專利名稱：一種表面等離子共振耦合光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面等離子共振成像分析儀，特別是關(guān)于一種表面等離子共振
耦合光學(xué)元件。
背景技術(shù)：
表面等離子共振成像技術(shù)(Surface Plasmon Resonance Imaging, SPRI)是由一種 表面敏感型光學(xué)檢測技術(shù)。表面等離子共振成像技術(shù)在具備表面等離子共振光譜技術(shù) (Surface Plasmon Resonance, SPR)實(shí)時、高靈敏度、免標(biāo)記優(yōu)點(diǎn)的同時，又克服了表面 等離子共振光譜技術(shù)單一通道的缺點(diǎn)，憑借成像手段可以同時監(jiān)測傳感膜表面各處的信 號變化。表面等離子共振成像技術(shù)與生物芯片技術(shù)相結(jié)合，將傳感膜表面修飾不同探針 分子陣列，實(shí)現(xiàn)對待測樣品中的目標(biāo)物進(jìn)行高通量的檢測或篩選。近年隨著基因組學(xué)、 蛋白質(zhì)組學(xué)等各種生物分子組學(xué)的深入研究，表面等離子共振成像技術(shù)越來越受到科學(xué) 家的重視，被認(rèn)為是一種很有潛力的高通量生化分析方法。 如圖1所示，目前的表面等離子共振成像分析儀器大多是基于克萊舒曼 (Kretschmann)結(jié)構(gòu)來激發(fā)表面等離子共振?？巳R舒曼(Kretschmann)結(jié)構(gòu)中用到等腰棱鏡 1，其中金膜設(shè)置在等腰棱鏡1的底面，光發(fā)射元件2位于等腰棱鏡1的第一腰面一側(cè)， 從光發(fā)射元件2出射的平行光從等腰棱鏡1的第一腰面射入棱鏡，在底面上發(fā)生全反射并 從第二腰面射出等腰棱鏡l。光學(xué)檢測元件3位于等腰棱鏡1第二腰面一側(cè)，光發(fā)射元件 2與光學(xué)檢測元件3的光軸相交于等腰棱鏡1的底面的中心點(diǎn)處。進(jìn)行入射角掃描時，光 學(xué)檢測元件3與光發(fā)射元件2同時繞等腰棱鏡1的底面中心點(diǎn)相互反向轉(zhuǎn)動。然而光發(fā) 射元件2與光學(xué)檢測元件3的聯(lián)動不但會增加系統(tǒng)加工及裝配難度，還會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定 性。 如圖2所示，中國申請專利"自適應(yīng)表面等離子體波氣體折射率傳感元件"(專 利申請?zhí)?1134380.X)中描述了一種自適應(yīng)角度掃描的SPR共振單元，由等腰三棱鏡4 和屋脊棱鏡5組合成表面等離子共振單元，其中金膜設(shè)置在等腰三棱鏡4的底面6，屋脊 棱鏡5的斜面通過折射率匹配介質(zhì)貼于等腰三棱鏡4的一等腰面。入射光從等腰三棱鏡 4的一等腰面7進(jìn)入等腰三棱鏡4，并在等腰三棱鏡4的底面6發(fā)生全反射，然后依次經(jīng) 過屋脊棱鏡5兩直角面反射后再經(jīng)等腰三棱鏡4的底面6全反射最后透出等腰三棱鏡4， 光線在棱鏡內(nèi)部經(jīng)過相鄰兩直角面的反射后，出射光與入射光反向平行。然而該結(jié)構(gòu)單 元的缺點(diǎn)是其中用到兩個棱鏡的組合，這樣就要求兩個棱鏡均具有較高的光學(xué)加工和裝 配精度。 如圖3所示，中國申請專利"雙通道自適應(yīng)型表面等離子共振折射率光學(xué)元 件"(專利申請?zhí)?00710053284.0)中所述的雙通道自適應(yīng)表面等離子共振光學(xué)單元， 由一個小等腰直角三棱鏡8與一個大等腰直角三棱鏡9的直角面通過折射率油相貼組合而 成，組合后兩直角棱鏡的斜面相互平行。金膜設(shè)置在兩直角棱鏡的斜面上，入射光從小 等腰直角三棱鏡外側(cè)的直角面IO進(jìn)入棱鏡，再依次被小等腰直角三棱鏡和大等腰直角三棱鏡的斜面全反射后，從大等腰直角三棱鏡的直角面ll射出棱鏡，且出射光方向與入射 光平行。但是本光學(xué)元件需要兩個棱鏡的組合使用，因此對兩個棱鏡的加工和裝配都需 要較高的精度。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種易于加工和裝配，可以提高表面等離 子共振成像系統(tǒng)穩(wěn)定性的表面等離子共振耦合光學(xué)元件。 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案 一種表面等離子共振耦合光學(xué)元 件，其特征在于它包括一直角棱鏡，所述直角棱鏡上的一個側(cè)面為矩形且垂直于底 面，與垂直的矩形側(cè)面相對的側(cè)面為斜面，該斜面與所述底面成一角度，所述直角棱鏡 上剩下的兩個側(cè)面相互平行；所述矩形側(cè)面的外表面設(shè)置有傳感膜和反射涂層之一，與 此相對應(yīng)，與所述矩形側(cè)面垂直的底面外表面上設(shè)置有所述反射涂層和傳感膜之一。
所述傳感膜通過一透明基片設(shè)置在所述直角棱鏡的外表面，所述傳感膜設(shè)置在 所述透明基片的外表面上。 所述直角棱鏡與所述透明基片之間設(shè)置有與所述透明基片和直角棱鏡的折射率 相同的折射率匹配介質(zhì)。 所述透明基片由硼硅酸鹽光學(xué)玻璃、聚碳酸酯和光學(xué)聚合物之一制成。
所述折射率匹配介質(zhì)為松柏油和有機(jī)硅凝膠之一
所述斜面上設(shè)置有增透膜。 所述直角棱鏡的形狀為直四棱臺，所述直角棱鏡由硼硅酸鹽光學(xué)玻璃、聚碳酸 酯和光學(xué)聚合物之一制成。 所述直角棱鏡的形狀為直四棱錐形，所述直角棱鏡由硼硅酸鹽光學(xué)玻璃、聚碳 酸酯和光學(xué)聚合物之一制成。 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明由于采用了一直角 棱鏡，直角棱鏡上的一個側(cè)面為矩形且垂直于底面，矩形側(cè)面設(shè)置有一帶有傳感膜的透 明基片和反射涂層之一，與此相對應(yīng)，與矩形側(cè)面垂直的底面上設(shè)置有反射涂層和帶有 傳感膜的透明基片之一，因此當(dāng)入射光從斜面入射后必然會從斜面射出，并與入射光線 平行，從而只需要在應(yīng)用時將入射光部件與反射光接收部件設(shè)置在直角棱鏡上斜面的同 一側(cè)，光接收部件始終能夠接收到出射光，進(jìn)而減少了外圍傳動機(jī)械結(jié)構(gòu)引起的機(jī)械誤 差，提高了角度掃描精度，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。2、本發(fā)明由于僅采用一直角棱鏡，形狀 可以為直四棱臺，也可以為一直四棱錐形，因此簡化了傳統(tǒng)等腰棱鏡的克萊舒曼結(jié)構(gòu)所 需的復(fù)雜角度聯(lián)動機(jī)構(gòu)，因此加工和裝配方便。3、本發(fā)明由于在直角棱鏡與透明基片之 間設(shè)置有與透明基片和直角棱鏡的折射率相同的介質(zhì)，因此便于透明基片和直角棱鏡進(jìn) 行物理分離，方便更換傳感膜。本發(fā)明加工裝配簡易，可以廣泛用在微量高通分析中的 角度掃描的表面等離子共振光譜系統(tǒng)以及表面等離子共振成像系統(tǒng)。


圖1是克萊舒曼結(jié)構(gòu)的表面等離子成像示意圖 圖2是自適應(yīng)表面等離子體波氣體折射率傳感元件結(jié)構(gòu)示意圖
圖3是雙通道自適應(yīng)型表面等離子共振折射率光學(xué)元件結(jié)構(gòu)示意圖 圖4是本發(fā)明的直角棱鏡為直四棱臺時的結(jié)構(gòu)示意圖 圖5是本發(fā)明的直角棱鏡為直四棱錐形時的結(jié)構(gòu)示意圖 圖6本發(fā)明的設(shè)置透明基片的直四棱臺形狀的直角棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖 圖7是本發(fā)明使用狀態(tài)示意圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。 本發(fā)明包括一直角棱鏡12，直角棱鏡12的形狀為一直四棱臺(如圖4所示)或 一直四棱錐形(如圖5所示)。如圖4所示，直四棱臺形狀的直角棱鏡12的一個側(cè)面為 矩形且垂直于上、下底面，與垂直的矩形側(cè)面相對的側(cè)面為斜面，該斜面與上、下底面 成一定角度，剩下的兩個側(cè)面為相互平行的直角梯形，面積較大的底面為上底面，面積 較小的底面為下底面。其中，定義直角棱鏡的上底面為第一直角面ABCD，直角棱鏡12 的矩形側(cè)面為第二直角面CDEF，第一直角面ABCD與第二直角面CDEF相互垂直，斜面 ABGH與第一直角面ABCD所成的銳角夾角為底角a 。如圖5所示，直四棱錐形形狀的 直角棱鏡12的一個側(cè)面為矩形且垂直于上底面，與垂直的矩形側(cè)面相對的側(cè)面為斜面， 該斜面與上、下底面成一定角度，剩下的兩個側(cè)面為相互平行的直角三角形，上底面為 第一直角面A' B' C' D'，直角棱鏡12的矩形側(cè)面為第二直角面C' D' E' F'，第 一直角面A' B' C' D'與第二直角面C' D' E' F'相互垂直，斜面A' B' E' F' 與第一直角面A' B' C' D'所成的銳角夾角為底角a'。
下面是以直四棱臺為例來對本發(fā)明進(jìn)行說明。 如圖6所示，直角棱鏡12上的第一直角面ABCD上可以設(shè)置有傳感膜13，傳感 膜13用于承載表面等離子體波，且表面等離子共振發(fā)生在該傳感膜表面。傳感膜13表 面可以設(shè)置用于識別待測樣品的探針分子陣列。與第一直角面ABCD相對應(yīng)，第二直角 面CDEF外表面上設(shè)置增強(qiáng)反射涂層15，可以增強(qiáng)光線在其內(nèi)表面的反射率。
入射光17從斜面ABGH以任意角度射入直角棱鏡12內(nèi)，經(jīng)第二直角面CDEF 上的增強(qiáng)反射涂層15反射至第一直角面ABCD上，再經(jīng)第一直角面ABCD全反射，最后 從斜面ABGH射出，出射光18始終與入射光6反向平行，從而實(shí)現(xiàn)了角度掃描時出射光 18自動跟隨入射光17的目的。 直角棱鏡12可以由光學(xué)玻璃制成，也可以由聚丙烯酸酯等光學(xué)聚合物等透明材 料制成。本實(shí)施例中，直角棱鏡12是由硼硅酸鹽光學(xué)玻璃制成，光學(xué)玻璃的型號優(yōu)選 BK7，直角棱鏡12可以通過光學(xué)加工領(lǐng)域的一般加工手段研磨得到。傳感膜13由可以 激發(fā)SPR的金、銀、鋁等金屬或其它材料制成，相當(dāng)于現(xiàn)有技術(shù)中的金膜。傳感膜13表 面的探針分子陣列可以根據(jù)待測樣品組分進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)。本實(shí)施例中的傳感膜13為厚度 為50nm的金膜。第二直角面CDEF上的增強(qiáng)反射涂層15可以是銀、鋁、金等金屬或介 質(zhì)，本實(shí)施例中使用金屬銀涂層，增強(qiáng)反射涂層15可以通過真空蒸鍍法或離子濺射鍍膜 法得到。 上述實(shí)施例中，也可以將傳感膜13通過透明基片14設(shè)置在第一直角面ABCD 上，傳感膜13設(shè)置在透明基片14的外表面，透明基片14的內(nèi)表面通過折射率匹配介質(zhì)貼附于直角棱鏡12的第一直角面ABCD上。帶有傳感膜13的透明基片14為一可以與 直角棱鏡12分離的獨(dú)立組件，透明基片14可以由光學(xué)玻璃制成，也可以由聚丙烯酸酯等 光學(xué)聚合物等透明材料制成，本實(shí)施例中，透明基片14由厚度為0.2mm硼硅酸鹽光學(xué)玻 璃制成，光學(xué)玻璃的型號優(yōu)選BK7，也可選用聚碳酸酯等其它可與直角棱鏡12的折射率 相匹配的光學(xué)透明材料。透明基片14與直角棱鏡12之間設(shè)置有折射率匹配介質(zhì)，該折 射率匹配介質(zhì)的折射率與透明基片14和直角棱鏡12相同，其材料可以為液體和凝膠等， 如松柏油和有機(jī)硅凝膠，本實(shí)施例中優(yōu)選松柏油。安裝透明基片14時，首先在透明基片 14未鍍傳感膜13的一面中心位置滴加數(shù)微升松柏油，然后從底邊開始逐漸將透明基片14 與直角棱鏡12的第一直角面ABCD貼在一起。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，透明基片14和直角棱鏡可 以進(jìn)行物理分離，從而便于更換傳感膜13。 上述各實(shí)施例中，斜面ABGH外表面上可以設(shè)置有增透膜16，可以增強(qiáng)光線的 透過率。 如圖7所示，本發(fā)明應(yīng)用在表面等離子共振成像系統(tǒng)時，系統(tǒng)中光發(fā)射部件19 與光接收部件20位于直角棱鏡12的斜面ABGH的同一側(cè)，角度掃描時只需驅(qū)動直角棱 鏡12繞其繞第一直角面ABCD轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)動平面垂直于兩直角面所在平面的交線，棱鏡 轉(zhuǎn)動時入射光17對于第一直角面的入射角隨之改變，光線經(jīng)過直角面兩次反射后，出射 光18始終與入射光17反向平行，從而保證了角度掃描時出射光18始終能夠被光接收部 件20接收，光接收部件20通過變焦成像單元將傳感膜共振圖像成像于檢測器表面。
上述各實(shí)施例中，直角棱鏡12上的第一直角面ABCD上可以設(shè)置有增強(qiáng)反射涂 層15，與第一直角面ABCD相對應(yīng)，第二直角面CDEF上設(shè)置帶有傳感膜13的透明基片 14。 以上所述，僅為本發(fā)明的一種較佳實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可依據(jù)本發(fā)明說 明書、權(quán)利要求書與附圖進(jìn)行修改與等效變換，這樣的修改與變換均不應(yīng)排除在本發(fā)明 的范圍之外。
權(quán)利要求
一種表面等離子共振耦合光學(xué)元件，其特征在于它包括一直角棱鏡，所述直角棱鏡上的一個側(cè)面為矩形且垂直于底面，與垂直的矩形側(cè)面相對的側(cè)面為斜面，該斜面與所述底面成一角度，所述直角棱鏡上剩下的兩個側(cè)面相互平行；所述矩形側(cè)面的外表面設(shè)置有傳感膜和反射涂層之一，與此相對應(yīng)，與所述矩形側(cè)面垂直的底面外表面上設(shè)置有所述反射涂層和傳感膜之一。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種表面等離子共振耦合光學(xué)元件，其特征在于所述傳感 膜通過一透明基片設(shè)置在所述直角棱鏡的外表面，所述傳感膜設(shè)置在所述透明基片的外 表面上。
3. 如權(quán)利要求2所述的一種表面等離子共振耦合光學(xué)元件，其特征在于所述直角 棱鏡與所述透明基片之間設(shè)置有與所述透明基片和直角棱鏡的折射率相同的折射率匹配 介質(zhì)。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種表面等離子共振耦合光學(xué)元件，其特征在于所述透明 基片由硼硅酸鹽光學(xué)玻璃、聚碳酸酯和光學(xué)聚合物之一制成。
5. 如權(quán)利要求3所述的一種表面等離子共振耦合光學(xué)元件，其特征在于所述折射 率匹配介質(zhì)為松柏油和有機(jī)硅凝膠之一
6. 如權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的一種表面等離子共振耦合光學(xué)元件，其特征在于所述斜面上設(shè)置有增透膜。
7. 如權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的一種表面等離子共振耦合光學(xué)元件，其特征在于所述直角棱鏡的形狀為直四棱臺，所述直角棱鏡由硼硅酸鹽光學(xué)玻璃、聚碳酸酯和光學(xué)聚合物之一制成。
8. 如權(quán)利要求6所述的一種表面等離子共振耦合光學(xué)元件，其特征在于所述直角棱鏡的形狀為直四棱臺，所述直角棱鏡由硼硅酸鹽光學(xué)玻璃、聚碳酸酯和光學(xué)聚合物之 一制成。
9. 如權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的一種表面等離子共振耦合光學(xué)元件，其特征在于所述直角棱鏡的形狀為直四棱錐形，所述直角棱鏡由硼硅酸鹽光學(xué)玻璃、聚碳酸酯和光學(xué)聚合物之一制成。
10. 如權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的一種表面等離子共振耦合光學(xué)元件，其特征在于所述直角棱鏡的形狀為直四棱錐形，所述直角棱鏡由硼硅酸鹽光學(xué)玻璃、聚碳酸酯和光學(xué)聚合物之一制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面等離子共振耦合光學(xué)元件，其特征在于它包括一直角棱鏡，所述直角棱鏡上的一個側(cè)面為矩形且垂直于底面，與垂直的矩形側(cè)面相對的側(cè)面為斜面，該斜面與所述底面成一角度，所述直角棱鏡上剩下的兩個側(cè)面相互平行；所述矩形側(cè)面的外表面設(shè)置有傳感膜和反射涂層之一，與此相對應(yīng)，與所述矩形側(cè)面垂直的底面的外表面設(shè)置有所述反射涂層和傳感膜之一。本發(fā)明加工裝配簡易，可以廣泛用在微量高通分析中的角度掃描的表面等離子共振光譜系統(tǒng)以及表面等離子共振成像系統(tǒng)。
文檔編號G01N21/01GK101692036SQ200910235770
公開日2010年4月7日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者張軼鳴, 陳義 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所