專利名稱：非掃描式智能數(shù)字化集成spr檢測(cè)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電檢測(cè)技術(shù)、微控制器(MCU)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)、生物傳感技術(shù)，尤其是指一種基于表面等離子(SPR)檢測(cè)技術(shù)的非掃描式智能數(shù)字化集成SPR檢測(cè)器。
背景技術(shù)：
通常表面等離子共振(SPR)的檢測(cè)調(diào)制方法有角度調(diào)制、波長(zhǎng)調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制和相位調(diào)制等四種。
強(qiáng)度調(diào)制型的SPR傳感器比較簡(jiǎn)單，但是其抗干擾性能較差，測(cè)量精度低，實(shí)用性不高。相位調(diào)制型的SPR傳感器靈敏度最高，但是需要一系列的高頻電路，且結(jié)果分析非常困難。對(duì)于波長(zhǎng)調(diào)制型的SPR傳感器，由于波長(zhǎng)調(diào)制難以實(shí)現(xiàn)，也很少使用。而角度調(diào)制型的SPR傳感器，由于其原理簡(jiǎn)單、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，在SPR監(jiān)測(cè)分析儀器中得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用中，一般采用的方式是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角經(jīng)細(xì)分后通過(guò)一個(gè)機(jī)械裝置帶動(dòng)光源旋轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)光源入射光角度的掃描。這種裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大，具有可動(dòng)部件，難以實(shí)現(xiàn)儀器的小型化和便攜化，不方便用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明在保證測(cè)量精度和準(zhǔn)確度的前提下，提供了一種非掃描式智能數(shù)字化集成SPR檢測(cè)器。
一種非掃描式智能數(shù)字化集成SPR檢測(cè)器，由光學(xué)系統(tǒng)、傳感芯片和信號(hào)檢測(cè)電路組成，所述的光學(xué)系統(tǒng)包括LED光源、偏振片、棱鏡和反射鏡；所述的傳感芯片是鍍有金屬膜的材料與棱鏡一致的玻璃片，使用者可以根據(jù)不同的檢測(cè)對(duì)象，在金屬膜上生長(zhǎng)與待檢測(cè)分子(受體)相對(duì)應(yīng)的配體，構(gòu)成傳感芯片的敏感膜。傳感芯片耦合在棱鏡上；使用者只要配制不同的敏感膜，就可以運(yùn)用該檢測(cè)器測(cè)量樣品溶液中不同污染物的濃度，配體-受體的親和性常數(shù)、動(dòng)力學(xué)常數(shù)等。
所述的信號(hào)檢測(cè)電路包括LED驅(qū)動(dòng)電路、CCD陣列及其驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)與采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、MCU控制電路和數(shù)字通信電路；LED光束經(jīng)偏振片入射到傳感芯片的玻璃片與金屬膜的交界面上，當(dāng)含有待測(cè)物的溶液流經(jīng)傳感芯片表面時(shí)，入射光在發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)有一部分光以倏逝波的形式穿透金屬膜進(jìn)入溶液，當(dāng)入射光線的入射角滿足發(fā)生表面等離子體子共振的條件時(shí)，光能被吸收，使反射光的能量下降，攜帶樣品溶液信息的反射光束經(jīng)反射鏡再次反射，全部回射到信號(hào)檢測(cè)與采集電路上，被CCD陣列接收，CCD陣列輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)MCU控制電路處理后，輸出至PC機(jī)。
所述的金屬膜選用厚度為40-60nm的金膜、銀膜或金銀混合膜。
所述的傳感芯片通過(guò)一種折射率與棱鏡材料匹配的聚合物耦合于棱鏡上。
所述的聚合物選用美國(guó)Transene公司的環(huán)氧粘合劑epoxy20，透光率高達(dá)90％以上。
所述的信號(hào)檢測(cè)電路集成于一塊印刷電路板上。
所述的棱鏡注塑于印刷電路板上。
在檢測(cè)器內(nèi)部，LED光源發(fā)出的發(fā)散光束經(jīng)偏振片形成P偏振光，相當(dāng)于以一個(gè)角度范圍入射到棱鏡和傳感芯片的交界面上，在金屬膜處產(chǎn)生SPR效應(yīng)，即大于臨界角的那部分入射光束發(fā)生全內(nèi)反射，而對(duì)于其中的一個(gè)特定角度，恰好能滿足表面等離子共振條件時(shí)，P偏振光的部分能量耦合進(jìn)入表面等離子波，反射光能量下降，反射率出現(xiàn)最小值，此角度稱為共振角。共振角隨著傳感芯片表面樣品溶液的折射率或溶液中被測(cè)成分濃度的變化而變化，因此可以通過(guò)測(cè)量和分析入射光束的反射率光譜，測(cè)得溶液的折射率和某特定成分的濃度。隨后，攜帶樣品溶液相關(guān)信息的反射光束經(jīng)過(guò)高反射率反射鏡的再次反射，全部回射到信號(hào)檢測(cè)與采集電路上，被CCD陣列接收，CCD陣列中不同的象元接收來(lái)自不同入射角的反射光線，得到的SPR曲線(SPR光譜)是反射光強(qiáng)相對(duì)于入射角的函數(shù)(反射率vs角度)，其中反射光強(qiáng)最低點(diǎn)即為SPR共振角；CCD陣列輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)MCU控制電路處理后，通過(guò)RS232或USB通信接口傳送至PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)顯示和進(jìn)一步的分析處理。
本發(fā)明SPR檢測(cè)器采用非掃描式的角度調(diào)制方式和結(jié)構(gòu)，既保留了SPR傳感技術(shù)的特點(diǎn)，同時(shí)由于采用了LED光源的寬角度入射，將角度分布轉(zhuǎn)化為空間分布，無(wú)需進(jìn)行角度掃描，一者提高了測(cè)量速度，易于保證測(cè)量精度，增加了測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，再者去除了精密的入射角度掃描裝置，簡(jiǎn)化了角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，避免了可動(dòng)傳動(dòng)部件帶來(lái)的測(cè)試誤差，增強(qiáng)了可操作性，避免了傳統(tǒng)方法中結(jié)構(gòu)龐大、系統(tǒng)復(fù)雜等問(wèn)題。
且本發(fā)明中SPR信號(hào)檢測(cè)電路集成于一塊印刷電路板上，棱鏡注塑于該印刷電路板上，SPR光譜數(shù)據(jù)直接數(shù)字量輸出，實(shí)現(xiàn)了傳感器的集成化、小型化和數(shù)字化，為設(shè)計(jì)開發(fā)便攜式SPR監(jiān)測(cè)儀器和現(xiàn)場(chǎng)SPR監(jiān)測(cè)儀器打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。


圖1為本發(fā)明SPR檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明SPR檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)原理圖；圖3為本發(fā)明SPR檢測(cè)器中光束路線原理圖；圖4為本發(fā)明SPR信號(hào)檢測(cè)電路的功能結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1、2所示，一種非掃描式智能數(shù)字化集成SPR檢測(cè)器，由光學(xué)系統(tǒng)、傳感芯片和信號(hào)檢測(cè)電路組成。
光學(xué)系統(tǒng)包括LED光源1、偏振片2、棱鏡3和反射鏡6。
傳感芯片4是一片鍍有金屬膜5的材料與棱鏡一致的玻璃片，根據(jù)不同的待檢測(cè)分子(受體)，在金屬膜5上生長(zhǎng)相應(yīng)的配體。傳感芯片4通過(guò)一種折射率與棱鏡3材料匹配的聚合物如透光率高達(dá)90％以上的由美國(guó)Transene公司生產(chǎn)的環(huán)氧粘合劑epoxy20，耦合于棱鏡3上。
金屬膜5選用厚度為40-60nm的金膜，也可以選用50nm左右的銀膜，但是銀膜容易氧化，或者采用金銀混合膜。
信號(hào)檢測(cè)電路包括LED驅(qū)動(dòng)電路、CCD陣列7及其驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)與采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、MCU控制電路和數(shù)字通信電路。信號(hào)檢測(cè)電路集成于一塊印刷電路板8上，棱鏡3注塑于該印刷電路板8上。
圖3所示為非掃描式角度調(diào)制型SPR檢測(cè)的原理圖，為便于說(shuō)明，圖中的棱鏡采用等腰直角棱鏡，如圖所示，從發(fā)光二極管LED1發(fā)出的單色光經(jīng)偏振片2以寬角度入射到傳感芯片的玻璃片4與金膜5交界面，不同角度的光線投射到不同位置，其中大于臨界角的那部分光束發(fā)生全內(nèi)反射，而有一部分光以倏逝波的形式穿透金膜5進(jìn)入溶液，當(dāng)入射光線的入射角大小滿足發(fā)生表面等離子體子共振(SPR)的條件時(shí)，這一入射光的倏逝波便被溶液中的待測(cè)物所吸收，從而使反射光的能量下降。攜帶著樣品溶液相關(guān)信息的反射光束從傳感芯片透射出來(lái)，被CCD陣列7接收。CCD陣列7中不同位置的像素接收到的光強(qiáng)信號(hào)對(duì)應(yīng)著傳感芯片4不同位置的反射光強(qiáng)，因此通過(guò)CCD陣列7記錄的光強(qiáng)信號(hào)可以確定傳感芯片4表面的SPR光譜信息，確定SPR的共振角及其變化情況，進(jìn)而對(duì)樣品溶液中相關(guān)組份的濃度及其隨時(shí)間的變化進(jìn)行檢測(cè)。
在檢測(cè)器內(nèi)部，LED光源1發(fā)出的發(fā)散光束經(jīng)偏振片形成P偏振光，相當(dāng)于以一個(gè)角度范圍入射到傳感芯片的玻璃片4與金膜5的交界面上，在金屬膜5處產(chǎn)生SPR效應(yīng)，即大于臨界角的那部分入射光束發(fā)生全內(nèi)反射，而對(duì)于某一特定角度，恰好能滿足表面等離子共振條件時(shí)，P偏振光的部分能量耦合進(jìn)入表面等離子波，反射光能量下降，反射率出現(xiàn)最小值，此角度稱為共振角，共振角隨著傳感芯片表面樣品溶液的折射率或溶液中被測(cè)成分濃度的變化而變化。因此，當(dāng)待測(cè)樣品流經(jīng)傳感芯片表面時(shí)，攜帶樣品溶液相關(guān)信息的反射光束經(jīng)過(guò)高反射率反射鏡6的再次反射，全部回射到檢測(cè)電路板8上，被CCD陣列7接收，CCD陣列中不同的象元接收來(lái)自不同入射角的反射光線，CCD各象元輸出的模擬電信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)MCU控制電路采集和簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，即可得到反射光強(qiáng)相對(duì)于入射角的SPR光譜曲線，將SPR光譜數(shù)據(jù)運(yùn)用RS232或USB通訊接口傳送到PC機(jī)，通過(guò)分析可以測(cè)得溶液的折射率和某特定成分的濃度，其流程如圖4所示。
權(quán)利要求
1.一種非掃描式智能數(shù)字化集成SPR檢測(cè)器，由光學(xué)系統(tǒng)、傳感芯片和信號(hào)檢測(cè)電路組成，其特征在于所述的光學(xué)系統(tǒng)包括LED光源、偏振片、棱鏡和反射鏡；所述的傳感芯片是鍍有金屬膜的玻璃片，金屬膜上生長(zhǎng)與待檢測(cè)分子相對(duì)應(yīng)的配體，傳感芯片耦合在棱鏡上；所述的信號(hào)檢測(cè)電路包括LED驅(qū)動(dòng)電路、CCD陣列及其驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)與采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、MCU控制電路和數(shù)字通信電路；LED光束經(jīng)偏振片入射到傳感芯片的玻璃片與金屬膜的交界面上，當(dāng)含有待測(cè)物的溶液流經(jīng)傳感芯片表面時(shí)，入射光在發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)有一部分光以倏逝波的形式穿透金屬膜進(jìn)入溶液，當(dāng)入射光線的入射角滿足發(fā)生表面等離子體共振的條件時(shí)，光能被吸收，使反射光的能量下降，攜帶樣品溶液信息的反射光束經(jīng)反射鏡再次反射，全部回射到信號(hào)檢測(cè)與采集電路板上，被CCD陣列接收，CCD陣列輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并經(jīng)MCU控制電路處理后，輸出至PC機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的非掃描式智能數(shù)字化集成SPR檢測(cè)器，其特征在于所述的金屬膜選用厚度為40-60nm的金膜、銀膜或金銀混合膜。
3.如權(quán)利要求1所述的非掃描式智能數(shù)字化集成SPR檢測(cè)器，其特征在于所述的傳感芯片通過(guò)一種折射率與棱鏡材料匹配的聚合物耦合于棱鏡上。
4.如權(quán)利要求5所述的非掃描式智能數(shù)字化集成SPR檢測(cè)器，其特征在于所述的聚合物選用環(huán)氧粘合劑epoxy20。
5.如權(quán)利要求1所述的非掃描式智能數(shù)字化集成SPR檢測(cè)器，其特征在于所述的信號(hào)檢測(cè)電路集成于一塊印刷電路板上。
6.如權(quán)利要求1所述的非掃描式智能數(shù)字化集成SPR檢測(cè)器，其特征在于所述的棱鏡注塑于印刷電路板上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非掃描式智能數(shù)字化集成SPR檢測(cè)器，由光學(xué)系統(tǒng)、傳感芯片和信號(hào)檢測(cè)電路組成，光學(xué)系統(tǒng)包括LED光源、偏振片、棱鏡和反射鏡；所述的傳感芯片是鍍有金屬膜的玻璃片，金屬膜上生長(zhǎng)與待檢測(cè)分子相對(duì)應(yīng)的配體，傳感芯片耦合在棱鏡上；所述的信號(hào)檢測(cè)電路包括LED驅(qū)動(dòng)電路、CCD陣列及其驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)與采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、MCU控制電路和數(shù)字通信電路；本發(fā)明既保留了SPR傳感技術(shù)的特點(diǎn)，同時(shí)由于采用了LED光源的寬角度入射，不需精密的入射角度掃描裝置，簡(jiǎn)化了角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，避免了可動(dòng)傳動(dòng)部件帶來(lái)的測(cè)試誤差，增強(qiáng)了可操作性。本發(fā)明集成SPR檢測(cè)器直接數(shù)字量輸出，智能化程度高，體積小、便于攜帶，使用方便。
文檔編號(hào)G01N21/41GK101059436SQ20071006805
公開日2007年10月24日 申請(qǐng)日期2007年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月16日
發(fā)明者王曉萍, 張雪姣, 趙光燦 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)