多波长可调式表面等离子体共振成像装置及其应用的制作方法

本发明属于仪器设备领域，具体涉及一种kretschmann型spr成像装置及方法。

背景技术：

表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance,spr)现象是一种物理现象，是指金属表面存在的自由振动电子在一定条件下被光激发，吸收光的能力发生共振的物理光学过程。

当光线从光密介质投射到光疏介质，在入射角大于某个特定的角度(临界角)时，会发生全反射现象。入射光和介质表面法线构成入射面，入射光波的电场可分解成两个相互正交的偏振光分量，一个为在入射面内的横磁波，将其称为tm波或p偏振波；另一个为垂直于入射面，与界面平行的横电波，将其称为te波或s偏振波。入射光一部分发生反射形成反射光，另一部分则穿透金属表面形成折射波，沿着垂直于界面的方向按指数衰减，又称为消逝波(evanescentwave)。消逝波在光疏介质中其有效穿透深度一般为200～300nm。其衰减的物理原因是金属内存在自由电子，在电磁波的作用下导致金属内部出现诱导电流，产生了焦耳热，消耗了电磁波的能量，因而波的振幅减弱。消逝波的衰减方向总是与界面垂直，而与入射光的方向无关，但是它的穿透深度与入射光的方向相关。

如果在两种介质之间存在几十纳米的金属薄膜(一般为50nm左右的金/银膜)，那么全反射时产生的消逝波的p偏振波将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子耦合，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波(surfaceplasmonwave,spw)。而s偏振光由于与界面平行，因此不会激发产生表面等离子体。当入射光的角度或波长到某一特定值时，入射光的大部分会转换成表面等离子体波的能量，从而使反射光能量大大降低，在反射光谱上出现共振吸收峰，此时入射光的角度或者波长成为共振角或共振波长。

表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance,spr)传感方法，因其具有无需标记、高灵敏度实时监测等特点，在生物和化学领域有广泛的应用。但是，随着基因阵列、蛋白阵列等生物阵列(即生物芯片)的广泛应用，对单个点折射率测量的传感器越来越不能满足研究的需求，需要有能够探测二维平面的高通量检测方法-即成像检测。而传统的利用spr的成像方法，即spm(surfaceplasmonmicroscopy)，通过固定入射平行光束的波长与入射角度，直接检测整体芯片反射光强度成像，所成的图像灰度值与折射率的对应并不是线性关系，所以只能定性地说明折射率的变化；而且这种方法只能测量变化不大的折射率范围，超过这个范围，两个相同的折射率可能对应不同的灰度值；另外部分使用激光照明的这类装置，由于激光的强烈相干性，严重影响成像效果。

表面等离子体共振成像(surfaceplasmonresonanceimaging)的测量方式常常是采用反射率调制模式(reflectivityinterrogationmode，rim)，通过固定最佳入射光波长与入射角度来达到仪器工作的最佳灵敏度，来对传感芯片表面的各个区域的分子相互作用进行检测。但是，在金膜表面最优工作点(λ0，θ0)取决于金膜表面对应区域的折射率，每个区域固定的生物分子含量或种类的差异，也会导致各个区域折射率的差异性。使用这种反射率调制模式应用于spr成像实验，在芯片表面制备的不同探针点区域的数据采集会有很大的数据差异性。更重要的是，采用rim检测方式，来进行生物传感检测时，随着缓冲体系折射率变化，传感芯片表面折射率变化与仪器响应会很容易超过线性范围，使得该模式下的动态范围较窄。

可以通过采用波长调制式或角度调制式解决反射率调制模式下动态范围窄的问题，而且能够对每个样品点的共振峰的偏移量进行精确测量。对于波长调制式和角度调制式的spri检测，传感芯片表面每个样品点的灵敏度都是相互独立测定的。为了对芯片表面每个样品点的共振峰的偏移量进行单独的精确测量，必须通过角度或是波长扫描方式来对每个样品点进行扫描测量。在角度调制模式下，随着入射角度的改变，会遭遇到芯片上spr图像产生畸变；在波长调制模式下，是通过对入射光波长进行扫描或是使用光谱仪作为检测器来获得共振的光谱分布；前者的测量模式可以对2维阵列进行同步扫描检测，具有2维成像能力，而后者提供瞬时光谱信息，但是只能局限于1维阵列的扫描。因此，结合波长调制式与高通量数据采集的spri技术仍然是一个挑战。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种多波长可调式spri成像方法，有效的提高仪器检测动态范围，以及能够对2维阵列上的每个样品区域的共振角(共振波长)偏移量进行精确测定。

为实现上述目的，本发明提出了一种多波长可调式spri成像装置，其中，光源、准直镜、物镜、ccd相机组成spr成像光路，其特征在于，在光源与准直镜之间设置有滤光片，通过滤光片将光源经过滤光片滤波处理成为一束单色光，并投射到spr传感芯片上，在对芯片阵列样品点进行检测时，通过使用移动平台对滤光片位置的精确操控，从而来调节入射光波长，通过ccd检测到不同入射光波长条件下的反射光强，使用计算机记录并对数据进行处理。可以进行精确测量得到每个样品点的共振峰位移量，使用该方式同时能提高仪器检测的动态范围。

优选地，所述移动平台为压电陶瓷平移台或电动移动平台。更优选地，所述的移动平台为电动移动平台。电动移动平台是一种可以精确稳定控制移动的位移平移台具有精确控制移动距离、高可靠性等优点。

本发明进一步提出了一种多波长可调式spri成像方法，包括如下步骤：

(1)在现有的spri成像装置的光源与准直镜之间安装滤光片，通过使用电动移动平台调整滤光片的位置，使入射光光束投射到滤光片不同滤波区域，然后记录随着位移台的移动，入射光波长也会发生变化，因此与芯片每个区域的偶合程度发生变化，导致反射光强的变化，通过计算机处理和拟合出每个样品点的共振峰偏移量。

(2)利用移动平台来进行精确滤波处理，对每个样品点共振峰偏移量进行测定，其中：

通过将滤光片装载到可精确控制位移量的电动平台上，并组装到光源与准直镜接口之间，入射光首先投射到滤光片上，使用滤光片对光源进行滤波后形成的单色光束投射在耦合了棱镜的金膜上。此时通过计算机控制移动平台进行由内至外的螺旋式移动，滤光片随着移动平台的移动而进行偏移，且光源位置始终保持固定，这样可以使得滤光片各个不同滤波区域连续经过光源光束，进而来对光源进行滤波处理，来得到一系列不同波长的光束。当固定入射角度，以不同波长的光束投射到spri传感芯片表面时，消逝波和金属内部电子产生的耦合程度不同，导致光强减弱程度不同，最后反射光光强也就不同。因此不同波长对应着不同的反射光强。通过记录入射光波长与反射光强信号，并进行处理得到传感芯片表面各个区域的反射率曲线，并得到spri图像形状不变的良好成像图。

由于传统多波长调节表面等离子体共振成像装置是通过采用多个单色光源进行并联后形成多波长入射光源发射器，或者使用具有多波段的卤素灯为光源，使用波长扫描装置对复色光的波长进行扫描，完成多波长可调式spri成像结构。采用这两种方式会引起波长调制仪器构造复杂，而且卤素灯在使用过程中会产生温度漂移，会引起较高的基线噪音。所以通过采用该方式能够使波长可调式表面等离子体共振成像装置大大简便，而且获得良好的仪器检测性能。

有益效果：与现有技术相比，本发明的多波段可调式spr成像装置可以在不损失图像失真度情况下得到传感芯片表面每个区域的最佳共振波长偏移量，同时可以以较大程度的改善spr传感的动态范围，从而提升仪器的检测性能。

附图说明

图1为kretschmann型spri的原理示意图。

图2为有现有的spri成像装置的原理示意图。

图3为本发明的多波长可调式的spri成像装置的原理示意图。

图4为线性带通滤光片滤波示意图，其中滤光后的原点和直线为不同波长的单色光束。

具体实施方式

本发明在传统的单波长滤光spri成像光路的基础上，设计了一种由具有多波段宽带led光源(lightsource)、线性可变带通滤光片(linearvariablebandpassfilters)、准直镜(collimatorlens)、电动位移台(motorizedstages)、物镜(objective)和ccd相机组合而成的体系，主要是在现有的spri成像装置中使用了线性可变带通滤光片和电动位移台。其结构如图3所示。

图1～4中，1为光源，2为准直镜，3为光圈，4为偏振片，5为滤光片，6为棱镜，7为镜头，8为相机、9为纵向调节台、10为角度调节台，11为线性带通滤光片，12为电动移位台，13为连接杆。

通过在光源1和准直镜2之间添加一个滤波器件线性可变带通滤光片11，通过对光源的波长进行滤波处理，并使用电动位移台12来控制滤光片的不同区域对光源的滤波处理，达到多波段的入射光。使用不通波长入射光来进行spri实验，可以得到传感芯片表面每个区域上的随波长变化的反射光谱，以及可以精确获得传感芯片表面环境改变后，每个对应区域的最佳共振峰的偏移量。并且可以通过调节最佳入射波长，达到对每个区域产生最佳线性响应范围的条件，提升仪器检测的动态范围。

其中，线性可变带通滤光片示意图如图4所示。滤光片对光源进行滤光后，准直镜对投射的单色光束进行准直处理，准直的单色光投射到spri传感芯片表面，然后反射到ccd相机上进行成像。

本发明的工作过程如下：

将线性带通滤光片11固定到滤光片固定架上，然后使用连接杆13将滤光片11固定架与电动位移台12装配到一起，先调节电动位移台12，使得滤光片11的边缘对光源1进行滤光，并记录电动位移台12坐标。通过电脑程序设置电动位移平台12的移动速度为0.5mm/s，则每秒能对光源的波长调节为10nm的改变速度，设置ccd相机的采集速度为1秒存取一张，使用计算机对数据进行处理，得到传感芯片表面每个区域的波长-反射曲线，并且在扫描入射光波长时，spr传感芯片表面的成像谱图没有产生畸变现象。通过使用精确调节位移台对移动距离变化，达到多波段可调试spri功能。

通过使用本发明的多波段可调式spri成像装置，可以达到如下效果：

在得到共振峰偏移量的同时，不会以图像失真为代价：传统kretschmann型表面等离子体共振成像方法测量传感芯片表面样品的共振峰谱图时，是通过调节或扫描入射光的入射角，并检测并记录反射光强随着入射光角度变化，对数据处理而得到的。在固定入射光波长，对入射角度进行改变时，spr成像的图像会随着入射角度发改变而发生畸变，而且角度扫描方式，需要仪器采用精确的角度调节器件。而采用多波段可调式的spri成像装置，无需使用额外的角度调节器，可以很便捷且不损失成像图像的真实度来测定共振峰谱图。