專利名稱：角度調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型相結(jié)合的多通道spr傳感系統(tǒng)及檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物理光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)計(jì)了一種將角度調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型有效結(jié)合起來(lái)使用的SPR生物傳感器，可應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)，食品檢測(cè)，生化等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
表面等離子體共振(SPR)是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，它是由入射光激發(fā)表面等離子體，從而產(chǎn)生表面等離子體波(SPW)而產(chǎn)生。SPR傳感器就是基于SPR原理研制的新型傳感器。它的工作原理是首先將反應(yīng)物配體固定在傳感器芯片表面，當(dāng)含目標(biāo)物的樣品溶液通過(guò)芯片表面時(shí)，利用入射光激發(fā)，引發(fā)表面等離子體共振，芯片上的分子間相互作用將會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的表面等離子體吸收，在 通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集處理信號(hào)，從而獲得所需信息。目前SPR調(diào)制方法分為角度調(diào)制型，波長(zhǎng)調(diào)制型，強(qiáng)度調(diào)制型，相位調(diào)制型四種。目前所研制成功的SPR儀器基本上只單獨(dú)采用其中一種調(diào)制方法，使得SPR檢測(cè)的范圍比較小，不利于折射率出現(xiàn)較大變化時(shí)的測(cè)量。此外為克服溫度帶來(lái)的誤差，普遍采用在SPR芯片表面設(shè)置恒溫裝置的方法，這大大增加了儀器的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有SPR儀器中的問(wèn)題，提供了一種新型的角度調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型相結(jié)合的多通道SPR傳感系統(tǒng)及檢測(cè)方法，SPR傳感系統(tǒng)，具有無(wú)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定性高，測(cè)量范圍大，有效消除溫度帶來(lái)的誤差等特點(diǎn)。本發(fā)明包括單色光激光器組，多孔單色光激光器轉(zhuǎn)換裝置，凸透鏡，偏振片，SPR傳感系統(tǒng)，進(jìn)樣系統(tǒng)，面陣電荷耦合元件(CCD)以及計(jì)算機(jī)組成。面陣CCD通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)相連。SPR傳感器包括棱鏡框架，等腰梯形柱形棱鏡，SPR芯片。棱鏡為K9玻璃棱鏡。SPR芯片鍍?cè)诘妊菪蜗逻呏嫔希冇行酒牡妊菪沃卫忡R，多通道微量進(jìn)樣池，多螺紋的貼片依次安置在棱鏡框架中，通過(guò)左右對(duì)稱的M3螺絲固定在框架中，依次緊密貼合起來(lái)。進(jìn)樣系統(tǒng)由多通道微量進(jìn)樣池，多位閥，微量注射泵，回收裝置，通過(guò)微細(xì)塑料管，微量注射泵，多位閥，多通道微量進(jìn)樣池，回收裝置依次連接在一起，構(gòu)成了一個(gè)完整的反應(yīng)回路。六孔單色光激光器轉(zhuǎn)換裝置是設(shè)計(jì)的一種安裝單色光激光器的轉(zhuǎn)換裝置。分為前后兩部分，后部為變壓裝置，可將普通電源(220v)轉(zhuǎn)換為單色光激光器所需的穩(wěn)壓5v，前部為轉(zhuǎn)換部分，每個(gè)孔中裝有單色光發(fā)光裝置，并可以隨中間的圓柱形軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)特定部位時(shí)，發(fā)光裝置與電源部分連接，發(fā)出固定波長(zhǎng)的單色光。通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)，可發(fā)出六種不同波長(zhǎng)的單色光400nm, 500nm, 600nm, 650nm, 700nm, 800nm。
由單色光激光器發(fā)出的平行光，在平行于凸透鏡的主光軸的方向上依次經(jīng)過(guò)偏振片，凸透鏡，聚于焦點(diǎn)后發(fā)散，形成P偏振光，通過(guò)棱鏡左表面以面陣的方式入射到SPR芯片，芯片表面從左到右，入射角度依次增大，在65° -78°之間，反射后由面陣CCD接收，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)收集與處理系統(tǒng)對(duì)面陣CCD上各個(gè)部位傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行傳輸，處理，判斷和存儲(chǔ)。多通道微量進(jìn)樣池，面陣CXD及信號(hào)收集與處理系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)樣品以及參照物體共振角的判斷。通過(guò)轉(zhuǎn)換入射光的波長(zhǎng)，無(wú)須改變?nèi)肷浣羌纯纱蟠筇岣邫z測(cè)范圍，減少了因儀器轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的誤差。本發(fā)明將角度調(diào) 制型和波長(zhǎng)調(diào)制型兩種主要的SPR調(diào)制方式結(jié)合起來(lái)，大大提高了該發(fā)明的檢測(cè)范圍，無(wú)須任何轉(zhuǎn)動(dòng)，減少了因儀器轉(zhuǎn)動(dòng)等帶來(lái)的誤差，并通過(guò)多通道微量進(jìn)樣池以及面陣CCD和信號(hào)采集與處理系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多樣品進(jìn)行檢測(cè)，并消除了溫度帶來(lái)的誤差，從而使該SPR傳感系統(tǒng)的精度大大提高。


圖I :SPR傳感系統(tǒng)的光路設(shè)計(jì)圖；圖2 :六孔激光器轉(zhuǎn)換裝置設(shè)計(jì)圖；圖3 :SPR傳感器以及進(jìn)樣系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)圖；圖4 :多通道微量進(jìn)樣池裝置設(shè)計(jì)圖。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明如圖I所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括光源系統(tǒng)(1)，光路系統(tǒng)(偏振片2，凸透鏡3)，SPR傳感器(4)，進(jìn)樣系統(tǒng)，面陣電荷耦合元件(CXD) (5)以及計(jì)算機(jī)(6)組成。光源系統(tǒng)發(fā)出的單色平行光，在經(jīng)過(guò)光路系統(tǒng)后變成面陣P偏振光，通過(guò)等腰梯形柱形棱鏡左表面入射到SPR芯片表面，通過(guò)調(diào)整單色光激光器光圈的距離，可將入射光的面積剛好覆蓋進(jìn)樣池，入射光與芯片表面形成從65° -78。連續(xù)的入射角，反射光由面陣CCD接收，轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸出到計(jì)算機(jī)中，通過(guò)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)對(duì)接收來(lái)的電信號(hào)進(jìn)行傳輸，處理，判斷和存儲(chǔ)，得到待測(cè)物體的共振角。根據(jù)面陣CCD的實(shí)際檢測(cè)范圍的大小。將面陣CCD置于反射光的光路上，并使得反射光的面積等于面陣CCD的實(shí)際檢測(cè)范圍，可得到SPR芯片所有部位反射光的光強(qiáng)。如圖2所示，光源系統(tǒng)包括發(fā)出不同波長(zhǎng)的單色光激光器組和多孔激光器轉(zhuǎn)換裝置。本發(fā)明以6個(gè)單色光激光器和六孔激光器轉(zhuǎn)換裝置為例。選用的單色光激光器發(fā)光裝置為半導(dǎo)體激光器，體積小，穩(wěn)定性高，置于轉(zhuǎn)換裝置的孔中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)，到固定部位后與電源裝置連接，發(fā)出光強(qiáng)穩(wěn)定的單色光，選用的光為400-1100nm均勻分布的單色光。六孔激光器轉(zhuǎn)換裝置分為前后兩部分，后部為變壓和電源連接裝置，可與常用電源(220v)連接并轉(zhuǎn)換為單色光激光器所需的穩(wěn)壓5v，通過(guò)導(dǎo)線和前部的孔I位置設(shè)置的接電口相連，使處于孔I位置的激光器接通電源，發(fā)出穩(wěn)定的單色光。前部為轉(zhuǎn)換部分，分為圓形固定板，圓形轉(zhuǎn)動(dòng)板，圓柱形軸。固定板上裝有與電源部分連接的接電口，起到固定轉(zhuǎn)動(dòng)板和圓柱形軸，連接電源的作用。圓形轉(zhuǎn)動(dòng)板置于固定板上，如圖所示。均勻設(shè)置了 6個(gè)孔，每個(gè)孔中固定于單色光發(fā)光裝置，并可以隨中間的圓柱形軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)特定部位(I)時(shí)，有定向結(jié)構(gòu)的連接螺絲固定，使其不再發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)發(fā)光裝置與后部的電源部分連接，在固定方向上發(fā)出固定波長(zhǎng)的單色光。此外手動(dòng)設(shè)置，方便簡(jiǎn)潔實(shí)用。如圖3所示SPR傳感器以及進(jìn)樣系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)圖。將SPR芯片鍍?cè)诘妊菪沃卫忡R的下表面。將棱鏡，多通道微量進(jìn)樣池，帶螺紋貼片置于棱鏡框架中，依次緊密貼合在一起，帶螺紋貼片左右各有一個(gè)直徑3_打穿的小孔，并打有螺紋，可以通過(guò)左右對(duì)稱的各一個(gè)M3螺絲上緊，這樣就可以將棱鏡，SPR芯片，多通道微量進(jìn)樣池，貼片牢牢固定在棱鏡框架中，不會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，保證芯片和進(jìn)樣池緊密結(jié)合，不會(huì)損傷芯片。多通道微量進(jìn)樣池(2)的進(jìn)樣口與多位閥(3)相連，右側(cè)的出樣口與廢液缸連在一塊，多位閥的進(jìn)樣口與微量注射泵(4)相連，由此構(gòu)成一個(gè)完整的回路待測(cè)樣品和對(duì)照溶液經(jīng)過(guò)微量注射泵，以設(shè)定流速通過(guò)多位閥，由各自的路徑通過(guò)右側(cè)進(jìn)樣孔流通到微型進(jìn)樣池內(nèi)部，進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)后，經(jīng)過(guò)出樣孔流入到回收裝置中進(jìn)行后續(xù)處理。如圖4所示為多通道微量進(jìn)樣池裝置設(shè)計(jì)圖。本發(fā)明以三通道微量進(jìn)樣池為例進(jìn)行描述。如前面所述，照到SPR芯片表面的光為一面陣光，處于同一豎直面上的光的入射角 相同，因此，將多通道微量進(jìn)樣池設(shè)計(jì)為上下三個(gè)平行的獨(dú)立空間，每個(gè)空間都有各自獨(dú)立的進(jìn)樣口和出樣口，進(jìn)樣口均位于進(jìn)樣池的右下角，出樣口位于左上角，這樣的設(shè)計(jì)，使得待測(cè)溶液從右端進(jìn)樣口進(jìn)入后慢慢充滿將進(jìn)樣池中的空氣排出，最后從左上角的出樣口流出，充滿整個(gè)進(jìn)樣池而不會(huì)產(chǎn)生氣泡。如多通道微量進(jìn)樣池設(shè)計(jì)成豎直面平行獨(dú)立相對(duì)應(yīng)，面陣CCD以及信號(hào)采集與處理系統(tǒng)軟件業(yè)根據(jù)進(jìn)樣池及反射光面積的大小，分成相互獨(dú)立的三塊，每塊對(duì)應(yīng)一個(gè)進(jìn)樣池，從而得到相互獨(dú)立的反射光強(qiáng)數(shù)據(jù)，并對(duì)共振角做出判斷，若共振角處于兩端出現(xiàn)或未出現(xiàn)時(shí)，可通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)六孔激光器轉(zhuǎn)換裝置，改變?nèi)肷涔獾墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)，從而得到清晰地共振角，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)可檢測(cè)多份樣品的目的。
權(quán)利要求
1.一種角度調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型相結(jié)合的多通道SPR傳感系統(tǒng)；其特征是包括單色光激光器組，多孔單色光激光器轉(zhuǎn)換裝置，凸透鏡，偏振片，SPR傳感系統(tǒng)，進(jìn)樣系統(tǒng)，面陣電荷耦合元件以及計(jì)算機(jī)組成；面陣CCD通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)相連。
2.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征是所述的SPR傳感器包括棱鏡框架，等腰梯形柱形棱鏡，SPR芯片；棱鏡為K9玻璃棱鏡；SPR芯片鍍?cè)诘妊菪蜗逻呏嫔?，鍍有芯片的等腰梯形柱形棱鏡，多通道微量進(jìn)樣池，多螺紋的貼片依次安置在棱鏡框架中，通過(guò)左右對(duì)稱的M3螺絲固定在框架中，依次緊密貼合起來(lái)。
3.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征是所述的進(jìn)樣系統(tǒng)包括多通道微量進(jìn)樣池、多位閥、微量注射泵和回收裝置，通過(guò)微細(xì)塑料管將微量注射泵、多位閥、多通道微量進(jìn)樣池、回收裝置依次連接在一起，構(gòu)成了一個(gè)完整的反應(yīng)回路。
4.如權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征是所述的單色光激光器轉(zhuǎn)換裝置為六孔單色光激光器轉(zhuǎn)換裝置，分為前后兩部分，后部為變壓裝置，可將普通220v電源轉(zhuǎn)換為單色光激光器所需的穩(wěn)壓5v，前部為轉(zhuǎn)換部分，每個(gè)孔中裝有單色光發(fā)光裝置，并可以隨中間的圓柱形 軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)特定部位時(shí)，發(fā)光裝置與電源部分連接，發(fā)出固定波長(zhǎng)的單色光。通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)，可發(fā)出六種不同波長(zhǎng)的單色光400nm, 500nm, 600nm, 650nm, 700nm, 800nm。
5.權(quán)利要求I的角度調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型相結(jié)合的多通道SPR傳感系統(tǒng)檢測(cè)方法，其特征是由單色光激光器發(fā)出的平行光，在平行于凸透鏡的主光軸的方向上依次經(jīng)過(guò)偏振片，凸透鏡，聚于焦點(diǎn)后發(fā)散，形成P偏振光，通過(guò)棱鏡左表面以面陣的方式入射到SPR芯片，芯片表面從左到右，入射角度依次增大，在65° -78。之間，反射后由面陣CCD接收，并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并通過(guò)信號(hào)收集與處理系統(tǒng)對(duì)面陣CCD上各個(gè)部位傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行傳輸，處理，判斷和存儲(chǔ)。
6.如權(quán)利要求5的方法，其特征是通過(guò)多通道微量進(jìn)樣池，面陣CCD及信號(hào)收集與處理系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)樣品以及參照物體共振角的判斷；通過(guò)轉(zhuǎn)換入射光的波長(zhǎng)，無(wú)須改變?nèi)肷浣羌纯纱蟠筇岣邫z測(cè)范圍，減少了因儀器轉(zhuǎn)動(dòng)帶來(lái)的誤差。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種新型的角度調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型相結(jié)合的多通道SPR傳感系統(tǒng)及檢測(cè)方法，本發(fā)明包括單色光激光器組，多孔單色光激光器轉(zhuǎn)換裝置，凸透鏡，偏振片，SPR傳感系統(tǒng)，進(jìn)樣系統(tǒng)，面陣電荷耦合元件(CCD)以及計(jì)算機(jī)組成。面陣CCD通過(guò)USB接口與計(jì)算機(jī)相連。本發(fā)明將角度調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型兩種主要的SPR調(diào)制方式結(jié)合起來(lái)，大大提高了該發(fā)明的檢測(cè)范圍，無(wú)須任何轉(zhuǎn)動(dòng)，減少了因儀器轉(zhuǎn)動(dòng)等帶來(lái)的誤差，并通過(guò)多通道微量進(jìn)樣池以及面陣CCD和信號(hào)采集與處理系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)多樣品進(jìn)行檢測(cè)，并消除了溫度帶來(lái)的誤差，從而使該SPR傳感系統(tǒng)的精度大大提高。
文檔編號(hào)G01N21/55GK102721669SQ201210200159
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者劉憲華, 王莉麗 申請(qǐng)人:天津大學(xué)