專利名稱：基于外場調(diào)制的表面等離子體共振檢測系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器及傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種基于外場調(diào)制的表面等離子體共振檢測系統(tǒng)及檢測方法。
背景技術(shù)：
表面等離子體共振(Surface Plasmon !Resonance，簡稱為SPR)生化傳感器是基于表面等離子體共振效應(yīng)，通過檢測表面折射率變化對生化物質(zhì)做定性、定量分析的一類傳感器。SI^R生化傳感器具有無標記、實時檢測、高靈敏度、節(jié)約樣品等優(yōu)點，能夠做濃度、親和性、動力學(xué)、特異性分析，被廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)組學(xué)研究、癌癥研究、新藥研發(fā)、信號傳遞、分子識別、免疫調(diào)節(jié)、免疫測定、疫苗開發(fā)、瞬時結(jié)合、配體垂釣、結(jié)合特異性、酶反應(yīng)等研究領(lǐng)域。表面等離子體波(Surface Plasmon Wave，簡稱為SPW)是沿金屬(如金、銀等)和介質(zhì)界面間傳播的表面電磁波，其場強在界面處達到最大并沿界面垂直方向指數(shù)衰減。根據(jù)Maxwell方程及相應(yīng)邊界條件，SPff的色散關(guān)系可以表述為其中ksp為金屬表面等離子波的傳播常數(shù)，λ、ω、C分別為波長、角頻率和光速， ε ε <!分別為金屬層和金屬表面介質(zhì)的介電常數(shù)。SPW在介質(zhì)中的穿透深度小于300nm， 結(jié)合上述色散關(guān)系得出結(jié)論SPW的屬性同緊鄰金屬表面的介質(zhì)折射率密切相關(guān)。SPW通過光進行激發(fā)，實現(xiàn)光到SPW能量的轉(zhuǎn)移，這就是sra現(xiàn)象。sra現(xiàn)象的出現(xiàn)需要激發(fā)光滿足一定條件激發(fā)光為ρ偏振光且光波波矢同spw的傳播常數(shù)相匹配。在此條件下，光耦合入SPW的能量最多，呈現(xiàn)在反射光譜上為一個吸收尖峰，我們稱之為共振峰。金屬表面介質(zhì)的變化導(dǎo)致SPW傳播常數(shù)的改變，從而影響激發(fā)光同SPW的耦合條件，體現(xiàn)在反射光譜上為共振峰位置相對于表面介質(zhì)折射率的線性變化?；诖嘶驹?，SI^R現(xiàn)象可以用于表面折射率的檢測。將單色平行光束的入射角度固定在sra共振峰兩側(cè)線性區(qū)域的某一位置，對反射光強進行檢測。當金屬表面介質(zhì)折射率變化時，共振峰位置隨折射率變化線性移動，上述固定位置的檢測光強也將發(fā)生線性變化。根據(jù)光強變化同折射率變化的線性關(guān)系，實現(xiàn)對表面折射率的檢測，這就是Sra強度檢測方法。sra強度檢測方法光路結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)大面積、微型化檢測，所以目前被廣泛應(yīng)用于表面等離子體共振成像(Surface Plasmon Resonancelmaging，簡稱為SPRI)檢測中。然而，SI3R強度檢測方法本身靈敏度有待提高， 且易受到外界噪聲(如散粒噪聲、強度漂移等)的影響，分辨率較低。提高sra強度檢測方法的靈敏度和分辨率，對于SPRI技術(shù)的發(fā)展有重大意義。其中，靈敏度和分辨率是表征SPR 傳感器性能的兩項重要指標，其定義分別為單位折射率變化所引起的檢測信號變化，能產(chǎn)生可檢測信號的最小折射率變化。靈敏度越高，分辨率越小，意味著SI^R傳感器的檢測能力越強。
因此，當前迫切需要一種能夠提高檢測靈敏度、抑制信號漂移造成的誤差，同時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于微型化、提高檢測的通量的sra檢測系統(tǒng)及方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高檢測靈敏度、抑制信號漂移的sra檢測系統(tǒng)及方法，同時本系統(tǒng)與方法適用于大通量檢測，具有實施條件寬松的特點。為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種基于外場調(diào)制的表面等離子體共振檢測系統(tǒng)，包括平行光輸出裝置；可調(diào)諧sra生物芯片；光耦合器，用于將平行光耦合進入可調(diào)諧SPR生物芯片；樣品池，該樣品池置于所述可調(diào)諧SPR生物芯片之上；光探測器，用于檢測可調(diào)諧SPR生物芯片反射或透射光光強；場發(fā)生器，用于生成作用于所述可調(diào)諧sra生物芯片的外場；以及控制系統(tǒng)，用于在一定檢測角度下完成外場掃描，確定兩個調(diào)制外場，并分別在兩個調(diào)制外場的作用下進行強度檢測。在定量分析中，控制系統(tǒng)采用兩種已知樣品進行系統(tǒng)靈敏度標定，并根據(jù)所述系統(tǒng)靈敏度對未知樣品分析得出表面等離子體共振檢測結(jié)果。其中，所述可調(diào)諧sra生物芯片包括可調(diào)諧介質(zhì)層，所述可調(diào)諧介質(zhì)層采用電光材料、磁光材料、熱光材料或者聲光材料。其中，所述可調(diào)諧SPR生物芯片采用耦合等離子體波導(dǎo)共振 (CoupledPlasmon-Waveguide Resonance,簡稱為CPWR)、波導(dǎo)耦合表面等離子體共振 (Waveguide-Coupled SPR，簡稱為WCSPR)或者其他具有能夠通過調(diào)制介質(zhì)層物理性質(zhì)(如折射率、厚度)對檢測信號進行調(diào)諧的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還提供了一種基于外場調(diào)制的表面等離子體共振檢測方法，包括下列步驟ι)在可調(diào)諧sra生物芯片上的樣品池中通入折射率或濃度已知的第一樣品溶液， 在一定檢測角度下完成外場掃描，確定兩個調(diào)制外場；2)分別在兩個調(diào)制外場的作用下進行強度檢測；更換折射率或濃度已知且不同于第一樣品溶液的第二樣品溶液，然后再次在所述兩個調(diào)制外場的作用下進行強度檢測， 計算在所述兩個調(diào)制外場的作用下的兩次強度檢測結(jié)果之差從而標定系統(tǒng)靈敏度；3)分別在步驟1)所確定的兩個調(diào)制外場下的作用下完成待測樣品的強度檢測， 再根據(jù)步驟幻所標定的系統(tǒng)靈敏度得到待測樣品溶液的折射率或濃度。其中，所述步驟1)包括下列子步驟11)在可調(diào)諧sra生物芯片上的樣品池中通入折射率或濃度已知的樣品溶液，在一定檢測角度下完成外場掃描，得出反射光隨外場變化的表面等離子體共振曲線；12)在所述表面等離子體共振曲線中找出共振峰所對應(yīng)的共振外場值，選擇所述共振外場值兩側(cè)的兩個外場值作為調(diào)制外場值。其中，所述步驟11)中，所述一定檢測角度的獲取包括下列子步驟111)不施加外場時，得出反射光隨檢測角度變化的表面等離子體共振曲線；
112)在共振峰所對應(yīng)的檢測角度區(qū)間內(nèi)，確定一個檢測角度作為完成所述外場掃描的一定檢測角度。其中，所述步驟12)中，所述調(diào)制外場值位于所述表面等離子體共振曲線共振峰兩側(cè)的線性區(qū)域。其中，所述步驟2、包括下列子步驟21)對可調(diào)諧sra生物芯片上的樣品池中折射率或濃度已知的第一樣品溶液，分別在兩個調(diào)制外場Fl和F2作用下，測出對應(yīng)的反射光光強Ip I2 ；22)在可調(diào)諧Sra生物芯片上的樣品池中通入折射率或濃度已知的第二樣品溶液，在兩個調(diào)制外場Fl和F2作用下，測出對應(yīng)的反射光光強I' pi' 2；23)由、、“和〗'pi' 2得到信號變化的總和Δ I，根據(jù)第一樣品溶液、第二樣品溶液的折射率差ΔN或者濃度差Δ C，得到檢測靈敏度S= Δ I/Δη或S= Δ I/Δ C。其中， ΔΙ可以表述為 ΔΙ = Ii1-I' J + |I2-I' 2|，也可以表述為 ΔΙ = II1-I2HI' rr 2|。其中，所述步驟幻包括下列子步驟31)可調(diào)諧sra生物芯片上的樣品池中通入待測樣品溶液，分別在兩個調(diào)制外場 Fl和F2作用下，測出對應(yīng)的反射光光強I 〃 pi" 2；32)根據(jù)I" ”I〃 2相對于I1U2或Γ ”Γ 2的變化Δ I ‘，由步驟23)所標定的靈敏度S得到待測樣品溶液的折射率或濃度信息。其中，所述外場可以是電、磁、聲或熱場。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果包括1、靈敏度提高。在雙外場的調(diào)制下，可調(diào)諧sra生物芯片的可調(diào)諧介質(zhì)層獲得兩種不同的光學(xué)參數(shù)。相當于在相同的外界條件下，兩個不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的sra生物傳感器同時對同一表面進行檢測。上述兩個等效的sra生物傳感器獲得的檢測信號變化方向相反， 總檢測信號的相對變化獲得增大，即對應(yīng)的檢測靈敏度獲得提高。2、檢測位置靈活。由于采用外場調(diào)制并且對于檢測角度的選擇具有很大的靈活性，這樣就消除了對機械結(jié)構(gòu)的依賴，提高易操作性且容易實現(xiàn)器件的集成，利于微型化。3、漂移自補償，減小外界條件改變造成的影響。本發(fā)明提出的檢測方法獲得的檢測值是兩個檢測信號的差值，具有自動消除信號漂移的能力，減小外界噪聲影響(如溫度、 壓力)，獲得信號質(zhì)量的提高。4、可實現(xiàn)高通量檢測。本發(fā)明采用的檢測系統(tǒng)光路簡單，容易實現(xiàn)對二維表面的檢測，能夠被應(yīng)用于高通量的陣列檢測中。


圖1是雙外場調(diào)制檢測方法的原理示意圖；圖2是基于電光調(diào)制的wcsra檢測系統(tǒng)；圖3是wcsra角度掃描曲線；圖4是將檢測角度確定在位于WCSra反射曲線共振峰處的52. 7度得到的電壓掃描曲線及選擇的兩個調(diào)制電壓-44V和15V ；圖5是在52. 7度的檢測角度下，施加-44V和15V的調(diào)制電壓分別得到信號的相對變化及總信號的相對變化；
圖6是在52. 7度的檢測角度下，施加-44V和15V的調(diào)制電壓分別得到信號及總
信號；圖7是將檢測角度確定在位于WCSra反射曲線共振峰左側(cè)的52. 67度得到的電壓掃描曲線及選擇的兩個調(diào)制電壓-54V和2V ；圖8是在52. 67度的檢測角度下，施加-54V和2V的調(diào)制電壓分別得到信號的相對變化及總信號的相對變化；圖9是在52. 67度的檢測角度下，施加-54V和2V的調(diào)制電壓分別得到信號及總
信號；圖10是將檢測角度確定在位于WCSra反射曲線共振峰右側(cè)的52. 74度得到的電壓掃描曲線及選擇的兩個調(diào)制電壓-30V和32V ；圖11是在52. 74度的檢測角度下，施加-30V和32V的調(diào)制電壓分別得到信號的相對變化及總信號的相對變化；圖12是在52. 74度的檢測角度下，施加-30V和32V的調(diào)制電壓分別得到信號及
總fe號°
具體實施例方式下面，結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步地說明。參考圖2，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供了一種使用電場作為外場調(diào)制的表面等離子體共振檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)包括單色光源1、光學(xué)組件2、高折射率棱鏡3、電場可調(diào)諧WCSra生物芯片5、電壓源8、光探測器4、控制系統(tǒng)9、樣品池6及微流控系統(tǒng)7。其中，單色光源1和光學(xué)組件2組成平行光輸出裝置，用于提供單色、線性偏振(TM 模式)、準直的光束。所述光學(xué)組件2包括不限順序的透鏡組、濾波片和偏振片等。高折射率棱鏡3用于使所述平行光輸出裝置提供的光束耦合進入電場可調(diào)諧 WCSI5R生物芯片5。本發(fā)明中，也可使用其它種類的棱鏡、光柵或其他能夠?qū)⑺龉馐詈线M入可調(diào)諧SPR生物芯片的光耦合器來替代所述高折射率棱鏡3。參考圖2，本實施例中，電場可調(diào)諧WCSPR生物芯片5從上至下依次由生物檢測層、 上層金屬、電調(diào)制層、下層金屬以及基底組成。電壓源8用于調(diào)諧電場可調(diào)諧wcsra生物芯片5中的電調(diào)制層的物理性質(zhì)(如折射率、厚度)。本實例對電調(diào)制層的折射率進行調(diào)諧， 即采用電光調(diào)制層。樣品池6是將檢測物質(zhì)局限于電場可調(diào)諧wcsra生物芯片5檢測表面的裝置，其數(shù)量、形狀及尺寸由檢測需要決定。光探測器4用于對來自電場可調(diào)諧WCSra生物芯片5的檢測層的反射或透射光強進行檢測。光探測器4可以是CCD、光電二極管，或者其他對光強敏感的傳感器。控制系統(tǒng)9是確定檢測角度、完成外場掃描、確定調(diào)制外場、記錄檢測信號、完成數(shù)據(jù)分析處理的軟硬件系統(tǒng)，包括但不限于轉(zhuǎn)臺控制器、場發(fā)生器控制器、數(shù)據(jù)采集器、中央控制器以及控制及分析軟件。微流控系統(tǒng)7用于實現(xiàn)樣品池中樣品更換，生物芯片表面清洗、重生的流體控制器，包括流體泵、選通閥和微流管道。本實施例中，光源發(fā)出的光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)整形、濾波、偏振處理，產(chǎn)生單色、平行、ρ型偏振的光通過高折射率棱鏡耦合入電光調(diào)制的wcsra生物芯片。光探測器接受來自生物芯片的反射光，通過光強的變化對生物芯片表面的信息進行檢測。以wcsra生物芯片的上下層金屬為電極，電壓源向電光調(diào)制層施加電場。電光調(diào)制層采用線性電光材料，其折射率變化與外加電場的關(guān)系為
權(quán)利要求
1.一種基于外場調(diào)制的表面等離子體共振檢測系統(tǒng)，包括平行光輸出裝置，用于提供平行光束；可調(diào)諧SPR生物芯片，用于反射或透射平行光；光耦合器，用于將平行光耦合進入可調(diào)諧SI^R生物芯片；樣品池，該樣品池置于所述可調(diào)諧sra生物芯片之上，用于容納樣品溶液；光探測器，用于檢測可調(diào)諧SPR生物芯片反射或透射光光強；場發(fā)生器，用于生成作用于所述可調(diào)諧sra生物芯片的外場；以及控制系統(tǒng)，用于完成外場掃描，確定兩個調(diào)制外場，并分別在兩個調(diào)制外場的作用下進行強度檢測標定系統(tǒng)靈敏度，并根據(jù)所述系統(tǒng)靈敏度對未知樣品進行強度檢測得出檢測結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體共振檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述可調(diào)諧SI^R生物芯片包括可調(diào)諧介質(zhì)層，所述可調(diào)諧介質(zhì)層采用電光材料、磁光材料、熱光材料或者聲光材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的表面等離子體共振檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述可調(diào)諧SI^R生物芯片采用耦合等離子體波導(dǎo)共振生物芯片或者波導(dǎo)耦合表面等離子體共振生物芯片；所述控制系統(tǒng)還用于根據(jù)外場掃描的結(jié)構(gòu)，在共振峰位置的兩側(cè)線性區(qū)域分別選擇一個外場值作為所述在兩個調(diào)制外場的取值。
4.一種基于外場調(diào)制的表面等離子體共振檢測方法，包括下列步驟D在可調(diào)諧sra生物芯片上的樣品池中通入折射率或濃度已知的第一樣品溶液，在一定檢測角度下完成外場掃描，確定兩個調(diào)制外場；2)分別在兩個調(diào)制外場的作用下進行強度檢測，更換折射率或濃度已知的第二樣品溶液再次進行強度檢測，計算在兩個調(diào)制外場的作用下的兩次強度檢測結(jié)果之差從而標定系統(tǒng)靈敏度；3)在可調(diào)諧SI^R生物芯片上的樣品池中通入待測樣品溶液，分別在步驟1)所確定的兩個調(diào)制外場下的作用下完成待測樣品的強度檢測，再根據(jù)步驟2、所標定的系統(tǒng)靈敏度得到待測樣品溶液的折射率或濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面等離子體共振檢測方法，其特征在于，所述步驟1)包括下列子步驟11)在可調(diào)諧sra生物芯片上的樣品池中通入折射率或濃度已知的樣品溶液，在一定檢測角度下完成外場掃描，得出反射光隨外場變化的表面等離子體共振曲線；12)在所述表面等離子體共振曲線中找出共振峰所對應(yīng)的共振外場值，選擇所述共振外場值兩側(cè)的兩個外場值作為調(diào)制外場值。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的表面等離子體共振檢測方法，其特征在于，所述步驟11)中， 所述一定檢測角度的獲取包括下列子步驟111)在不加外場時，得出反射光隨檢測角度變化的表面等離子體共振曲線；112)在共振峰所對應(yīng)的檢測角度區(qū)間內(nèi)，確定一個檢測角度作為完成所述外場掃描的一定檢測角度。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的表面等離子體共振檢測方法，其特征在于，所述步驟12)中， 所述調(diào)制外場值位于所述表面等離子體共振曲線共振峰兩側(cè)的線性區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面等離子體共振檢測方法，其特征在于，所述步驟幻包括下列子步驟21)對可調(diào)諧sra生物芯片上的樣品池中折射率或濃度已知的第一樣品溶液，分別在兩個調(diào)制外場Fl和F2作用下，測出對應(yīng)的反射光光強I” I2 ；22)在可調(diào)諧sra生物芯片上的樣品池中通入折射率或濃度已知的第二樣品溶液，在兩個調(diào)制外場Fl和F2作用下，測出對應(yīng)的反射光光強I' pi' 2；23)由IpI2和I' ρ I' 2得到信號變化的總和Δ I，根據(jù)第一樣品溶液、第二樣品溶液的折射率差Δ η或者濃度差Δ C，得到檢測靈敏度S= Δ I/Δη或S= Δ I/Δ C。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的表面等離子體共振檢測方法，其特征在于，所述步驟；3)包括下列子步驟31)可調(diào)諧SPR生物芯片上的樣品池中通入待測樣品溶液，分別在兩個調(diào)制外場Fl和 F2作用下，測出對應(yīng)的反射光光強I" pi" 2；32)根據(jù)1〃pi" 2相對于、、“或廣2的變化ΔΙ'，由步驟23)所標定的靈敏度S得到待測樣品溶液的折射率或濃度信息，其中，ΔΙ可以表述為ΔΙ =I1-I' J + Ii2-I' 2|，也可以表述為 ΔΙ = II1-I2HI'「Ι' 2|。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的表面等離子體共振檢測方法，其特征在于，所述外場可以是電場、磁場、聲場或熱場。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于外場調(diào)制的表面等離子體共振檢測系統(tǒng)及方法，其中，所述檢測方法包括1)在可調(diào)諧SPR生物芯片上的樣品池中通入折射率或濃度已知的樣品溶液，在一定檢測角度下完成外場掃描，確定兩個調(diào)制外場；2)分別在兩個調(diào)制外場的作用下完成對兩種折射率或濃度已知溶液的強度檢測，計算兩個調(diào)制外場下的強度檢測結(jié)果之差從而標定系統(tǒng)靈敏度；3)在可調(diào)諧SPR生物芯片上的樣品池中通入待測樣品溶液，分別在步驟1)所確定的兩個調(diào)制外場下的作用下完成強度檢測，再根據(jù)步驟2)所標定的系統(tǒng)靈敏度得到待測樣品溶液的折射率或濃度。本發(fā)明能夠提高靈敏度，抑制信號漂移，同時具有檢測位置靈活的優(yōu)點，并且可實現(xiàn)高通量檢測。
文檔編號G01N21/41GK102346132SQ201010245339
公開日2012年2月8日 申請日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月4日
發(fā)明者周大蘇, 宋爐勝, 朱勁松, 李德虎, 程志強 申請人:國家納米科學(xué)中心