專利名稱：一種表面等離子體共振生物傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學傳感技術、分光計技術及光電檢測領域，尤其涉及一種應用于高校普通物理實驗教學及簡易生物體液濃度測試的表面等離子體共振生物傳感裝置。
背景技術：
自從20世紀60年代Otto和Kretschmarm等人開始研究關于表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)問題以來，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，現(xiàn)在已發(fā)展為可檢測生物分子相互作用過程的SI^R生物傳感器。SI^R生物傳感器具有高靈敏度、高響應度等特點?，F(xiàn)SPR生物傳感器主要應用在生物醫(yī)學檢測及分析方面。目前，傳統(tǒng)的基礎物理實驗包括力、熱、光、電等方面，項目較為單一；缺乏創(chuàng)新性，很難激發(fā)學生的創(chuàng)新思維，并且很少與科學研究的前沿想結(jié)合。分光計(光學測角儀)是用來精確測量入射光和出射光偏轉(zhuǎn)角度的一種儀器。用它可以測量折射率、色散本領、光波波長、光柵常數(shù)等物理量。其缺陷是由于分光計基座較為笨重，對于移動測量不太方便。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型在分光計基礎上，利用表面等離子體共振原理自行搭建一個表面等離子體共振生物傳感測試平臺。通過該平臺，不僅可以形象得學習角度型sra傳感器的測試原理，還可以檢定未知溶液的濃度，將會成為生物醫(yī)學檢測的又一重要手段。一種表面等離子體共振(SPR)生物傳感裝置，包括光源系統(tǒng)、用于接收來自光源系統(tǒng)的入射光并發(fā)生sra效應的耦合敏感元件和用于檢測耦合敏感元件出射光光強的光強檢測器件。所述的光源系統(tǒng)包括激光二極管和偏振片，所述的激光二極管優(yōu)選采用波長為635nm的激光二極管(LD)作為光源。激光二極管具有單色性好、波長穩(wěn)定、發(fā)散角小、價格低廉等優(yōu)點。由于表面等離子體波具有P波的特性，所以需要具有P偏振特性的入射光才能與表面等離子體發(fā)生耦合，因此需要在光源系統(tǒng)發(fā)出的激光束到達耦合敏感元件之前的光路中增加一偏振片，通過調(diào)整偏振片的偏振方向，得到所需的P偏振光。所述的耦合敏感元件為Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構的柱面棱鏡，可采用兩種方案制得方案(1)利用Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構，采用電阻熱蒸發(fā)法在K9玻璃柱面棱鏡光學底面沉積厚度為50nm銀膜(Ag，純度為99. 99%),然后利用電子束蒸發(fā)技術在銀膜表面再沉積厚度為5nm的二氧化硅(SiO2,純度為99. 99% )。由于^Vg膜長期處于大氣環(huán)境或待測溶液中，容易氧化形成一層銀的氧化物而影響測量的靈敏度以及使用壽命，此處SiO2膜為保護層，主要起到防止Ag薄膜氧化和脫落的作用。方案O)利用Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構，采用電子束蒸發(fā)技術在K9玻璃柱面棱鏡底面沉積厚度為2nm的鉻(Cr，純度為99. 99% )，然后再利用電阻熱蒸發(fā)法在鉻膜表面再沉積厚度為50nm金膜(Au，純度為99. 99% )。由于金膜與玻璃襯底的結(jié)合能力比較弱，而金屬鉻與玻璃及金膜的結(jié)合能力都較強，因此需要在棱鏡底面先蒸鍍一層薄的鉻膜作為吸附層然后再沉積一層金薄膜作為SPR的敏感層。上述兩種方案中鍍膜的真空條件均為5X10_4Pa的真空狀態(tài)下，其中金屬膜(Au、Ag以及Cr)是在室溫下蒸發(fā)完成，而二氧化硅膜是在襯底溫度為300攝氏度下進行的。沉積速率以及薄膜厚度由石英晶振測厚儀(FCM-II)檢測控制，并利用臺階儀(AMBI0S-XP-1)校正得到。所述Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構的柱面棱鏡為半圓形棱鏡，使用時在其非半圓形的一側(cè)設置一試樣槽，用于盛放試樣；所述的試樣槽上設有出水口和自動清洗口，用于清洗試樣槽，防止上一次殘留的試樣對這次測試造成影響。所述的光強檢測器件為硅光電池光強檢測設備，所述的硅光電池光強檢測設備包括硅光電池及其配套的放大電路，例如采用杭州精飛光學儀器制造有限公司制造的硅光電池光強檢測設備，所述的硅光電池光強檢測設備包括硅光電池及其配套的放大電路，該硅光電池光強檢測設備只對波長為635nm的入射光敏感，從而減少了外界環(huán)境對檢測結(jié)果的影響，提高了靈敏度。作為一種優(yōu)選，本實用新型裝置還包括分光計載物臺，所述的分光計載物臺上設計了二維水平調(diào)節(jié)架組合架，即分光計固有的部件之一，不僅可以固定柱面棱鏡，而且可以利用其來調(diào)節(jié)入射光與載物臺中心軸垂直。本實用新型裝置的工作步驟及檢測原理(1)將溶液樣本放置在耦合敏感元件旁。(2)從光源系統(tǒng)中發(fā)射光線，在經(jīng)過耦合敏感元件時發(fā)生sra效應。(3)由于存在SI3R效應，樣本將會吸收掉一部分光強。SI3R效應的吸收作用與樣本的折射率有關，而折射率正好與體液樣本的濃度相關。因此，體液樣本對光強的吸收程度與樣本的濃度密切相關。(4)光強檢測系統(tǒng)測出最后的出射光強，與光源中發(fā)出的光強進行對比，計算出光強的衰減量。從而間接得知體液樣本的濃度。本實用新型裝置是在分光計精確測角的技術基礎之上開發(fā)的一項具有創(chuàng)新性的生物體液濃度檢測平臺，其獨特地結(jié)合了表面等離子體共振傳感技術、分光計技術及其光強檢測技術，并且將其應用于高校普通物理實驗教學及簡易生物體液濃度測試之中。本實用新型裝置不僅與科學研究前沿緊密結(jié)合，并且可以更加有效測定溶液的濃度，同時由于本發(fā)明是基于分光計的機械結(jié)構，能很好的降低生產(chǎn)企業(yè)的成本。 本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在1.以分光計作為實驗儀器的平臺，成本低廉；2.操作方便快捷；3.實驗結(jié)果直觀；4.重復性好。

圖1為本實用新型裝置的結(jié)構示意圖。[0027]圖2為本實用新型裝置俯視的結(jié)構示意圖。圖3為本實用新型裝置中二維水平組合調(diào)節(jié)架的結(jié)構示意圖，其中圖3a安裝了準星12，圖北安裝了柱面棱鏡6。附圖標記說明1-激光二極管；2-偏振片；3-硅光光強檢測設備；4- 二維水平組合調(diào)節(jié)架；5-分光計載物臺；6-柱面棱鏡；7-試樣槽；8-出水口 ；9-自動清洗口 ；10- 膜(Cr膜)；Il-SW2膜(Au膜)；12-準星。
具體實施方式
如圖1、圖2所示，一種表面等離子體共振生物傳感裝置，包括光源系統(tǒng)、用于接收來自光源系統(tǒng)的入射光并發(fā)生sra效應的耦合敏感元件和用于檢測耦合敏感元件出射光光強的光強檢測器件，所述的光源系統(tǒng)包括激光二極管ι和偏振片2，所述的激光二極管ι的波長為635nm，所述的偏振片2位于激光二極管1和耦合敏感元件之間。所述的耦合敏感元件為Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構的柱面棱鏡6，其形狀為半圓形，所述的柱面棱鏡6的制備方法如下利用Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構，采用電阻熱蒸發(fā)法在K9玻璃柱面棱鏡光學底面沉積厚度為50nm銀膜(Ag，純度為99. 99%),然后利用電子束蒸發(fā)技術在銀膜表面再沉積厚度為5nm的二氧化硅(SiO2,純度為99. 99% ) ο如圖2和圖北所示，所述的柱面棱鏡為半圓形棱鏡，其平面一側(cè)設有試樣槽7，用于盛放試樣；所述的試樣槽7上設有出水口 8和自動清洗口 9，用于清洗試樣槽7，防止上一次殘留的試樣對這次測試造成影響。所述的光強檢測器件采用杭州精飛光學儀器制造有限公司制造的與光源配套的硅光光強檢測設備3，包括硅光電池及其配套的放大電路。所述的表面等離子體共振生物傳感裝置還包括分光計載物臺5，所述的分光計載物臺5上設有二維水平組合調(diào)節(jié)架4，即分光計固有的部件之一，不僅可以固定柱面棱鏡6，而且可以利用其來調(diào)節(jié)入射光與載物臺中心軸垂直。本實用新型裝置使用時第一步打開激光器開關，調(diào)整偏振片2的偏振方向，得到所需的P偏振光。第二步調(diào)節(jié)二維水平組合調(diào)節(jié)架4，使得入射激光束與分光計中心軸垂直。具體調(diào)節(jié)步驟如下通過漸進法調(diào)整入射光方向與二維水平調(diào)節(jié)架的調(diào)節(jié)螺釘，逐步調(diào)整使得入射光方向與二維水平調(diào)節(jié)架的中心軸垂直。第三步在調(diào)整完畢二維水平調(diào)節(jié)架4之后，移去圖3a中所示的準星12，將耦合敏感元件(即柱面棱鏡6)放入二維水平調(diào)節(jié)架4上，即如圖北所示。在實驗過程中，利用分光計轉(zhuǎn)盤的機械轉(zhuǎn)動改變?nèi)肷涔獾娜肷浣嵌?，入射角度?2°到88°逐一改變，入射角最小改變度數(shù)為Δ θ = 1'，從而檢測出不同入射光角度下反射光強的大小，當反射光強最小時即發(fā)生了表面等離子體共振，這時的入射角即為共振 實施例2
5[0043]所述的柱面棱鏡6采用下述制備方法利用Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構，采用電子束蒸發(fā)技術在K9玻璃柱面棱鏡底面沉積厚度為2nm的鉻(Cr，純度為99. 99% )，然后再利用電阻熱蒸發(fā)法在鉻膜表面再沉積厚度為50nm金膜(Au，純度為99.99% )。其余同實施例1。為了減少外界環(huán)境對敏感膜靈敏度的影響，將不同折射率的酒精水溶液封裝于耦合敏感層作為sra實驗的標準試樣。實驗用純度為99. 9 %的分析純酒精，利用去離子水配比成濃度分別為0%、10 %、20%,30%,40%,50%,60%,80%的酒精溶液8種樣品，溶液的折射率分別為1. 3325、1. 3387、1. 3451、1. 3525,1. 3567、1. 359、1. 3615、1. 3638。樣品的平均溫度為 20°C，分別是敏感膜為Ag膜和Au膜測得8種樣品對應不同入射角時的反射系數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)共振曲線的共振深度可以達到20%以下。共振角隨酒精折射率的變化而變化明顯。從敏感膜為Ag膜和Au膜測得的酒精溶液折射率η與共振角的關系曲線及其擬合曲線發(fā)現(xiàn)，敏感膜為Ag膜測得的共振角與酒精溶液折射率之間存在以下關系esp=-133. 63935+139. 57564η, Ag 膜的靈敏度為 139.57564° /RIU ；敏感膜為 Au 膜測得的共振角與酒精溶液折射率的關系為9sp = -121. 3825+144. 04152η，Au膜的靈敏度為144.04152° /RIU0
權利要求1.一種表面等離子體共振生物傳感裝置，其特征在于包括光源系統(tǒng)、用于接收來自光源系統(tǒng)的入射光并發(fā)生sra效應的耦合敏感元件和用于檢測耦合敏感元件出射光光強的光強檢測器件，所述的光源系統(tǒng)包括激光二極管(ι)和偏振片O)，所述的偏振片(2)位于激光二極管(ι)和耦合敏感元件之間；所述的光強檢測器件為硅光電池光強檢測設備(3)，所述的硅光電池光強檢測設備C3)包括硅光電池及其放大電路。
2.如權利要求1所述的表面等離子體共振生物傳感裝置，其特征在于所述的表面等離子體共振生物傳感裝置還包括分光計載物臺(5)，所述的分光計載物臺( 上設有二維水平組合調(diào)節(jié)架G)，所述的柱面棱鏡(6)安裝于二維水平組合調(diào)節(jié)架(4)上。
3.如權利要求1或2所述的表面等離子體共振生物傳感裝置，其特征在于所述的耦合敏感元件為Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構的柱面棱鏡(6)；所述的柱面棱鏡(6)為利用Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構，采用電阻熱蒸發(fā)法在K9玻璃柱面棱鏡光學底面沉積厚度為50nm銀膜，然后利用電子束蒸發(fā)技術在銀膜表面再沉積厚度為5nm的二氧化硅。
4.如權利要求1或2所述的表面等離子體共振生物傳感裝置，其特征在于所述的耦合敏感元件為Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構的柱面棱鏡(6)；所述的柱面棱鏡(6)為利用Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構，采用電子束蒸發(fā)技術在K9玻璃柱面棱鏡底面沉積厚度為2nm的鉻，然后再利用電阻熱蒸發(fā)法在鉻膜表面再沉積厚度為50nm金膜。
專利摘要本實用新型公開了一種表面等離子體共振生物傳感裝置，包括光源系統(tǒng)、用于接收來自光源系統(tǒng)的入射光并發(fā)生SPR效應的耦合敏感元件和用于檢測耦合敏感元件出射光光強的光強檢測器件，所述的光源系統(tǒng)包括激光二極管和偏振片，所述的偏振片位于激光二極管和耦合敏感元件之間；所述的耦合敏感元件為Kretschman棱鏡型表面等離子體共振結(jié)構的柱面棱鏡，所述的柱面棱鏡位于二維水平組合調(diào)節(jié)架上；所述的光強檢測器件包括硅光電池及其配套的放大電路。本實用新型裝置結(jié)合了表面等離子體共振傳感技術、分光計技術及其光強檢測技術，在分光計的基礎上設計并制作角度指示型SPR生物傳感裝置，具有結(jié)構簡單、操作便捷、成本低廉等優(yōu)點。
文檔編號G01N21/55GK202177575SQ20112026874
公開日2012年3月28日 申請日期2011年7月27日 優(yōu)先權日2011年7月27日
發(fā)明者劉彬, 石文淵, 蔡霞, 陳曉科, 隋成華 申請人:浙江工業(yè)大學