CN102128809B

CN102128809B - 表面等离子共振传感器芯片组件及柱面棱镜芯片

Info

Publication number: CN102128809B
Application number: CN2010100342706A
Authority: CN
Inventors: 江先玉; 高赞军; 梅丹阳; 吴晓东
Original assignee: BEIJING GP MEDICAL TECHNOLOGIES Ltd
Current assignee: BEIJING GP MEDICAL TECHNOLOGIES Ltd
Priority date: 2010-01-19
Filing date: 2010-01-19
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2030-01-19
Also published as: CN102128809A

Abstract

本发明公开了一种SPR传感器芯片组件和柱面棱镜芯片，包括：一体化的柱面棱镜芯片、流池和流池盖；其中，所述柱面棱镜芯片的两侧面为对称同心圆柱面，分别作为检测光的入射面和出射面；柱面棱镜芯片的上表面为反射面，入射和出射柱面的轴心线在柱面棱镜芯片的该反射面上；所述流池被所述流池盖压在所述一体化柱面棱镜芯片的反射面上部。通过本发明大幅提高了SPR传感器检测精度和检测效率，可广泛应用于生物学病理检验，生命科学研究、有机化学、食品安全、药物检测等领域。另外全部组件采用光学塑料注塑技术进行加工，适合批量生产，降低成本。

Description

表面等离子共振传感器芯片组件及柱面棱镜芯片

技术领域

本发明涉及传感器芯片技术领域，特别是指一种表面等离子共振(SPR)传感器芯片组件及柱面棱镜芯片。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)技术是近年来发展极为迅速的一项技术。表面等离子体共振的原理是沿着金属表面传播的电子或电荷密度集体振荡效应。当入射的偏振光的入射角满足一定条件时，反射光强度最小，此时的角度成为共振角。当金膜表面的物质浓度发生变化时，其共振角发生改变，通过分析共振角的变化，能够对生物分子的结合进行原位、无损且无标记的检测。因此SPR检测技术已成为分子间相互作用分析的重要手段，特别是在生物分子相互作用的研究领域，已成为生化实验室的重要研究工具。而传感器芯片作为SPR检测技术的核心部件，直接影响到SPR检测技术的发展。

目前SPR传感器的芯片结构参见图1所示和图2所示。其中，图1所示棱镜为楔形棱镜芯片，图2为柱面棱镜芯片。现有的SPR检测仪一般包括扫描光源211、楔形或柱面棱镜212、SPR芯片(包括玻璃片130和金膜131)、反应池214和检测器215，检测器是SPR检测仪的扫描结构部分。

SPR芯片包括玻璃片130，玻璃片上镀有金膜131，扫描光源211射出的激光通过楔形或者柱面棱镜212耦合，引发金膜中的自由电子产生表面等离子。在某一个入射角度激光可发生共振现象，导致入射的激光能量被吸收，使得棱镜底面上入射角与反射率光学曲线上出现一个共振吸收峰-SPR谱。因为SPR谱峰值入射角对表面折射率变化敏感，而折射率变化与金膜表面结合的物质浓度成正比，因此用检测器215(例如：光电探测器)连续监测表面等离子体共振吸收峰随时间的变化就可以适时地检测生物分子间的反应动力学过程。SPR传感器是由镀单点或多点金膜的玻片即SPR芯片及反应池构成。

检测时，首先将镀金膜上已包被试样的SPR芯片紧密贴合在反应池的流道一侧，金膜被包容在流道之中，构成生化反应通道；然后将芯片贴合在柱面棱镜的底面上。为了降低柱面棱镜底面与玻片表面构成的折反射介面的反射，在贴合之前要涂香柏油，因香柏油的折射率与柱面棱镜及玻片的折射率接近，可以降低这个反射界面的反射光强，使入射光尽可能多地耦合到金膜上。当测量时，扫描光源在一定范围内转动，检测器随着扫描光源转动，接收SPR反应信号。

然而，目前的这种SPR传感器芯片具有以下不足：

测量的时候，需要光源和检测器配合转动，这对加工装配的要求很高，再加上带动光源和检测器转动的电机和丝杠本身的精度所限，整个***的很难达到高精度；另外每检测一次就需要光源和检测器往复运动一次，检测效率低，很难在临床检测中推广应用。

操作过程繁琐，对实验人员的操作技术要求很高。在搭建SPR传感器的过程中，芯片要经过两次贴合：一次是与反应池的贴合，贴合不当，会造成反应池漏液，或者芯片破损；第二次是反应池与芯片一起贴合在柱面棱镜底面上，在这个过程中，要凭经验涂适量的香柏油，油涂得过多过少或受力不均匀都会对扫描光束产生不利影响。

棱镜和玻片均采用玻璃材料，加工费用较高，不利于大规模的工业生产。

发明内容

有鉴于此，为了提高检测精度和检测效率，本发明提出了一种传感器芯片组件及柱面棱镜芯片。

基于上述目的本发明提供的一种表面等离子共振传感器芯片组件，包括：一体化的柱面棱镜芯片、流池和流池盖；

所述柱面棱镜芯片的两侧面为对称同心圆柱面，分别作为检测光的入射面和出射面，该检测光可以为柱面光束；柱面棱镜芯片的上表面为检测光的反射面，通过注塑工艺在该反射面可制作出等间距的漫反射隔离带，然后在该反射面上镀有金膜，以形成多个彼此独立的检测位，所述入射面和出射面的轴心线在柱面棱镜芯片的该反射面上；

所述流池被所述流池盖压在所述一体化柱面棱镜芯片的反射面上部。

优选的，在该传感器芯片组件中所述柱面棱镜芯片的反射面为平面。

优选的，在该传感器芯片组件中所述流池盖在所述检测位的正上方位置开有孔。

优选的，在该传感器芯片组件中所述柱面棱镜芯片是由光学塑料注塑而成。

优选的，在该传感器芯片组件中所述柱面棱镜芯片的下底面为平面。

优选的，在该传感器芯片组件中所述柱面棱镜芯片和流池之间的结合方式采用超声波焊接方式。

优选的，在该传感器芯片组件中所述流池的流路为单通道或多通道。

优选的，所述传感器芯片组件中所述流池为硅胶材料。

基于上述目的，本发明还提供了一种应用于表面等离子共振传感器芯片组件的柱面棱镜芯片，所述柱面棱镜芯片为一体化结构；所述柱面棱镜芯片的两侧面为对称同心圆柱面，分别作为检测光的入射面和出射面，该检测光可以为柱面光束；柱面棱镜芯片的上表面为检测光的反射面，通过注塑工艺在该反射面可制作出等间距的漫反射隔离带，然后在该反射面上镀有金膜，以形成多个彼此独立的检测位，所述入射面和出射面的轴心线在柱面棱镜芯片的该反射面上。

优选的，在该柱面棱镜芯片中所述柱面棱镜芯片的反射面为平面。

优选的，在该柱面棱镜芯片中所述柱面棱镜芯片是由光学塑料注塑而成。

优选的，在该柱面棱镜芯片中所述柱面棱镜芯片的下底面为平面。

从上面所述可以看出，本发明提供的传感器芯片组件及柱面棱镜芯片，将SPR芯片与SPR仪的柱面棱镜组合成一个整体用一体化柱面棱镜芯片代替SPR仪原有的棱镜和玻片，从而取消原有SPR传感器需要与柱面棱镜贴合的操作，使得使用该装置的SPR仪将不再需要棱镜，从根本上简化了临床操作。同时也去除柱面棱镜底面与玻片之间的折反射介面，使柱面棱镜与玻片成为一个整体，从而消除柱面棱镜与玻片之间的介面产生的不必要的反射和杂光干涉，有助于提高检测信号的质量；本发明采用柱面棱镜芯片，柱面棱镜的特点是两个侧面为同心圆柱面，利用柱面光束作为检测光源，可覆盖较大的测量范围，不再需要转动部件，避免了传统的光源扫描方式带来的缺陷。

进一步通过将流池设置为单通道或多通道，这个流池被流池盖压在一体化柱面棱镜芯片上，用超声焊焊接在一起，从而构成了一个完整的柱面棱镜芯片和流池一体化的SPR传感芯片组件，不需要扫描即可并行检测多个样本多种生化反应。

本发明的传感器芯片组件和柱面棱镜芯片可广泛应用于生物学病理检验，生命科学研究、有机化学、食品安全、药物检测等领域。另外全部组件采用光学塑料注塑技术进行加工，适合批量生产，降低成本。

附图说明

图1为现有技术楔形柱面棱镜芯片结构示意图；

图2为现有技术柱面棱镜芯片结构示意图；

图3A为本发明实施例柱面棱镜芯片立体外观视图；

图3B为本发明实施例柱面棱镜芯片横截面光学原理示意图；

图3C为本发明实施例柱面棱镜芯片外形及光学原理示意图；

图4为本发明实施例柱面棱镜芯片流池一体化的SPR传感芯片组件的分解示意图；

图5为本发明实施例柱面棱镜芯片组件立体外观视图；

图6为本发明实施例SPR芯片组件的测量原理示意图；

图7为用本发明实施例的SPR传感芯片组件得到的实测图；

图8为本发明所述的柱面棱镜芯片和流池一体化的SPR传感芯片组件的另一实施方式的分解示意图；

图9为本发明所述的柱面棱镜芯片和流池一体化的SPR传感芯片组件的第三种实施方式的分解示意图；

图10为图9中实施例中硅胶流池的流路示意图；

图11为本发明实施例柱面光束的截面示意图。

具体实施方式

本发明为了克服现有技术的缺陷设计柱面棱镜芯片，将棱镜与玻片制作成为一体结构。所述柱面棱镜芯片的两侧面为对称同心圆柱面，分别作为检测光的入射面和出射面；柱面棱镜芯片的上表面为反射面，入射和出射柱面的轴心线在柱面棱镜芯片的该反射面上。该一体化柱面棱镜芯片是由光学塑料柱面棱镜镀金膜而成。这样，入射面、反射面、出射面就构成了表面等离子体谐振的光路***。柱面棱镜芯片的测量范围大，可覆盖大部分的生物反应，和传统的光束扫描测量方式相比，效率高、精度高。

在此基础上，本发明提供的一种SPR传感器芯片组件，包括：一体化的柱面棱镜芯片、流池和流池盖；其中，所述柱面棱镜芯片的两侧面为对称同心圆柱面，分别作为检测光的入射面和出射面；柱面棱镜芯片的上表面为反射面，入射和出射柱面的轴心线在柱面棱镜芯片的该反射面上；所述流池被所述流池盖压在所述一体化柱面棱镜芯片的反射面上部。

本发明采用柱面棱镜芯片，柱面棱镜的特点是两个侧面为同心圆柱面，利用柱面光束作为检测光源，可覆盖较大的测量范围，不再需要转动部件，避免了传统的光源扫描方式带来的缺陷；柱面棱镜芯片上的反射面通过注塑工艺制作出等间距的漫反射阵列。再在反射面上镀金膜，即形成多个独立的检测位。柱面棱镜芯片的反射面上放置流池，用以通过生物反应液体。这个流池被一个流池盖压在反射镜金膜上，用超声焊将压盖焊接在柱面棱镜芯片上。这样就构成了一个完整的柱面棱镜芯片和流池一体化的SPR传感芯片组件。

进一步该传感器芯片组件的柱面棱镜芯片反射面分布等间距的漫反射阵列，形成多路彼此独立的检测位，对比度高，使得检测位和背景之间彻底的区分开。从而避免出现错误的测量结果。在检测位上包被不同探针，可对每个检测位的生物反应并行独立检测，提高了检测效率。

进一步该传感器芯片组件的流池分成单路或多路，使用单通道流池，可以检测一个样本的多种生物反应，使用多通道流池时，可以并行检测多个样本的多种生物反应，大大提高了检测效率。

进一步该传感器芯片组件的柱面棱镜芯片和流池之间的结合方式采用超声波焊接方式，焊接后组成为一个整体器件。

进一步该传感器芯片组件的材料为光学塑料，采用注塑工艺一次成型，易于实现工业化生产，从而大大降低成本。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图3A、3B、3C是本发明的柱面棱镜芯片一种实施例的外形及其光学原理示意图。其中，图3A为本发明实施例柱面棱镜芯片组件立体外观视图；图3B为本发明实施例柱面棱镜芯片组件横截面光学原理示意图；图3C为本发明实施例柱面棱镜芯片组件外形及光学原理示意图。

检测光源利用柱面光束111，经由入射柱面11进入柱面棱镜芯片，在棱镜反射面即金膜12上反射，经由出射柱面15出射，形成出射柱面光束112。柱面棱镜的入射面11和出射面15为对称同心圆柱面，反射面12为平面镜，入射和出射柱面的轴线在平面镜上，平面镜上镀金膜。这样，入射柱面11、反射镜面即金膜12、出射柱面15就构成了表面等离子体谐振的光路***。柱面光束111可覆盖一个较大的检测范围，不需要转动，即可覆盖不同种类的生物反应，提高了检测效率和精度。本实施例中，柱面光束111的横截面参见图11所示为矩形。

柱面棱镜芯片的反射面镀有金膜12，在镀膜前反射面采用特殊工艺，制作出等间距的漫反射隔离带14，漫反射隔离带将各个检测位121分隔开，建立彼此独立的检测位。本实施例中柱面棱镜芯片共有26个检测位，在每个检测位上包被不同探针，一次注液即可并行检测26种生化反应。

图4和图5是本发明的柱面棱镜芯片和流池一体化的SPR传感芯片组件一种实施例的结构示意图。

图4是该柱面棱镜芯片和流池一体化的SPR传感芯片组件的分解图。该组件包括：一体化的柱面棱镜芯片1、硅胶流池2、流池盖3。在硅胶流池2上有一条或多条通道。流池2覆盖在一体化柱面棱镜芯片的检测位121上，被检测样本从注液孔21流入，从出液孔22流出。检测样本和检测位上的包被探针结合，仪器就可以检测出样本中的生物反应。流池2可设置成单流池，即一条通道，或多流池，即一条以上的通道。使用单流池，可以检测一个样本的多种生物反应，使用多流池时，可以同时检测多个样本的多种生物反应，大大提高了检测效率。

柱面棱镜芯片1和流池2是接触式设置，结合方式是通过流池盖3，流池盖中间处有一凹陷，正好可以容纳流池2、柱面棱镜芯片1，流池2和流池盖3组合在一起后，流池盖3两侧面和一体化柱面棱镜芯片1接触，接触面采用超声波焊接使其融合在一起，图3中所示标号13为超声波焊接线，焊接线13的作用是将两个器件结合在一起，互相之间精确定位，成为一个整体。整体外观参见图5所示。

图6为SPR芯片组件的测量原理图。如图所示，一束柱面光束111经柱面棱镜芯片的入射面进入，在反射面所镀的金膜12上反射，并有一部分光透过反射面金膜12表面，和金膜12上的探针结合发生SPR反应，反应后带有SPR信号的反射光束经过出射柱面并投射在投影屏4上，投影屏上出现亮暗条纹，每个亮条纹代表一个检测位，亮条纹包含一个完整的SPR谐振谱，谐振谱曲线也在图6中示出，谐振谱是测量范围内的SPR共振的分布曲线。通过分析谐振谱的峰值位置41，得到SPR谐振角，谐振角是谐振谱峰值位置对应的角度。参见图7所示，为用本发明的SPR传感芯片组件得到的实测图，图中共有26条亮线，代表26个检测位，亮线的长度代表柱面棱镜的检测范围，检测位相互之间由暗线隔开，暗线为检测位隔离带，使得检测位之间相互独立，不互相影响。图中的SPR反应发生在中间偏下位置，各个检测位包被的为同一种探针，因此形成一个水平的暗带。

图8，图9为本发明的另外两中实施例的结构示意图。

如图8所示，作为本发明所述的柱面棱镜芯片和流池一体化的SPR传感芯片组件的另一种实施方式，该传感器装置包括柱面棱镜芯片5，硅胶流池2和芯片盖3。所述的柱面棱镜芯片是一个含有52个检测位的芯片，检测位的数量可以根据需要任意扩展。

如图9所示，作为本发明所述的柱面棱镜芯片和流池一体化的SPR传感芯片组件的第三种实施方式，该传感器装置包括柱面棱镜芯片1，硅胶流池6和芯片盖3，所述的硅胶流池6含有6个彼此独立的流路。本芯片组件可同时检测6个样本。同样，可根据需要将硅胶流池任意扩展。流池6中流路的平面结构参见图10所示，其中序号61～66分别为流路1～6。从而可并行检测6个通道。

本发明SPR传感芯片组件的整个装置集芯片、柱面棱镜、反应池为单一器件，将高通量SPR检测、多路反应通道，器件快速安装等功能整合在一个器件上，不但极大的简化了临床操作，而且降低了成本，为SPR设备走出实验室，作为常规医疗机构检测手段扫清了障碍，对SPR设备在临床医学的推广起到了决定性的作用。

以上所述的具体实施例仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种表面等离子共振传感器芯片组件，其特征在于，包括：一体化的柱面棱镜芯片、流池和流池盖；

所述柱面棱镜芯片的两侧面为对称同心圆柱面，分别作为检测光的入射面和出射面，该检测光为柱面光束；柱面棱镜芯片的上表面为检测光的反射面，通过注塑工艺在该反射面制作出等间距的漫反射隔离带，然后在该反射面上镀有金膜，以形成多个彼此独立的检测位，所述入射面和出射面的轴心线在柱面棱镜芯片的该反射面上；

2.根据权利要求1所述的传感器芯片组件，其特征在于，所述柱面棱镜芯片的反射面为平面。

3.根据权利要求2所述的传感器芯片组件，其特征在于，所述柱面棱镜芯片是由光学塑料注塑而成。

4.根据权利要求3所述的传感器芯片组件，其特征在于，所述柱面棱镜芯片的下底面为平面。

5.根据权利要求1所述的传感器芯片组件，其特征在于，所述柱面棱镜芯片和流池之间的结合方式采用超声波焊接方式。

6.根据权利要求1所述的传感器芯片组件，其特征在于，所述流池的流路为单通道或多通道。

7.根据权利要求1所述的传感器芯片组件，其特征在于，所述流池为硅胶材料。

8.一种应用于表面等离子共振传感器芯片组件的柱面棱镜芯片，其特征在于，所述柱面棱镜芯片为一体化结构；所述柱面棱镜芯片的两侧面为对称同心圆柱面，分别作为检测光的入射面和出射面，该检测光为柱面光束；柱面棱镜芯片的上表面为检测光的反射面，通过注塑工艺在该反射面制作出等间距的漫反射隔离带，然后在该反射面上镀有金膜，以形成多个彼此独立的检测位，所述入射面和出射面的轴心线在柱面棱镜芯片的该反射面上。

9.根据权利要求8所述的柱面棱镜芯片，其特征在于，所述柱面棱镜芯片的反射面为平面。

10.根据权利要求9所述的柱面棱镜芯片，其特征在于，所述柱面棱镜芯片是由光学塑料注塑而成。

11.根据权利要求10所述的柱面棱镜芯片，其特征在于，所述柱面棱镜芯片的下底面为平面。