一種柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置的製作方法

2023-05-26 09:02:52 2

本發明屬於光學技術領域，具體涉及一種柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置。

背景技術：

表面等離子共振技術，英文簡寫SPR，是從20世紀90年代發展起來的一種新技術，德國科學家Otto和Kretchmann分別獨立發明了用可見光激發表面等離子體的方法，瑞典科學家Liedberg將這一技術用於生物大分子相互作用的檢測，表面等離子體共振傳感技術迅速發展，發展成為十分有用的檢測技術，廣泛應用於環境檢測、食品安全、生命醫藥、醫學診斷、生物醫學、安防、刑偵、質檢等各個領域。諸多領域對檢測性能要求越來越高，具有高檢測性能的表面等離子體共振傳感裝置成為痕量物質測量與分析技術發展熱點之一。

中國發明專利(申請號為CN200510108184.4)公開了一種角度掃描表面等離子體共振測量系統，該測量系統包括提供光束的光源、在偏轉角範圍內偏轉光束來提供已偏轉光束的光束偏轉器以及將已偏轉光束映射到入射光束的成像望遠鏡。另外，在現有市場上，還存在已經商品化的表面等離子體共振分析儀，包括BioCore系列產品和SPR-Navi系列產品。儘管上述的角度掃描表面等離子體共振測量系統和表面等離子體共振分析儀具有一定優點，但是，上述的測量系統和表面等離子體共振分析儀在技術上還存在許多不足，具體如下：(1)測量原理採用角度掃描原理進行測量，存在機械運動部件和用於調控角度掃描的部件，影響測量系統可靠性，並且無法實現很好的測量一致性。(2)測量基於光束與金屬層相互作用的表面等離子體共振效應，未考慮到光束矢量特性，原理上限制檢測分析靈敏度。(3)測量中光場與物質作用區域的作用機理行為類似，無法實現區域面測量。(4)檢測區域內無法實現信息差異化處理，影響檢測靈敏度和一致性。(5)測量系統結構以及測量分析與控制複雜，降低系統穩定性，影響系統測量性能和應用拓展。

技術實現要素：

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在於提供一種無機械運動部件、系統結構簡單、靈敏度高、一致性高、可實現區域測量、系統穩定性高以及功能易於拓展的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置。

本發明採用的技術方案如下：

本發明提供了一種柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置，用於檢測被測樣品的物質信息，其特徵在於，包括：柱矢量光束激發單元，包含依次光路連接的用於發射光束的光源、用於對光束進行整形的光束整形器、用於將整形後的光束轉換為柱矢量光束的偏振轉換部件以及用於將柱矢量光束調製成激發狀態的柱矢量光束的空間光調製器；表面等離子體共振傳感單元，用於接收激發狀態的柱矢量光束，包含橫截面為直角三角形的柱形稜鏡以及設置在直角三角形斜邊底面上的雙層結構，激發狀態的柱矢量光束從直角三角形的第一直角邊平面垂直入射，在直角三角形的斜邊的平面全反射後，從直角三角形的第二直角邊平面垂直出射，得到具有被測樣品的信息光場的光束；光處理單元，用於接收被測樣品的信息光場的光束並進行處理，包含光路連接的偏振濾光器、色散光學元件以及面陣光電傳感器；以及數據分析單元，與面陣光電傳感器連接，用於對處理後的被測樣品的信息光場的光束進行分析，得到被測樣品的物質信息，其中，雙層結構包含設置在三角形的斜邊的平面上的微納結構層和設置在微納結構層的外表面的金屬層。

在本發明提供的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特徵：其中，物質信息為折射率、濃度以及分子間作用力。

在本發明提供的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特徵：其中，光源為寬波段非相干光源或寬波段雷射光源。

在本發明提供的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特徵：其中，光束整形器為準直擴束鏡組、準直鏡以及微納光束整形器中的任意一種。

在本發明提供的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特徵：其中，空間光調製器為振幅型空間光調製器、相位型空間光調製器、偏振性空間光調製器以及複合型空間光調製器中的任意一種。

在本發明提供的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特徵：其中，微納結構層為球面微納結構陣列、自由曲面微納結構陣列、多面錐體微納結構陣列以及微納米柱陣列中的任意一種。

在本發明提供的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特徵：其中，色散光學元件為透過光柵、反射光柵、中階梯光柵以及分布式光譜濾光陣列中的任意一種。

在本發明提供的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特徵：其中，面陣光電傳感器為面陣電荷耦合器、面陣COMS器以及光學微通道傳感器中的任意一種。

在本發明提供的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特徵：其中，金屬層為金薄膜。

發明的作用與效果

根據本發明所涉及的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置，因為柱矢量光束激發單元能夠將光束轉換為激發狀態的柱矢量光束，放有被測樣品的表面等離子體共振傳感單元對激發狀態的柱矢量光束進行全反射後得到具有被測樣品的信息光場的光束，光處理單元對被測樣品的信息光場的光束進行處理，最後數據分析單元對處理後的被測樣品的信息光場的光束進行分析，得到被測樣品的物質信息。所以，本發明的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置具有結構簡單、穩定性高、靈敏度高、一致性高、無機械運動部件以及功能易於拓展等優點。

附圖說明

圖1是本發明的實施例一中柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，以下實施例結合附圖對本發明的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置作具體闡述。

圖1是本發明的實施例一中柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置的結構示意圖。

如圖1所示，在本實施例中，柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置100用來檢測大分子蛋白物質的折射率、濃度以及分子間作用力等參數，它包括柱矢量光束激發單元10、表面等離子體共振傳感單元20、光處理單元30以及數據分析單元40。

柱矢量光束激發單元10用來將光束轉換為激發狀態的柱矢量光束，它包括依次光路連接的光源11、光束整形器12、偏振轉換部件13以及空間光調製器14。

光源11用來發射光束，在本實施例中，光源11為寬波段非相干光源，採用寬波段鎢燈光源11。此外，光源11還可以為寬波段雷射光源。

光束整形器12用來對寬波段鎢燈光源11發射出來的光束進行整形，在本實施例中，光束整形器12為準直括束鏡組12。此外，光束整形器12還可以採用準直鏡或微納光束整形器。

偏振轉換部件13用來將整形後的光束轉換為柱矢量光束，在本實施例中，偏振轉換部件13為反射式矢量光束轉換元件13。此外，偏振轉換部件13還可以採用折射式光束轉換元件或微納結構矢量光束轉換元件。

空間光調製器14用來將柱矢量光束調製成激發狀態的柱矢量光束，在本實施例中，空間光調製器14為相位型空間光調製器14。此外，空間光調製器14還可採用振幅型空間光調製器或複合型空間光調製器。

表面等離子體共振傳感單元20用來接收激發狀態的柱矢量光束，它包含柱形稜鏡21和雙層結構22。

柱形稜鏡21的橫截面為直角三角形，激發狀態的柱矢量光束從直角三角形的一條直角邊所在的平面垂直入射，在該直角三角形的斜邊所在的平面的底部進行全反射後，從該直角三角形的另外一條直角邊所在的平面出射。雙層結構22設置在橫截面為直角三角形的柱形稜鏡21的斜邊所在的平面上，它包含覆蓋在斜邊所在的平面上的微納結構層221和覆蓋在微納結構層221上的金屬層222，微納結構層221和金屬層222構成傳感區域，被檢測的大分子蛋白物質放置在金屬層222上，激發狀態的柱矢量光束在與大分子蛋白位置具有共振波長時，在傳感區域上發生等離子體共振，形成共振吸收峰，共振吸收峰的幅值和共振波長與傳感區域附近的物質特性有關。在本實施例中，微納結構層221為球面微納結構陣列，金屬層222為厚度為50nm的金薄膜222。此外，微納結構層221還可以為自由曲面微納結構陣列、多面錐體微納結構陣列以及微納米柱陣列中任意一種。

光處理單元30用來接收大分子蛋白物質的信息光場的光束，它包含光路連接的偏振濾光器31、色散光學元件32以及面陣光電傳感器33。

偏振濾光器31用來接收從直角三角形的另外一條直角邊所在的平面出射的信息光場的光束並進行濾光，在本實施例中，偏振濾光器31為高分子材料偏振濾光器31。此外，偏振濾光器31還可以採用液晶偏振濾光器、二項色性材料偏振濾光器、稜鏡偏振濾光器以及柵形結構偏振濾光器中的任意一種。

色散光學元件32用來對濾光後的帶有信息光場的光束進行處理，並發生色散，在本實施例中，色散光學元件32為透過光柵32。此外，色散光學元件32還可以為反射光柵、中階梯光柵以及分布式光譜濾光陣列中的任意一種。

面陣光電傳感器33與透過光柵32連接，它用來接收透過光柵32處理後的光場得到光場信息，在本實施例中，面陣光電傳感器33為面陣COMS器33。此外，面陣光電傳感器33還可以為面陣電荷耦合器或光學微通道傳感器。

數據分析單元40與面陣COMS器33通過數據線連接，它用來對面陣COMS器33得到的光場信息進行分析，得到大分子蛋白物質的折射率、濃度以及分子間作用力等物質信息。在本實施例中，數據分析單元40為計算機40。

本實施例所涉及的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置100的工作過程如下：

首先，將被檢測的大分子蛋白物質放置在金薄膜上；然後，寬波段鎢燈光源11發射出光束，準直括束鏡組12對光束進行整形，反射式矢量光束轉換部件13將整形後的光束轉換成柱矢量光束，相位型空間光調製器14將柱矢量光束調製成激發狀態的柱矢量光束；進一步，激發狀態的柱矢量光束在柱形稜鏡21的一條直角邊所在的平面垂直入射，經過在斜邊全反射，激發狀態的柱矢量光束與大分子蛋白物質在具有微納結構層221和金薄膜222的傳感區域發生相互作用，得到具有信息光場的光束，具有信息光場的光束從柱形稜鏡21的另一條直角邊所在的平面垂直出射，具有信息光場的光束經過高分子材料偏振濾光器31濾光，再經過透過光柵32進行色散，面陣COMS器33進行接收色散後的光場得到光場信息，最後，經過計算機40分析後得到大分子蛋白物質的折射率、濃度以及分子間作用力等物質信息。

實施例的作用與效果

根據本實施例所涉及的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置，因為柱矢量光束激發單元能夠將光束轉換為激發狀態的柱矢量光束，放有大分子蛋白物質的表面等離子體共振傳感單元對激發狀態的柱矢量光束進行全反射後得到具有大分子蛋白物質的信息光場的光束，光處理單元對大分子蛋白物質的信息光場的光束進行處理，最後計算機對處理後的大分子蛋白物質的信息光場的光束進行分析，得到大分子蛋白物質的物質信息。所以，本實施例的柱矢量光束激發表面等離子體共振傳感裝置具有結構簡單、穩定性高、靈敏度高、一致性高、無機械運動部件以及功能易於拓展等優點。

此外，本實施例振幅型空間光調製器能夠將柱矢量光束調製成激發狀態的柱矢量光束，激發狀態的柱矢量光束在傳感區域與被測物質相互作用，由於不同區域偏振態具有差異性，並且結合球面微納結構陣列微觀上的矢量光場偏振特性，在不同區域實現了矢量光場區域偏振激發表面等離子體共振，在不同測量點實現檢測，並且不受大分子蛋白物質和區域位置的限制，因此實現了區域面測量。

上述實施方式為本發明的優選案例，並不用來限制本發明的保護範圍。