专利名称：一种灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统及检测方法
技术领域：
本发明属于测试仪器技术领域，具体涉及一种灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统及检测方法。
背景技术：
表面等离子体共振作为一种免标记、原位实时的界面分析技术，已经广泛应用于化学、生物、医学、物理、材料等领域。表面等离子体共振技术的基本原理是基于传感膜与介质样品间的界面上发生表面等离子体共振的条件随界面上样品折射率的变化而变化。由此可通过对表面等离子体共振条件的检测，获得传感膜表面样品的折射率及厚度信息；而通过对表面等离子体共振条件变化的检测，可对传感膜表面的物理与化学反应进行监测与分析，如果将靶分子键合在传感膜表面，分析物中特定的生物分子将与靶分子发生特异性结合，则可进行分子相互作用分析。基于表面等离子体共振技术已经发展了表面等离子体共振及表面等离子体共振成像两类分析系统。高灵敏度几乎是所有分析系统的追求目标，表面等离子体共振也不例外。目前，在表面等离子体共振及成像的实际应用中，已经发展了基于样品修饰及传感膜修饰的提高灵敏度方法，但这些方法均是针对性很强的的局限性方法，而且提高灵敏度还会带来动态范围的减小。因而若能建立一种灵敏度与动态范围可调的，具普适性的表面等离子体共振传感方法是非常重要且有意义的。

发明内容
本发明的目的在于提供一种具有普适性的、灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统。该系统能够针对各种待测样品，在保证动态范围的前提下，进行高灵敏度检测分析；并且该系统无机械移动部件，系统稳定性高。本发明所提供的灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统，由折射率可调的表面等离子体共振耦合单元、宽波段多色光源、入射光束整形单元和反射光检测单元组成；其中，所述折射率可调的表面等离子体共振耦合单元包括一折射率可调的流体棱镜、位于所述流体棱镜上的传感芯片、以及位于所述传感芯片上的样品流通池；所述传感芯片包括一光学透明基底及位于其上的传感膜，所述光学透明基底与所述流体棱镜中的流体介质相接触，所述传感膜构成所述样品流通池的一个底面。所述入射光束整形单元将宽波段多色光源发出的光整形为空间尺寸可调的p偏振平行光或P偏振小角汇聚光束，经流体棱镜入射于传感芯片；所述反射光检测单元用于解析经流体棱镜的反射光的光谱。本发明中，所述折射率可调的表面等离子体共振耦合单元中的流体棱镜由腔体及位于腔内的流体介质组成；其中所述流体棱镜的腔体上设有两个小孔和一个大孔，两个小孔分别用作所述流体介质的输入与输出口，一个大孔作为所述传感芯片的安装口，以使传感芯片与流体介质直接接触。所述流体棱镜的腔体可以是半圆柱形、半球形、三角形等，或是其它可调节形状等。该腔体可由光学透明的玻璃、石英、硅、塑料等材料制成。所述流体棱镜中的流体介质可以是光学透明的水、油、离子液体、磁流体等各种纯净或混合的液体、气体，或超临界流体等；所述流体棱镜的折射率可以通过置换流体介质或通过压力、温度、电场、磁场、电磁波等进行连续或非连续调节。所述传感芯片包括一光学透明基底及制备于其上的传感膜，可根据需要对传感膜进行功能修饰；所述光学透明基底可以是玻璃、石英、硅、塑料等；所述传感膜为金、银等能够发生表面等离子体共振的材料。所述传感芯片中的光学透明基底与所述流体棱镜中的流体介质直接接触，所述传感芯片中的传感膜与样品直接接触。所述入射光束整形单元由光学准直元件、线偏振片、可调光阑、透镜等组成。所述反射光检测单元由信号收集元件与光谱解析装置组成；所述光谱解析装置可以是单色仪配合光电二极管、光电池、光电倍增管等光电转换元件或摄谱仪配合光电二极管、电荷耦合器件(CCD)等线阵光电转换元件；所述信号收集元件与光谱解析装置可以直接耦合或通过光纤耦合。所述入射光束整形单元将宽波段多色光源发出的光整形为空间尺寸可调的P偏振平行光或小角汇聚光束，经流体棱镜、传感芯片的光学透明基底，聚焦于光学透明基底与传感膜界面并发生受抑衰减全内反射，反射光经传感芯片的光学透明基底、流体棱镜，由反射光检测单元进行光谱解析，获得波长共振表面等离子体共振曲线。所述流体棱镜的折射率在能够发生表面等离子体共振的条件下，折射率越低，检测灵敏度越高，动态范围越窄；而折射率越高，检测灵敏度越低，动态范围越宽。本发明的另一个目的在于提供一种利用上述灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统检测待测样品的方法。该方法包括下述步骤1)根据待测样品的折射率选择能够实现表面等离子体共振的流体棱镜的折射率；2)将待测样品加入到权利要求1-7中任一项所述的表面等离子体共振系统的样品流通池中；3)利用权利要求1-7中任一项所述的表面等离子体共振系统进行检测，获得波长共振表面等离子体共振曲线。根据待测样品的折射率(已知值或估计值)，选择能够实现表面等离子体共振的最低流体棱镜折射率，此时可获得最高灵敏度；根据待测样品组的最高折射率(已知值或估计值)，选择能够实现表面等离子体共振的最低流体棱镜折射率，此时可以在保证动态范围的前提下，获得最高灵敏度；对于未知样品或难以估计的相互作用分析，可以通过预实验选择合适的流体棱镜折射率。本发明所提供的灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统，是基于一折射率灵活、连续或非连续可调的流体棱镜，其能够针对各种待测样品，在保证动态范围的前提下，进行高灵敏度检测分析。本发明的表面等离子体共振系统中无机械移动部件，系统稳定性高，可用于各种样品的分析，尤其适用于对灵敏度要求较高的样品分析。本发明同样适用于表面等离子体共振成像的灵敏度与动态范围调节。


图I为本发明的灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统的总体结构示意图。图2为本发明的灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统中流体棱镜的俯视图。图3为本发明的灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统的入射光束整形单元的光路示意图。图4为本发明的灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统的反射光检测单元的光路示意图。图5为采用本发明的灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统的流体棱镜折射率为I. 4502的实验分析图。图6为采用本发明的灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统的流体棱镜折射率为I. 5174的实验分析图。图7为采用本发明的灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统的流体棱镜折射率为I. 5174的实验分析图的部分样品放大图。
具体实施例方式下面结合附图和典型实施例，对本发明进行详细描述。以下实施例仅用于解释本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明提供的表面等离子体共振系统的总体结构示意图如图I所示。其包括宽波段多色光源及入射光束整形单元I、折射率可调的表面等离子体共振耦合单元2和反射光检测单元3。其中，所述折射率可调的表面等离子体共振耦合单元2包括一折射率可调的流体棱镜4、位于流体5上的传感芯片6、位于传感芯片6上的样品流通池7 ;所述宽波段多色光源及入射光束整形单元I输出宽波段多色P偏振小角汇聚光束8，所述汇聚光束8经流体棱镜4入射于传感芯片6 ;所述反射光检测单元3用于解析经流体棱镜4的反射光9的光谱。所述流体棱镜4具有半圆柱形腔体10及容纳在腔体中的流体介质5。在半圆柱形流体棱镜的腔体10上开有两个小孔11、12和一个大孔13(如图1、2所示)，两个小孔11、 12分别用作所述流体介质的输入口与输出口，一个大孔13用于传感芯片6的安装孔；所述流体棱镜4的折射率可以通过改变流体介质5调节。在本实施例中，流体棱镜4的腔体由 K9玻璃材料制成，流体介质5为香柏油与异丙醇的混合溶液，可通过调节混合溶液中香柏油与异丙醇的比例连续调节流体棱镜4的折射率。所述传感芯片6包括一光学透明基底14及制备于其上的传感膜15。在本实施例中，光学透明基底14为一厚度0. 15mm的K9玻璃片，传感膜为厚度50nm的金膜。传感芯片 6通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性垫片16在流体棱镜4的大孔13处与流体棱镜4通过压力实现密封。传感芯片6的光学透明基底14与流体棱镜4中的流体介质5直接接触，传感膜15与样品17直接接触。所述样品流通池7为一 K9玻璃片18通过PDMS垫片19与传感芯片6通过压力实现密封；在K9玻璃片18上开有两个小孔20、21，分别作为样品流通池的样品输入与输出□。所述宽波段多色光源及入射光束整形单元I如图3所示，由宽波段多色光源22、光学准直元件23、线偏振片24、可调光阑25、长焦光学透镜26组成。在本实施例中，宽波段多色光源22为一碘钨灯，发出的光经两个光学透镜27、28聚焦后由光学透镜30准直，为提高准直效果，在聚焦焦点处放置一小孔光阑29 ;准直平行光再经线偏振片24、可调光阑25、长焦光学透镜26，最后获得P偏振小角汇聚光束8。汇聚光束8经流体棱镜4入射并聚焦于传感芯片6的光学透明基底14与传感膜15的界面。所述反射光检测单元3由光学透镜31作为信号收集元件与光谱解析装置33组成；在本实施例中，反射光9经光学收集透镜31聚焦耦合于光纤32，由独立的光谱解析装置33进行光谱解析。光谱解析装置33为单色仪分光后由光电倍增管检测。所述宽波段多色光源及入射光束整形单元I输出的宽波段多色P偏振小角汇聚光束8，经流体棱镜4、传感芯片的光学透明基底14，在光学透明基底14与传感膜15的界面发生受抑衰减全内反射，反射光9经传感芯片的光学透明基底14、流体棱镜4，由反射光检测单元3进行光谱解析，获得波长共振表面等离子体共振曲线。在本实施例中，入射光的入射方向固定，与传感芯片的法线间夹角约为73度。采用本实施例所建立的一种灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统，以各种浓度的蔗糖水溶液为样品，进行了实验分析。首先对蔗糖浓度分别为0% (折射率n0%= I. 3330),1% (折射率n1%= I. 3342) 的2个样品，选用折射率为I. 4502的香柏油异丙醇溶液(香柏油与异丙醇的质量比为 1.28 I)作为流体棱镜的流体介质，进行了高灵敏度表面等离子体共振分析(如图5所示)，对应的表面等离子体共振波长分别为λ 0% = 776. 60nm、λ 1% = 792. 30nm,计算波长灵敏度为(λ 1% - λ Q% ) / (n1% -nQ% ) = 13083. 3nm/RIU ;然后将流体棱镜的流体介质换为折射率为1.5174的香柏油，对蔗糖浓度分别为0% (折射率nQ%= 1.3330),1% (折射率n1% = 1.3342),5% (折射率 n5%= 1.3401),13% (折射率 n13%= 1.3529),18% (折射率 n18% = 1.3605)的5个样品进行了表面等离子体共振分析(如图6、7所示)，对应的表面等离子体共振波长分别为 λ ο%= 593. 44nm、λ 1%= 595. 62nm、λ 5%= 603. 03nm、λ 13%= 623. 48nm、 λ 18%= 637. 58nm,由0%和1%的2个样品计算波长灵敏度为1816. 7nm/RIU。由分析结果可以看出，流体棱镜的折射率为I. 4502时的灵敏度是流体棱镜的折射率为I. 5174时的7 倍，而动态范围变窄。由此，仅通过调节流体棱镜的流体介质的折射率，即可以针对待测样品进行灵敏度与动态范围的优化。因为流体介质的折射率通过混合溶液的浓度比例可进行连续调节，所以能够在保证动态范围得到满足的条件下，进行高灵敏度检测分析。所述实施例采用了半圆柱形流体棱镜，也可以采用三角形等其它形状。所述实施例采用了单色仪由光纤耦合进行解谱分析，也可以采用摄谱仪经CCD等解谱分析装置，也可以不经光纤耦合直接分析。所述的实施例建立了一种灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统，本发明同样适用于表面等离子体共振成像的灵敏度与动态范围调节。
权利要求
1.一种灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统，由折射率可调的表面等离子体共振耦合单元、宽波段多色光源、入射光束整形单元和反射光检测单元组成；其中，所述折射率可调的表面等离子体共振耦合单元包括一折射率可调的流体棱镜、位于所述流体棱镜上的传感芯片、以及位于所述传感芯片上的样品流通池；所述传感芯片包括一光学透明基底及位于其上的传感膜，所述光学透明基底与所述流体棱镜中的流体介质相接触，所述传感膜构成所述样品流通池的一个底面。
2.根据权利要求I所述的表面等离子体共振系统，其特征在于所述流体棱镜由腔体及位于腔内的流体介质组成；其中所述流体棱镜的腔体上设有两个小孔和一个大孔，两个小孔分别作为所述流体介质的输入口与输出口，一个大孔作为所述传感芯片的安装口。
3.根据权利要求2所述的表面等离子体共振系统，其特征在于所述流体棱镜的腔体由光学透明材料制成；所述流体棱镜的流体介质为光学透明的液体、气体或超临界流体。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的表面等离子体共振系统，其特征在于所述传感芯片中的传感膜为由能够发生表面等离子体共振的材料制成。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的表面等离子体共振系统，其特征在于所述入射光束整形单元将宽波段多色光源发出的光整形为空间尺寸可调的P偏振平行光或P偏振小角汇聚光束，经所述流体棱镜入射于传感芯片。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的表面等离子体共振系统，其特征在于所述入射光束整形单元包括光学准直元件、线偏振片、可调光阑和透镜。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的表面等离子体共振系统，其特征在于所述反射光检测单元由信号收集元件与光谱解析装置组成；所述光谱解析装置为配以光电转换元件的单色仪或配以线阵光电转换元件的摄谱仪；所述信号收集元件与光谱解析装置直接耦合或通过光纤耦合。
8.一种利用权利要求1-7中任一项所述的表面等离子体共振系统进行检测的方法，包括下述步骤1)根据待测样品的折射率选择能够实现表面等离子体共振的流体棱镜的折射率；2)将待测样品加入到权利要求1-7中任一项所述的表面等离子体共振系统的样品流通池中；3)利用权利要求1-7中任一项所述的表面等离子体共振系统进行检测，获得波长共振表面等离子体共振曲线。
全文摘要
本发明公开了一种灵敏度与动态范围可调的表面等离子体共振系统及方法。该表面等离子体共振系统由折射率可调的表面等离子体共振耦合单元、宽波段多色光源、入射光束整形单元和反射光检测单元组成；其中折射率可调的表面等离子体共振耦合单元包括一折射率可调的流体棱镜、位于流体棱镜上的传感芯片、及位于传感芯片上的样品流通池；所述传感芯片包括光学透明基底及位于其上的传感膜，光学透明基底与所述流体棱镜中的流体介质相接触，传感膜构成所述样品流通池的一个底面。该系统能够针对各种待测样品，在保证动态范围的前提下，进行高灵敏度检测分析；并且该系统无机械移动部件，系统稳定性高。
文档编号G01N21/55GK102590147SQ20121002219
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月1日 优先权日2012年2月1日
发明者许吉英, 陈义 申请人:中国科学院化学研究所