一种柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置的制作方法

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置。

背景技术：

表面等离子共振技术，英文简写SPR，是从20世纪90年代发展起来的一种新技术，德国科学家Otto和Kretchmann分别独立发明了用可见光激发表面等离子体的方法，瑞典科学家Liedberg将这一技术用于生物大分子相互作用的检测，表面等离子体共振传感技术迅速发展，发展成为十分有用的检测技术，广泛应用于环境检测、食品安全、生命医药、医学诊断、生物医学、安防、刑侦、质检等各个领域。诸多领域对检测性能要求越来越高，具有高检测性能的表面等离子体共振传感装置成为痕量物质测量与分析技术发展热点之一。

中国发明专利(申请号为CN200510108184.4)公开了一种角度扫描表面等离子体共振测量系统，该测量系统包括提供光束的光源、在偏转角范围内偏转光束来提供已偏转光束的光束偏转器以及将已偏转光束映射到入射光束的成像望远镜。另外，在现有市场上，还存在已经商品化的表面等离子体共振分析仪，包括BioCore系列产品和SPR-Navi系列产品。尽管上述的角度扫描表面等离子体共振测量系统和表面等离子体共振分析仪具有一定优点，但是，上述的测量系统和表面等离子体共振分析仪在技术上还存在许多不足，具体如下：(1)测量原理采用角度扫描原理进行测量，存在机械运动部件和用于调控角度扫描的部件，影响测量系统可靠性，并且无法实现很好的测量一致性。(2)测量基于光束与金属层相互作用的表面等离子体共振效应，未考虑到光束矢量特性，原理上限制检测分析灵敏度。(3)测量中光场与物质作用区域的作用机理行为类似，无法实现区域面测量。(4)检测区域内无法实现信息差异化处理，影响检测灵敏度和一致性。(5)测量系统结构以及测量分析与控制复杂，降低系统稳定性，影响系统测量性能和应用拓展。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种无机械运动部件、系统结构简单、灵敏度高、一致性高、可实现区域测量、系统稳定性高以及功能易于拓展的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置。

本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置，用于检测被测样品的物质信息，其特征在于，包括：柱矢量光束激发单元，包含依次光路连接的用于发射光束的光源、用于对光束进行整形的光束整形器、用于将整形后的光束转换为柱矢量光束的偏振转换部件以及用于将柱矢量光束调制成激发状态的柱矢量光束的空间光调制器；表面等离子体共振传感单元，用于接收激发状态的柱矢量光束，包含横截面为直角三角形的柱形棱镜以及设置在直角三角形斜边底面上的双层结构，激发状态的柱矢量光束从直角三角形的第一直角边平面垂直入射，在直角三角形的斜边的平面全反射后，从直角三角形的第二直角边平面垂直出射，得到具有被测样品的信息光场的光束；光处理单元，用于接收被测样品的信息光场的光束并进行处理，包含光路连接的偏振滤光器、色散光学元件以及面阵光电传感器；以及数据分析单元，与面阵光电传感器连接，用于对处理后的被测样品的信息光场的光束进行分析，得到被测样品的物质信息，其中，双层结构包含设置在三角形的斜边的平面上的微纳结构层和设置在微纳结构层的外表面的金属层。

在本发明提供的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，物质信息为折射率、浓度以及分子间作用力。

在本发明提供的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，光源为宽波段非相干光源或宽波段激光光源。

在本发明提供的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，光束整形器为准直扩束镜组、准直镜以及微纳光束整形器中的任意一种。

在本发明提供的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，空间光调制器为振幅型空间光调制器、相位型空间光调制器、偏振性空间光调制器以及复合型空间光调制器中的任意一种。

在本发明提供的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，微纳结构层为球面微纳结构阵列、自由曲面微纳结构阵列、多面锥体微纳结构阵列以及微纳米柱阵列中的任意一种。

在本发明提供的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，色散光学元件为透过光栅、反射光栅、中阶梯光栅以及分布式光谱滤光阵列中的任意一种。

在本发明提供的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，面阵光电传感器为面阵电荷耦合器、面阵COMS器以及光学微通道传感器中的任意一种。

在本发明提供的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，金属层为金薄膜。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置，因为柱矢量光束激发单元能够将光束转换为激发状态的柱矢量光束，放有被测样品的表面等离子体共振传感单元对激发状态的柱矢量光束进行全反射后得到具有被测样品的信息光场的光束，光处理单元对被测样品的信息光场的光束进行处理，最后数据分析单元对处理后的被测样品的信息光场的光束进行分析，得到被测样品的物质信息。所以，本发明的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置具有结构简单、稳定性高、灵敏度高、一致性高、无机械运动部件以及功能易于拓展等优点。

附图说明

图1是本发明的实施例一中柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置作具体阐述。

图1是本发明的实施例一中柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置的结构示意图。

如图1所示，在本实施例中，柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置100用来检测大分子蛋白物质的折射率、浓度以及分子间作用力等参数，它包括柱矢量光束激发单元10、表面等离子体共振传感单元20、光处理单元30以及数据分析单元40。

柱矢量光束激发单元10用来将光束转换为激发状态的柱矢量光束，它包括依次光路连接的光源11、光束整形器12、偏振转换部件13以及空间光调制器14。

光源11用来发射光束，在本实施例中，光源11为宽波段非相干光源，采用宽波段钨灯光源11。此外，光源11还可以为宽波段激光光源。

光束整形器12用来对宽波段钨灯光源11发射出来的光束进行整形，在本实施例中，光束整形器12为准直括束镜组12。此外，光束整形器12还可以采用准直镜或微纳光束整形器。

偏振转换部件13用来将整形后的光束转换为柱矢量光束，在本实施例中，偏振转换部件13为反射式矢量光束转换元件13。此外，偏振转换部件13还可以采用折射式光束转换元件或微纳结构矢量光束转换元件。

空间光调制器14用来将柱矢量光束调制成激发状态的柱矢量光束，在本实施例中，空间光调制器14为相位型空间光调制器14。此外，空间光调制器14还可采用振幅型空间光调制器或复合型空间光调制器。

表面等离子体共振传感单元20用来接收激发状态的柱矢量光束，它包含柱形棱镜21和双层结构22。

柱形棱镜21的横截面为直角三角形，激发状态的柱矢量光束从直角三角形的一条直角边所在的平面垂直入射，在该直角三角形的斜边所在的平面的底部进行全反射后，从该直角三角形的另外一条直角边所在的平面出射。双层结构22设置在横截面为直角三角形的柱形棱镜21的斜边所在的平面上，它包含覆盖在斜边所在的平面上的微纳结构层221和覆盖在微纳结构层221上的金属层222，微纳结构层221和金属层222构成传感区域，被检测的大分子蛋白物质放置在金属层222上，激发状态的柱矢量光束在与大分子蛋白位置具有共振波长时，在传感区域上发生等离子体共振，形成共振吸收峰，共振吸收峰的幅值和共振波长与传感区域附近的物质特性有关。在本实施例中，微纳结构层221为球面微纳结构阵列，金属层222为厚度为50nm的金薄膜222。此外，微纳结构层221还可以为自由曲面微纳结构阵列、多面锥体微纳结构阵列以及微纳米柱阵列中任意一种。

光处理单元30用来接收大分子蛋白物质的信息光场的光束，它包含光路连接的偏振滤光器31、色散光学元件32以及面阵光电传感器33。

偏振滤光器31用来接收从直角三角形的另外一条直角边所在的平面出射的信息光场的光束并进行滤光，在本实施例中，偏振滤光器31为高分子材料偏振滤光器31。此外，偏振滤光器31还可以采用液晶偏振滤光器、二项色性材料偏振滤光器、棱镜偏振滤光器以及栅形结构偏振滤光器中的任意一种。

色散光学元件32用来对滤光后的带有信息光场的光束进行处理，并发生色散，在本实施例中，色散光学元件32为透过光栅32。此外，色散光学元件32还可以为反射光栅、中阶梯光栅以及分布式光谱滤光阵列中的任意一种。

面阵光电传感器33与透过光栅32连接，它用来接收透过光栅32处理后的光场得到光场信息，在本实施例中，面阵光电传感器33为面阵COMS器33。此外，面阵光电传感器33还可以为面阵电荷耦合器或光学微通道传感器。

数据分析单元40与面阵COMS器33通过数据线连接，它用来对面阵COMS器33得到的光场信息进行分析，得到大分子蛋白物质的折射率、浓度以及分子间作用力等物质信息。在本实施例中，数据分析单元40为计算机40。

本实施例所涉及的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置100的工作过程如下：

首先，将被检测的大分子蛋白物质放置在金薄膜上；然后，宽波段钨灯光源11发射出光束，准直括束镜组12对光束进行整形，反射式矢量光束转换部件13将整形后的光束转换成柱矢量光束，相位型空间光调制器14将柱矢量光束调制成激发状态的柱矢量光束；进一步，激发状态的柱矢量光束在柱形棱镜21的一条直角边所在的平面垂直入射，经过在斜边全反射，激发状态的柱矢量光束与大分子蛋白物质在具有微纳结构层221和金薄膜222的传感区域发生相互作用，得到具有信息光场的光束，具有信息光场的光束从柱形棱镜21的另一条直角边所在的平面垂直出射，具有信息光场的光束经过高分子材料偏振滤光器31滤光，再经过透过光栅32进行色散，面阵COMS器33进行接收色散后的光场得到光场信息，最后，经过计算机40分析后得到大分子蛋白物质的折射率、浓度以及分子间作用力等物质信息。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置，因为柱矢量光束激发单元能够将光束转换为激发状态的柱矢量光束，放有大分子蛋白物质的表面等离子体共振传感单元对激发状态的柱矢量光束进行全反射后得到具有大分子蛋白物质的信息光场的光束，光处理单元对大分子蛋白物质的信息光场的光束进行处理，最后计算机对处理后的大分子蛋白物质的信息光场的光束进行分析，得到大分子蛋白物质的物质信息。所以，本实施例的柱矢量光束激发表面等离子体共振传感装置具有结构简单、稳定性高、灵敏度高、一致性高、无机械运动部件以及功能易于拓展等优点。

此外，本实施例振幅型空间光调制器能够将柱矢量光束调制成激发状态的柱矢量光束，激发状态的柱矢量光束在传感区域与被测物质相互作用，由于不同区域偏振态具有差异性，并且结合球面微纳结构阵列微观上的矢量光场偏振特性，在不同区域实现了矢量光场区域偏振激发表面等离子体共振，在不同测量点实现检测，并且不受大分子蛋白物质和区域位置的限制，因此实现了区域面测量。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。