CN101051025B - 表面等离子体生化传感检测装置 - Google Patents

Abstract

表面等离子体生化传感检测装置，由测试台、金属纳米结构基片、半透半反镜、偏振片、滤光片、准直镜、照明光纤、集光镜、氙灯光源、聚光镜、单色仪、光电倍增管、信号处理数码转换器、被测生化样品、XY扫描台、扫描驱动控制器和计算机部分组成，被测生化样品涂放于金属纳米结构基片上，被上方的照明***照明后，其反射光通过光学***的半透半反镜反射，聚光镜聚光，由光电倍增管接收转换为电信号，处理转换为数字信号后送入计算机部分，检测出生化样品的种类，并经扫描台移动快速测出众多个生化样品。该检测装置结构简单、实用、调整方便，灵感度高，检测效速高，易于应用推广。

Description

表面等离子体生化传感检测装置

技术领域

本发明是一种表面等离子体生化传感检测装置，属于生化传感检测技术领域。

背景技术

随着光学技术与纳米结构加工技术的不断进步，传统光学技术已发展延伸到表面等离子体光学，金属纳米结构表面等离子体性质得到深入研究和揭示，研究发现电磁场可以激发金属纳米结构表面的自由电子产生共振，对于某入射光频率范围，光与表面自由电子耦合共振出现强烈的近场局域化和光谱选择吸收，这种共振模式对金属结构周围区域介质折射率的变化非常敏感，由于这种特性，使它可以应用于生化传感检测领域。目前已有很多工作都在研究金属纳米粒子的消光特性，它随着粒子的形状、尺寸、阵列类型以及周围环境的变化而变化，并将这局域化表面等离子体共振通过对粒子吸收或者散射光谱特性的分析，应用于生化传感检测，其中有纳米球、方形和方形柱、长方形和长方形柱、圆柱、正四面体、三角形和三角形柱、棱形和棱形柱等等类型金属纳米粒子结构列阵，这些结构中以三角形和棱形列阵粒子结构为最好。但是，即使是三角形和棱形结构，这种类型的共振曲线半高全宽值很大(60-100nm)，折射率灵敏度也较小，只有10-30nm/RIU，使得品质因素只达到0.2-1，甚至更小，因此传感灵敏度较低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单实用的双面高斯形剖面金属纳米光栅结构的高灵敏度表面等离子生化传感检测装置。

本发明的技术解决方案是：表面等离子体生化传感检测装置，其特点在于：包括被测样品测试台、金属纳米结构基片、半透半反立方镜或半透半反镜或反射镜、偏振片、滤光片、准直镜、照明光纤、集光镜、氙灯光源、聚光镜、单色仪、光电倍增管、信号处理数码转换器、计算机部分、被测生化样品、XY扫描台和扫描驱动控制器；氙灯光源、集光镜和照明光纤组成对被测生化样品照明的照明***；准直镜、滤光片、偏振片和半透半反立方镜或半透半反镜或反射镜依次放置，使照明***发出的照明光变成有一定波长范围的TM偏振平行光照射被测生化样品，涂有被测生化样品的金属纳米结构基片放置在XY扫描台上的被测样品测试台上；聚光镜、单色仪和光电倍增管组成检测光学***，安放在半透半反立方镜或半透半反镜或反射镜的一侧，由照明***射出的光经准直起偏后射入被测生化样品和金属纳米结构基片中，产生局域化表面等离子体共振，射出的检测光通过检测光学***，被光电倍增管接收和转换为电信号，再通过信号处理和数码转换送入计算机部分，检测出生化样品的种类，检测完该处的被测生化样品后，再通过计算机部分和扫描驱动控制器控制扫描台运动到另一位置进行检测，直到金属纳米结构基片上所有需检测的被测生化样品都检测完。

所述的由氙灯光源、集光镜和照明光纤组成的照明***安放在最上方，下方依次放置准直镜、滤光片、偏振片、半透半反立方镜或半透半反镜或反射镜。

所述的由氙灯光源、集光镜和照明光纤组成的照明***安放在最下方，上方依次放置准直镜、滤光片、偏振片、半透半反立方镜或半透半反镜或反射镜。

所述的该装置金属纳米结构基片由基板和金属纳米结构薄膜片组成，基板是一压制在金属纳米结构薄膜片上的高折射透光物质层，其相对折射率为1.55-1.85，金属纳米结构薄膜片是一由金材料构成的薄膜片，该薄膜片的厚度为35-135nm，在它的上下表面均刻有等周期高斯形剖面纳米光栅结构，采用离子束或电子束光刻方法制作，以上表面其中某一个高斯形沟槽底部0为坐标原点，上表面结构轮廓表示为：

$y\left(x\right)=-H\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\exp [-{\left(\frac{x-\mathrm{m\Λ}}{\mathrm{\ω}}\right)}^2]$

下表面结构轮廓表示为：

$y\left(x\right)=-(H+t)+H\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left[{-\left(\frac{x-\mathrm{m\Λ}}{\mathrm{\ω}}\right)}^2\right]$

式中Λ为光栅周期，H为槽深，ω为高斯槽宽，t为未刻透的深度(t≥5nm)，m为光栅个数，光栅周期Λ＝250-650nm，槽深H＝15-55nm，未刻透深度t＝5-25nm，高斯槽宽ω＝12-80nm。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明传感器检测得到的共振曲线不仅峰值高，而且曲线峰值半高全宽值很小，折射率灵敏度大，使达到的品质因素很高，因此传感灵敏度也达到很高。

(2)传感用金属纳米光栅结构基片采用双面高斯形剖面结构，由于是高斯形剖面的金属光栅结构，可用电子束光刻或离子束光刻方法方便制作。

(3)整个传感测试装置结构简单、实用、调整方便，对环境要求低，而传感测量的精度却很高。

(4)金属纳米结构基片上可以涂放很多被测生化样品列阵，用计算机控制移动分别检测，从而检测效率和速度高，易于推广应用。

附图说明

图1为本发明实施例1表面等离子体生化传感检测装置总结构图；

图2为本发明实施例2表面等离子体生化传感检测装置总结构图；

图3为本发明实施例3表面等离子体生化传感检测装置总结构图；

图4为本发明实施例生化传感金属纳米结构基片zoy平面局部放大剖面图；

图5为本发明实施例生化传感金属纳米结构基片A向局部放大图；

图6为本发明实施例1和实施例的生化传感金属纳米结构基片的共振反射谱主峰传感组合光谱图；

图7为本发明实施例3生化传感金属纳米结构基片的共振透射谱主峰传感组合光谱图；

图8为本发明计算机部分和扫描驱动控制器结构图；

图9为本发明软件控制处理流程图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明实施例1的表面等离子体生化传感检测装置总结构图。它由被测样品测试台1、金属纳米结构基片2、半透半反立方镜4、偏振片6、滤光片7、准直镜8、照明光纤9、集光镜10、氙灯光源11、聚光镜13、单色仪14、光电倍增管16、信号处理数码转换器17、计算机部分18、被测生化样品19、XY扫描台20和扫描驱动控制器21组成。氙灯光源11、集光镜10和照明光纤9组成对被测生化样品19照明的照明***，并安放于准直镜8上方。下方依次放置的准直镜8、滤光片7、偏振片6和半透半反立方镜4使照明光变成有一定波长范围的TM偏振平行光，并通过半透半反立方镜4垂直射入下方的多处涂有被测生化样品19和金属纳米结构基片2。被测生化样品19的金属纳米结构基片2放置在被测样品测试台1上，被测样品测试台1放置在XY扫描台20上，XY扫描台20位置由计算机部分18通过扫描驱动控制器21控制。半透半反立方镜4、聚光镜13、单色仪14和光电倍增管16组成检测光学***，依次安放在半透半反立方镜4的一侧。氙灯光源11发出的连续光谱通过集光镜10将光聚集到照明光纤9的入射端902，光通过入射端面传入照明光纤9，经过照明光纤9传输后，从照明光纤9的出射端901的出射面射出，光纤射出的发散光经准直镜8准直，准直光通过滤光片7滤光和偏振片6起偏振后，变成波长范围为450nm-950nm的TM偏振平行光5，然后垂直射入组成半透半反立方镜4的两个直角棱镜，从立方镜射出的TM偏振平行光3垂直射入多处涂有被测生化样品19和金属纳米结构基片2，由于金属纳米结构基片2的金属薄膜上下面上作有纳米结构，产生局域化表面等离子体共振，其反射光12原路返回射入半透半反立方镜4，并通过其中的半反射面403反射，从90°角方向射出，通过聚光镜13聚光射入单色仪14，经单色仪14分光后射入光电倍增管16，光电倍增管16将被检测到的光信号转换为电信号，同时放大，再通过信号处理数码转换器17处理和转换为数字信号，送入计算机部分18，由计算机比较检测出金属纳米结构基片2上某位置样品反射谱曲线，判别出生化样品的种类，检测完该处的被测生化样品后，再通过计算机部分18和扫描驱动控制器21控制XY扫描台20运动到另一位置进行检测，直到金属纳米结构基片2上所有需检测的被测生化样品19都检测完。

如图1所示，半透半反立方镜4是由2个直角棱镜402和401的斜面相互胶合而成的，其中斜面403镀有半透半反射膜。从上方垂直射入的偏振光5一半透过从下方直线射出，照明被测生化样品19和金属纳米结构基片2。从下方返回的检测反射光12通过半透半反立方镜4的下方直角棱镜401，经斜面403半反射面反射，一半光以90°角水平射向聚光镜13。

如图2所示，是本发明实施例2的另一表面等离子体生化传感检测装置总结构图。它由被测样品测试台1、金属纳米结构基片2、半透半反镜4′、偏振片6、滤光片7、准直镜8、照明光纤9、集光镜10、氙灯光源11、聚光镜13、单色仪14、光电倍增管16、信号处理数码转换器17、计算机18、被测生化样品19、XY扫描台20和扫描驱动控制器21组成。氙灯光源11、集光镜10和照明光纤9组成对被测生化样品19照明的照明***，安放于准直镜8上方。下方依次放置的准直镜8、滤光片7、偏振片6和半透半反镜4′使照明光变成波长范围为450nm-950nm的TM偏振平行光，半透半反镜4′的下表面是一半透半反射面，与水平面成45°角放置。多处涂有被测生化样品19的金属纳米结构基片2放置在被测样品测试台1上，被测样品测试台1放置在XY扫描台20上，XY扫描台20位置由计算机18通过扫描驱动控制器21控制。半透半反镜4′、聚光镜13、单色仪14和光电倍增管16组成检测光学***，依次安放在半透半反镜4′的一侧。照明***通过准直镜8、滤光片7和偏振片6后发出的TM偏振平行光5，经半透半反镜4′一半透过垂直照明被测生化样品19和金属纳米结构基片2，由于金属纳米结构基片2上下面上的纳米结构，产生局域化表面等离子体共振，发射出反射光12原路返回射向半透半反镜4′，经下面的半反射面反射，一半光以90°角方向射向聚光镜13，通过聚光镜13聚光射入单色仪14，通过单色仪14分光后射入光电倍增管16，光电倍增管16将被检测到的光信号转换为电信号，同时放大，再通过信号处理数码转换器17处理和转换为数字信号，送入计算机部分18，比较检测出金属纳米结构基片2上某位置样品反射谱曲线，判别出生化样品的种类，检测完该处的被测生化样品后，再通过计算机部分18和扫描驱动控制器21控制XY扫描台20运动到另一位置进行检测，直到金属纳米结构基片2上需检测的被测生化样品19都检测完。

如图3所示，是本发明实施例3表面等离子体生化传感检测装置总结构图。它由被测样品测试台1、金属纳米结构基片2、反射镜4″、偏振片6、滤光片7、准直镜8、照明光纤9、集光镜10、氙灯光源11、聚光镜13、单色仪14、光电倍增管16、信号处理数码转换器17、计算机18、被测生化样品19、XY扫描台20和扫描驱动控制器21组成。氙灯光源11、集光镜10和照明光纤9组成对被测生化样品19照明的照明***，安放于准直镜8下方。上方依次放置的准直镜8、滤光片7和偏振片6使照明光变成波长范围为450nm-950nm的TM偏振平行光3，从下方垂直照明。反射镜4″位于金属纳米结构基片2上方，其下表面是反射面，与水平面成45°角放置。多处涂有被测生化样品19的金属纳米结构基片2样品面朝下放置在被测样品测试台1上，被测样品测试台1放置在中空的XY扫描台20上，XY扫描台20由计算机部分18通过扫描驱动控制器21控制。反射镜4″、聚光镜13、单色仪14和光电倍增管16组成检测光学***，依次安放在反射镜4″的一侧。照明***通过准直镜8、滤光片7和偏振片6后发出的TM偏振平行光3，从下方垂直照明被测生化样品19和金属纳米结构基片2，由于金属纳米基片2薄膜上下面上有纳米结构，产生局域化表面等离子体共振，产生透射光射向反射镜4″，经反射镜4″反射，透射光12以90°角方向水平射向聚光镜13，聚光并射入单色仪14，经单色仪14分光后射入光电倍增管16，光电倍增管16将检测到光信号转换为电信号，同时放大，再通过信号处理数码转换器17处理和转换为数字信号，送入计算机部分18，比较检测出金属纳米结构基片2上某位置样品透射谱曲线，判别出生化样品的种类，检测完该位置的被测生化样品后，通过计算机18部分和扫描台控制器21控制XY扫描台20运动到另一需检测的位置进行检测，直到金属纳米结构基片2上所有被测生化样品19都检测完。

如图4所示，是本发明实施例1、实施例2和实施例3中的金属纳米结构基片2的zoy平面局部放大剖面图。它由基板201和金属纳米结构薄膜片202组成。基板201是一压制在金属纳米结构薄膜片202上的高折射率透光物质层，其折射率为1.55-1.85，是SF系列的玻璃层，金属纳米结构薄膜片202是一由金材料构成的薄膜片，该薄膜片的厚度为35-135nm，在它的上下表面均刻有等周期高斯形22剖面纳米光栅结构，以上表面其中某一个高斯形沟槽底部0为坐标原点，其上表面包含高斯形结构轮廓表示为：

$y\left(x\right)=-H\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\exp [-{\left(\frac{x-\mathrm{m\Λ}}{\mathrm{\ω}}\right)}^2]---\left(1\right)$

下表面包含高斯形结构轮廓表示为：

$y\left(x\right)=-(H+t)+H\underset{m=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\exp \left[{-\left(\frac{x-\mathrm{m\Λ}}{\mathrm{\ω}}\right)}^2\right]---\left(2\right)$

两式中，Λ为光栅周期，H为槽深，ω为高斯槽宽(离槽深1/e高度时的宽度)，t为未刻透的深度(t≥5nm)，m为光栅个数。在本发明中，光栅周期Λ＝250-650nm，槽深H＝15-55nm，未刻透深度t＝5-25nm，高斯槽宽ω＝12-80nm。

如图5所示，是本发明实施例生化传感金属纳米结构基片2的A向局部放大图。在金属纳米结构薄膜片202正反面上，对称刻有多个成阵列的高斯形剖面光栅纳米结构22，在每个高斯形剖面光栅纳米结构区上面涂上被测生化样品19。

如图6所示，是本发明实施例1和实施例2的测量得到的生化传感金属纳米结构基片2的共振反射谱主峰传感组合光谱图。图中示出了不同折射率的被测生化样品19，经检测得到的不同折射率时的共振反射谱主峰曲线，如折射率n＝1.2时的共振反射谱主峰26，折射率n＝1.3时的共振反射谱主峰25，折射率n＝1.4时的共振反射谱主峰24，折射率n＝1.5时的共振反射谱主峰23。

如图7所示，是本发明实施例3测量得到的生化传感金属纳米结构基片2的共振透射谱主峰传感组合光谱图。图中示出了不同折射率的被测生化样品19，经检测得到的不同折射率时的共振透射谱主峰曲线，如折射率n＝1.2时的共振透射谱主峰27，折射率n＝1.3时的共振透射谱主峰28，折射率n＝1.4时的共振透射谱主峰29，折射率n＝1.5时的共振透射谱主峰30。

共振反(透)射谱的主峰23--30大小和位置是随光栅的结构与被测生化样品的折射率不同而改变的，其中主峰大小与光栅周期、槽深和高斯槽宽相关，主峰的位置随光栅周期、槽深、高斯槽宽，以及样品折射率的增大向长波方向移动，移动快慢和峰值的大小直接影响到传感灵敏度，当峰值随样品折射率变化移动越大越深越窄时，品质因数越高，传感灵敏度也越高，传感器的品质因数用下式表示：

$\mathrm{FOM}=\frac{q(\mathrm{nm}/\mathrm{RIU})}{\mathrm{FWHM}\left(\mathrm{nm}\right)}---\left(3\right)$

式中，q为折射率灵敏度，FWHM为光栅反(透)射光谱的半高全宽，本发明的半高全宽值达到6-8nm，折射率灵敏度达到300-370nm/RIU，使传感品质因数达到了35-60，大大优于其它传感器或检测装置。

如图8所示，本发明的计算机部分18包括恒光强灯源控制1801、氙灯1805、总线接口1802、A/D转换1803、数字光谱图像缓存1806、光电倍增管电源1804、光电倍增管1807和计算机1808；扫描驱动控制器21包括x步进电机驱动2101和y步进电机驱动2102。氙灯1805在计算机1808的指令通过总线1802由恒光强灯源控制1801控制下发出光强恒定的光作为本发明的照明光，照明金属纳米结构基片2上的被测生化样品19，计算机1808通过总线1802控制，对从光电倍增管1807送来的被测生化样品光谱图像曲线进行A/D转换为数字光谱图像曲线，并存入数字光谱图像缓存1806，等待和进行比较，检测出被测生化样品19的物质种类，在检测完一个位置的被测生化样品的物质种类后，计算机1808通过总线1802指令扫描驱动控制器21，控制驱动x步进电机和y步进电机，使扫描台作x方向、y方向移动，把金属纳米结构基片2上的另外还未被检测的被测生化样品19送到检测位进行检测。

如图9所示为本发明的软件控制处理流程图。其原理是：检测工作开始，先接通灯等各部电源，预置参数，如金属纳米结构基片2的被测生化样品19点数及位置，检测精度等，扫描台自动归零，接着在被测样品测试台1上装入金属纳米结构基片2，Xy扫描驱动控制器21自动将被测生化样品19移动到检测位，然后计算机1808指令采集由光电倍增管1807送来并经A/D转换成数字光谱图像，存入数字光谱图像缓存1806，并提取反(透)射光谱峰值波长、半宽高和反(透)射率等有关信息，由计算机1808和机内预先已存有的已知物种有关信息自动比较，比较在一定精度要求下是否相同，如结果相同，计算机1808则输出并显示该位置被测生化样品19的种类，如结果不相同，计算机1808则显示被测样品19的光谱图像曲线和原来相近的已知图像，由操作人员判读被测生化样品19的物种或新发现的物种，同时提取峰值波长、半宽高和反(透)射率等信息，存入计算机，增加已存有的已知物种，这样直到金属纳米结构基片2上的所有被测生化样品19都被检测完，取下被测金属纳米结构基片2，结束检测。

Claims (3)

1.表面等离子体生化传感检测装置，其特征在于：包括被测样品测试台(1)、金属纳米结构基片(2)、半透半反立方镜(4)或半透半反镜(4′)或反射镜(4″)、偏振片(6)、滤光片(7)、准直镜(8)、照明光纤(9)、集光镜(10)、氙灯光源(11)、聚光镜(13)、单色仪(14)、光电倍增管(16)、信号处理数码转换器(17)、计算机部分(18)、被测生化样品(19)、XY扫描台(20)和扫描驱动控制器(21)；氙灯光源(11)、集光镜(10)和照明光纤(9)组成对被测生化样品(19)照明的照明***；准直镜(8)、滤光片(7)、偏振片(6)和半透半反立方镜(4)或半透半反镜(4′)或反射镜(4″)依次放置，使照明***发出的照明光变成有一定波长范围的TM偏振平行光照射被测生化样品(19)，涂有被测生化样品(19)的金属纳米结构基片(2)放置在XY扫描台(20)上的被测样品测试台(1)上，所述金属纳米结构基片(2)由基板(201)和金属纳米结构薄膜片(202)组成，基板(201)是一压制在金属纳米结构薄膜片(202)上的高折射透光物质层，其相对折射率为1.55-1.85，金属纳米结构薄膜片(202)是一由金材料构成的薄膜片，该薄膜片的厚度为35-135nm，在它的上下表面均刻有等周期高斯形剖面(22)纳米光栅结构，采用离子束或电子束光刻方法制作，以上表面其中某一个高斯形剖面沟槽底部为坐标原点，上表面结构轮廓表示为下表面结构轮廓表示为

式中Λ为光栅周期，H为槽深，ω为高斯槽宽，t为未刻透的深度t≥5nm，m为光栅个数，光栅周期Λ＝250-650nm，槽深H＝15-55nm，未刻透深度t＝5-25nm，高斯槽宽ω＝12-80nm；聚光镜(13)、单色仪(14)和光电倍增管(16)组成检测光学***，安放在半透半反立方镜(4)或半透半反镜(4′)或反射镜(4″)的一侧，由照明***射出的光经准直起偏后射入被测生化样品(19)和金属纳米结构基片(2)中，产生局域化表面等离子体共振，射出的检测光通过检测光学***，被光电倍增管(16)接收和转换为电信号，再通过信号处理和数码转换送入计算机部分(18)，检测出生化样品的种类，检测完该处的被测生化样品后，再通过计算机部分(18)和扫描驱动控制器(21)控制XY扫描台(20)运动到另一位置进行检测，直到金属纳米结构基片(2)上所有需检测的被测生化样品(19)都检测完。

2.根据权利要求1所述的表面等离子体生化传感检测装置，其特征在于：所述的由氙灯光源(11)、集光镜(10)和照明光纤(9)组成的照明***安放在最上方，下方依次放置准直镜(8)、滤光片(7)、偏振片(6)、半透半反立方镜(4)或半透半反镜(4′)或反射镜(4″)。

3.根据权利要求1所述的表面等离子体生化传感检测装置，其特征在于：所述的由氙灯光源(11)、集光镜(10)和照明光纤(9)组成的照明***安放在最下方，上方依次放置准直镜(8)、滤光片(7)、偏振片(6)、半透半反立方镜(4)或半透半反镜(4′)或反射镜(4″)。

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