表面电磁模式共振芯片还包括透明基底，所述透明基底的下表面与所述耦合部件的上表面紧密接触，所述表面电磁模式共振结构形成于所述透明基底的上表面；其中，所述宽带线偏振平行光在所述透明基底与所述表面电磁模式共振结构之间的界面发生全反射。6.根据权利要求5所述的表面电磁模式共振高光谱成像装置，其特征在于：所述透明基底的下表面通过耦合液与所述耦合部件的上表面形成紧密接触，所述耦合液的折射率不低于所述透明基底；和/或所述透明基底选自玻璃基片、石英...

【专利技术属性】
技术研发人员：祁志美，高然，张萌颖，张璐璐，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11