专利名称：基于外场调制的表面等离子体共振检测系统及方法
技术领域：
本发明涉及传感器及传感技术领域，具体地说，本发明涉及一种基于外场调制的表面等离子体共振检测系统及检测方法。
背景技术：
表面等离子体共振(Surface Plasmon !Resonance，简称为SPR)生化传感器是基于表面等离子体共振效应，通过检测表面折射率变化对生化物质做定性、定量分析的一类传感器。SI^R生化传感器具有无标记、实时检测、高灵敏度、节约样品等优点，能够做浓度、亲和性、动力学、特异性分析，被广泛应用于蛋白质组学研究、癌症研究、新药研发、信号传递、分子识别、免疫调节、免疫测定、疫苗开发、瞬时结合、配体垂钓、结合特异性、酶反应等研究领域。表面等离子体波(Surface Plasmon Wave，简称为SPW)是沿金属(如金、银等)和介质界面间传播的表面电磁波，其场强在界面处达到最大并沿界面垂直方向指数衰减。根据Maxwell方程及相应边界条件，SPff的色散关系可以表述为其中ksp为金属表面等离子波的传播常数，λ、ω、C分别为波长、角频率和光速， ε ε <!分别为金属层和金属表面介质的介电常数。SPW在介质中的穿透深度小于300nm， 结合上述色散关系得出结论SPW的属性同紧邻金属表面的介质折射率密切相关。SPW通过光进行激发，实现光到SPW能量的转移，这就是sra现象。sra现象的出现需要激发光满足一定条件激发光为ρ偏振光且光波波矢同spw的传播常数相匹配。在此条件下，光耦合入SPW的能量最多，呈现在反射光谱上为一个吸收尖峰，我们称之为共振峰。金属表面介质的变化导致SPW传播常数的改变，从而影响激发光同SPW的耦合条件，体现在反射光谱上为共振峰位置相对于表面介质折射率的线性变化。基于此基本原理，SI^R现象可以用于表面折射率的检测。将单色平行光束的入射角度固定在sra共振峰两侧线性区域的某一位置，对反射光强进行检测。当金属表面介质折射率变化时，共振峰位置随折射率变化线性移动，上述固定位置的检测光强也将发生线性变化。根据光强变化同折射率变化的线性关系，实现对表面折射率的检测，这就是Sra强度检测方法。sra强度检测方法光路结构简单，易于实现大面积、微型化检测，所以目前被广泛应用于表面等离子体共振成像(Surface Plasmon Resonancelmaging，简称为SPRI)检测中。然而，SI3R强度检测方法本身灵敏度有待提高， 且易受到外界噪声(如散粒噪声、强度漂移等)的影响，分辨率较低。提高sra强度检测方法的灵敏度和分辨率，对于SPRI技术的发展有重大意义。其中，灵敏度和分辨率是表征SPR 传感器性能的两项重要指标，其定义分别为单位折射率变化所引起的检测信号变化，能产生可检测信号的最小折射率变化。灵敏度越高，分辨率越小，意味着SI^R传感器的检测能力越强。
因此，当前迫切需要一种能够提高检测灵敏度、抑制信号漂移造成的误差，同时系统结构简单，易于微型化、提高检测的通量的sra检测系统及方法。

发明内容
本发明的目的是提供一种能够提高检测灵敏度、抑制信号漂移的sra检测系统及方法，同时本系统与方法适用于大通量检测，具有实施条件宽松的特点。为实现上述发明目的，本发明提供了一种基于外场调制的表面等离子体共振检测系统，包括平行光输出装置；可调谐sra生物芯片；光耦合器，用于将平行光耦合进入可调谐SPR生物芯片；样品池，该样品池置于所述可调谐SPR生物芯片之上；光探测器，用于检测可调谐SPR生物芯片反射或透射光光强；场发生器，用于生成作用于所述可调谐sra生物芯片的外场；以及控制系统，用于在一定检测角度下完成外场扫描，确定两个调制外场，并分别在两个调制外场的作用下进行强度检测。在定量分析中，控制系统采用两种已知样品进行系统灵敏度标定，并根据所述系统灵敏度对未知样品分析得出表面等离子体共振检测结果。其中，所述可调谐sra生物芯片包括可调谐介质层，所述可调谐介质层采用电光材料、磁光材料、热光材料或者声光材料。其中，所述可调谐SPR生物芯片采用耦合等离子体波导共振 (CoupledPlasmon-Waveguide Resonance,简称为CPWR)、波导耦合表面等离子体共振 (Waveguide-Coupled SPR，简称为WCSPR)或者其他具有能够通过调制介质层物理性质(如折射率、厚度)对检测信号进行调谐的结构。本发明还提供了一种基于外场调制的表面等离子体共振检测方法，包括下列步骤ι)在可调谐sra生物芯片上的样品池中通入折射率或浓度已知的第一样品溶液， 在一定检测角度下完成外场扫描，确定两个调制外场；2)分别在两个调制外场的作用下进行强度检测；更换折射率或浓度已知且不同于第一样品溶液的第二样品溶液，然后再次在所述两个调制外场的作用下进行强度检测， 计算在所述两个调制外场的作用下的两次强度检测结果之差从而标定系统灵敏度；3)分别在步骤1)所确定的两个调制外场下的作用下完成待测样品的强度检测， 再根据步骤幻所标定的系统灵敏度得到待测样品溶液的折射率或浓度。其中，所述步骤1)包括下列子步骤11)在可调谐sra生物芯片上的样品池中通入折射率或浓度已知的样品溶液，在一定检测角度下完成外场扫描，得出反射光随外场变化的表面等离子体共振曲线；12)在所述表面等离子体共振曲线中找出共振峰所对应的共振外场值，选择所述共振外场值两侧的两个外场值作为调制外场值。其中，所述步骤11)中，所述一定检测角度的获取包括下列子步骤111)不施加外场时，得出反射光随检测角度变化的表面等离子体共振曲线；
112)在共振峰所对应的检测角度区间内，确定一个检测角度作为完成所述外场扫描的一定检测角度。其中，所述步骤12)中，所述调制外场值位于所述表面等离子体共振曲线共振峰两侧的线性区域。其中，所述步骤2、包括下列子步骤21)对可调谐sra生物芯片上的样品池中折射率或浓度已知的第一样品溶液，分别在两个调制外场Fl和F2作用下，测出对应的反射光光强Ip I2 ；22)在可调谐Sra生物芯片上的样品池中通入折射率或浓度已知的第二样品溶液，在两个调制外场Fl和F2作用下，测出对应的反射光光强I' pi' 2；23)由、、“和〗'pi' 2得到信号变化的总和Δ I，根据第一样品溶液、第二样品溶液的折射率差ΔN或者浓度差Δ C，得到检测灵敏度S= Δ I/Δη或S= Δ I/Δ C。其中， ΔΙ可以表述为 ΔΙ = Ii1-I' J + |I2-I' 2|，也可以表述为 ΔΙ = II1-I2HI' rr 2|。其中，所述步骤幻包括下列子步骤31)可调谐sra生物芯片上的样品池中通入待测样品溶液，分别在两个调制外场 Fl和F2作用下，测出对应的反射光光强I 〃 pi" 2；32)根据I" ”I〃 2相对于I1U2或Γ ”Γ 2的变化Δ I ‘，由步骤23)所标定的灵敏度S得到待测样品溶液的折射率或浓度信息。其中，所述外场可以是电、磁、声或热场。与现有技术相比，本发明的技术效果包括1、灵敏度提高。在双外场的调制下，可调谐sra生物芯片的可调谐介质层获得两种不同的光学参数。相当于在相同的外界条件下，两个不同结构参数的sra生物传感器同时对同一表面进行检测。上述两个等效的sra生物传感器获得的检测信号变化方向相反， 总检测信号的相对变化获得增大，即对应的检测灵敏度获得提高。2、检测位置灵活。由于采用外场调制并且对于检测角度的选择具有很大的灵活性，这样就消除了对机械结构的依赖，提高易操作性且容易实现器件的集成，利于微型化。3、漂移自补偿，减小外界条件改变造成的影响。本发明提出的检测方法获得的检测值是两个检测信号的差值，具有自动消除信号漂移的能力，减小外界噪声影响(如温度、 压力)，获得信号质量的提高。4、可实现高通量检测。本发明采用的检测系统光路简单，容易实现对二维表面的检测，能够被应用于高通量的阵列检测中。


图1是双外场调制检测方法的原理示意图；图2是基于电光调制的wcsra检测系统；图3是wcsra角度扫描曲线；图4是将检测角度确定在位于WCSra反射曲线共振峰处的52. 7度得到的电压扫描曲线及选择的两个调制电压-44V和15V ；图5是在52. 7度的检测角度下，施加-44V和15V的调制电压分别得到信号的相对变化及总信号的相对变化；
图6是在52. 7度的检测角度下，施加-44V和15V的调制电压分别得到信号及总
信号；图7是将检测角度确定在位于WCSra反射曲线共振峰左侧的52. 67度得到的电压扫描曲线及选择的两个调制电压-54V和2V ；图8是在52. 67度的检测角度下，施加-54V和2V的调制电压分别得到信号的相对变化及总信号的相对变化；图9是在52. 67度的检测角度下，施加-54V和2V的调制电压分别得到信号及总
信号；图10是将检测角度确定在位于WCSra反射曲线共振峰右侧的52. 74度得到的电压扫描曲线及选择的两个调制电压-30V和32V ；图11是在52. 74度的检测角度下，施加-30V和32V的调制电压分别得到信号的相对变化及总信号的相对变化；图12是在52. 74度的检测角度下，施加-30V和32V的调制电压分别得到信号及
总fe号°
具体实施例方式下面，结合附图和具体实施例对本发明做进一步地说明。参考图2，根据本发明的一个实施例，提供了一种使用电场作为外场调制的表面等离子体共振检测系统，该检测系统包括单色光源1、光学组件2、高折射率棱镜3、电场可调谐WCSra生物芯片5、电压源8、光探测器4、控制系统9、样品池6及微流控系统7。其中，单色光源1和光学组件2组成平行光输出装置，用于提供单色、线性偏振(TM 模式)、准直的光束。所述光学组件2包括不限顺序的透镜组、滤波片和偏振片等。高折射率棱镜3用于使所述平行光输出装置提供的光束耦合进入电场可调谐 WCSI5R生物芯片5。本发明中，也可使用其它种类的棱镜、光栅或其他能够将所述光束耦合进入可调谐SPR生物芯片的光耦合器来替代所述高折射率棱镜3。参考图2，本实施例中，电场可调谐WCSPR生物芯片5从上至下依次由生物检测层、 上层金属、电调制层、下层金属以及基底组成。电压源8用于调谐电场可调谐wcsra生物芯片5中的电调制层的物理性质(如折射率、厚度)。本实例对电调制层的折射率进行调谐， 即采用电光调制层。样品池6是将检测物质局限于电场可调谐wcsra生物芯片5检测表面的装置，其数量、形状及尺寸由检测需要决定。光探测器4用于对来自电场可调谐WCSra生物芯片5的检测层的反射或透射光强进行检测。光探测器4可以是CCD、光电二极管，或者其他对光强敏感的传感器。控制系统9是确定检测角度、完成外场扫描、确定调制外场、记录检测信号、完成数据分析处理的软硬件系统，包括但不限于转台控制器、场发生器控制器、数据采集器、中央控制器以及控制及分析软件。微流控系统7用于实现样品池中样品更换，生物芯片表面清洗、重生的流体控制器，包括流体泵、选通阀和微流管道。本实施例中，光源发出的光束经过光学系统整形、滤波、偏振处理，产生单色、平行、ρ型偏振的光通过高折射率棱镜耦合入电光调制的wcsra生物芯片。光探测器接受来自生物芯片的反射光，通过光强的变化对生物芯片表面的信息进行检测。以wcsra生物芯片的上下层金属为电极，电压源向电光调制层施加电场。电光调制层采用线性电光材料，其折射率变化与外加电场的关系为
权利要求
1.一种基于外场调制的表面等离子体共振检测系统，包括平行光输出装置，用于提供平行光束；可调谐SPR生物芯片，用于反射或透射平行光；光耦合器，用于将平行光耦合进入可调谐SI^R生物芯片；样品池，该样品池置于所述可调谐sra生物芯片之上，用于容纳样品溶液；光探测器，用于检测可调谐SPR生物芯片反射或透射光光强；场发生器，用于生成作用于所述可调谐sra生物芯片的外场；以及控制系统，用于完成外场扫描，确定两个调制外场，并分别在两个调制外场的作用下进行强度检测标定系统灵敏度，并根据所述系统灵敏度对未知样品进行强度检测得出检测结果。
2.根据权利要求1所述的表面等离子体共振检测系统，其特征在于，所述可调谐SI^R生物芯片包括可调谐介质层，所述可调谐介质层采用电光材料、磁光材料、热光材料或者声光材料。
3.根据权利要求1所述的表面等离子体共振检测系统，其特征在于，所述可调谐SI^R生物芯片采用耦合等离子体波导共振生物芯片或者波导耦合表面等离子体共振生物芯片；所述控制系统还用于根据外场扫描的结构，在共振峰位置的两侧线性区域分别选择一个外场值作为所述在两个调制外场的取值。
4.一种基于外场调制的表面等离子体共振检测方法，包括下列步骤D在可调谐sra生物芯片上的样品池中通入折射率或浓度已知的第一样品溶液，在一定检测角度下完成外场扫描，确定两个调制外场；2)分别在两个调制外场的作用下进行强度检测，更换折射率或浓度已知的第二样品溶液再次进行强度检测，计算在两个调制外场的作用下的两次强度检测结果之差从而标定系统灵敏度；3)在可调谐SI^R生物芯片上的样品池中通入待测样品溶液，分别在步骤1)所确定的两个调制外场下的作用下完成待测样品的强度检测，再根据步骤2、所标定的系统灵敏度得到待测样品溶液的折射率或浓度。
5.根据权利要求4所述的表面等离子体共振检测方法，其特征在于，所述步骤1)包括下列子步骤11)在可调谐sra生物芯片上的样品池中通入折射率或浓度已知的样品溶液，在一定检测角度下完成外场扫描，得出反射光随外场变化的表面等离子体共振曲线；12)在所述表面等离子体共振曲线中找出共振峰所对应的共振外场值，选择所述共振外场值两侧的两个外场值作为调制外场值。
6.根据权利要求5所述的表面等离子体共振检测方法，其特征在于，所述步骤11)中， 所述一定检测角度的获取包括下列子步骤111)在不加外场时，得出反射光随检测角度变化的表面等离子体共振曲线；112)在共振峰所对应的检测角度区间内，确定一个检测角度作为完成所述外场扫描的一定检测角度。
7.根据权利要求5所述的表面等离子体共振检测方法，其特征在于，所述步骤12)中， 所述调制外场值位于所述表面等离子体共振曲线共振峰两侧的线性区域。
8.根据权利要求4所述的表面等离子体共振检测方法，其特征在于，所述步骤幻包括下列子步骤21)对可调谐sra生物芯片上的样品池中折射率或浓度已知的第一样品溶液，分别在两个调制外场Fl和F2作用下，测出对应的反射光光强I” I2 ；22)在可调谐sra生物芯片上的样品池中通入折射率或浓度已知的第二样品溶液，在两个调制外场Fl和F2作用下，测出对应的反射光光强I' pi' 2；23)由IpI2和I' ρ I' 2得到信号变化的总和Δ I，根据第一样品溶液、第二样品溶液的折射率差Δ η或者浓度差Δ C，得到检测灵敏度S= Δ I/Δη或S= Δ I/Δ C。
9.根据权利要求8所述的表面等离子体共振检测方法，其特征在于，所述步骤；3)包括下列子步骤31)可调谐SPR生物芯片上的样品池中通入待测样品溶液，分别在两个调制外场Fl和 F2作用下，测出对应的反射光光强I" pi" 2；32)根据1〃pi" 2相对于、、“或广2的变化ΔΙ'，由步骤23)所标定的灵敏度S得到待测样品溶液的折射率或浓度信息，其中，ΔΙ可以表述为ΔΙ =I1-I' J + Ii2-I' 2|，也可以表述为 ΔΙ = II1-I2HI'「Ι' 2|。
10.根据权利要求4所述的表面等离子体共振检测方法，其特征在于，所述外场可以是电场、磁场、声场或热场。
全文摘要
本发明提供一种基于外场调制的表面等离子体共振检测系统及方法，其中，所述检测方法包括1)在可调谐SPR生物芯片上的样品池中通入折射率或浓度已知的样品溶液，在一定检测角度下完成外场扫描，确定两个调制外场；2)分别在两个调制外场的作用下完成对两种折射率或浓度已知溶液的强度检测，计算两个调制外场下的强度检测结果之差从而标定系统灵敏度；3)在可调谐SPR生物芯片上的样品池中通入待测样品溶液，分别在步骤1)所确定的两个调制外场下的作用下完成强度检测，再根据步骤2)所标定的系统灵敏度得到待测样品溶液的折射率或浓度。本发明能够提高灵敏度，抑制信号漂移，同时具有检测位置灵活的优点，并且可实现高通量检测。
文档编号G01N21/41GK102346132SQ201010245339
公开日2012年2月8日 申请日期2010年8月4日 优先权日2010年8月4日
发明者周大苏, 宋炉胜, 朱劲松, 李德虎, 程志强 申请人:国家纳米科学中心