專利名稱：一種靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)及檢測方法
技術領域：
本發(fā)明屬于測試儀器技術領域，具體涉及一種靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)及檢測方法。
背景技術：
表面等離子體共振作為一種免標記、原位實時的界面分析技術，已經廣泛應用于化學、生物、醫(yī)學、物理、材料等領域。表面等離子體共振技術的基本原理是基于傳感膜與介質樣品間的界面上發(fā)生表面等離子體共振的條件隨界面上樣品折射率的變化而變化。由此可通過對表面等離子體共振條件的檢測，獲得傳感膜表面樣品的折射率及厚度信息；而通過對表面等離子體共振條件變化的檢測，可對傳感膜表面的物理與化學反應進行監(jiān)測與分析，如果將靶分子鍵合在傳感膜表面，分析物中特定的生物分子將與靶分子發(fā)生特異性結合，則可進行分子相互作用分析?；诒砻娴入x子體共振技術已經發(fā)展了表面等離子體共振及表面等離子體共振成像兩類分析系統(tǒng)。高靈敏度幾乎是所有分析系統(tǒng)的追求目標，表面等離子體共振也不例外。目前，在表面等離子體共振及成像的實際應用中，已經發(fā)展了基于樣品修飾及傳感膜修飾的提高靈敏度方法，但這些方法均是針對性很強的的局限性方法，而且提高靈敏度還會帶來動態(tài)范圍的減小。因而若能建立一種靈敏度與動態(tài)范圍可調的，具普適性的表面等離子體共振傳感方法是非常重要且有意義的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有普適性的、靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠針對各種待測樣品，在保證動態(tài)范圍的前提下，進行高靈敏度檢測分析；并且該系統(tǒng)無機械移動部件，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。本發(fā)明所提供的靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)，由折射率可調的表面等離子體共振耦合單元、寬波段多色光源、入射光束整形單元和反射光檢測單元組成；其中，所述折射率可調的表面等離子體共振耦合單元包括一折射率可調的流體棱鏡、位于所述流體棱鏡上的傳感芯片、以及位于所述傳感芯片上的樣品流通池；所述傳感芯片包括一光學透明基底及位于其上的傳感膜，所述光學透明基底與所述流體棱鏡中的流體介質相接觸，所述傳感膜構成所述樣品流通池的一個底面。所述入射光束整形單元將寬波段多色光源發(fā)出的光整形為空間尺寸可調的p偏振平行光或P偏振小角匯聚光束，經流體棱鏡入射于傳感芯片；所述反射光檢測單元用于解析經流體棱鏡的反射光的光譜。本發(fā)明中，所述折射率可調的表面等離子體共振耦合單元中的流體棱鏡由腔體及位于腔內的流體介質組成；其中所述流體棱鏡的腔體上設有兩個小孔和一個大孔，兩個小孔分別用作所述流體介質的輸入與輸出口，一個大孔作為所述傳感芯片的安裝口，以使傳感芯片與流體介質直接接觸。所述流體棱鏡的腔體可以是半圓柱形、半球形、三角形等，或是其它可調節(jié)形狀等。該腔體可由光學透明的玻璃、石英、硅、塑料等材料制成。所述流體棱鏡中的流體介質可以是光學透明的水、油、離子液體、磁流體等各種純凈或混合的液體、氣體，或超臨界流體等；所述流體棱鏡的折射率可以通過置換流體介質或通過壓力、溫度、電場、磁場、電磁波等進行連續(xù)或非連續(xù)調節(jié)。所述傳感芯片包括一光學透明基底及制備于其上的傳感膜，可根據(jù)需要對傳感膜進行功能修飾；所述光學透明基底可以是玻璃、石英、硅、塑料等；所述傳感膜為金、銀等能夠發(fā)生表面等離子體共振的材料。所述傳感芯片中的光學透明基底與所述流體棱鏡中的流體介質直接接觸，所述傳感芯片中的傳感膜與樣品直接接觸。所述入射光束整形單元由光學準直元件、線偏振片、可調光闌、透鏡等組成。所述反射光檢測單元由信號收集元件與光譜解析裝置組成；所述光譜解析裝置可以是單色儀配合光電二極管、光電池、光電倍增管等光電轉換元件或攝譜儀配合光電二極管、電荷耦合器件(CCD)等線陣光電轉換元件；所述信號收集元件與光譜解析裝置可以直接耦合或通過光纖耦合。所述入射光束整形單元將寬波段多色光源發(fā)出的光整形為空間尺寸可調的P偏振平行光或小角匯聚光束，經流體棱鏡、傳感芯片的光學透明基底，聚焦于光學透明基底與傳感膜界面并發(fā)生受抑衰減全內反射，反射光經傳感芯片的光學透明基底、流體棱鏡，由反射光檢測單元進行光譜解析，獲得波長共振表面等離子體共振曲線。所述流體棱鏡的折射率在能夠發(fā)生表面等離子體共振的條件下，折射率越低，檢測靈敏度越高，動態(tài)范圍越窄；而折射率越高，檢測靈敏度越低，動態(tài)范圍越寬。本發(fā)明的另一個目的在于提供一種利用上述靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)檢測待測樣品的方法。該方法包括下述步驟1)根據(jù)待測樣品的折射率選擇能夠實現(xiàn)表面等離子體共振的流體棱鏡的折射率；2)將待測樣品加入到權利要求1-7中任一項所述的表面等離子體共振系統(tǒng)的樣品流通池中；3)利用權利要求1-7中任一項所述的表面等離子體共振系統(tǒng)進行檢測，獲得波長共振表面等離子體共振曲線。根據(jù)待測樣品的折射率(已知值或估計值)，選擇能夠實現(xiàn)表面等離子體共振的最低流體棱鏡折射率，此時可獲得最高靈敏度；根據(jù)待測樣品組的最高折射率(已知值或估計值)，選擇能夠實現(xiàn)表面等離子體共振的最低流體棱鏡折射率，此時可以在保證動態(tài)范圍的前提下，獲得最高靈敏度；對于未知樣品或難以估計的相互作用分析，可以通過預實驗選擇合適的流體棱鏡折射率。本發(fā)明所提供的靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)，是基于一折射率靈活、連續(xù)或非連續(xù)可調的流體棱鏡，其能夠針對各種待測樣品，在保證動態(tài)范圍的前提下，進行高靈敏度檢測分析。本發(fā)明的表面等離子體共振系統(tǒng)中無機械移動部件，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，可用于各種樣品的分析，尤其適用于對靈敏度要求較高的樣品分析。本發(fā)明同樣適用于表面等離子體共振成像的靈敏度與動態(tài)范圍調節(jié)。


圖I為本發(fā)明的靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)的總體結構示意圖。圖2為本發(fā)明的靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)中流體棱鏡的俯視圖。圖3為本發(fā)明的靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)的入射光束整形單元的光路示意圖。圖4為本發(fā)明的靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)的反射光檢測單元的光路示意圖。圖5為采用本發(fā)明的靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)的流體棱鏡折射率為I. 4502的實驗分析圖。圖6為采用本發(fā)明的靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)的流體棱鏡折射率為I. 5174的實驗分析圖。圖7為采用本發(fā)明的靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)的流體棱鏡折射率為I. 5174的實驗分析圖的部分樣品放大圖。
具體實施例方式下面結合附圖和典型實施例，對本發(fā)明進行詳細描述。以下實施例僅用于解釋本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明提供的表面等離子體共振系統(tǒng)的總體結構示意圖如圖I所示。其包括寬波段多色光源及入射光束整形單元I、折射率可調的表面等離子體共振耦合單元2和反射光檢測單元3。其中，所述折射率可調的表面等離子體共振耦合單元2包括一折射率可調的流體棱鏡4、位于流體5上的傳感芯片6、位于傳感芯片6上的樣品流通池7 ;所述寬波段多色光源及入射光束整形單元I輸出寬波段多色P偏振小角匯聚光束8，所述匯聚光束8經流體棱鏡4入射于傳感芯片6 ;所述反射光檢測單元3用于解析經流體棱鏡4的反射光9的光譜。所述流體棱鏡4具有半圓柱形腔體10及容納在腔體中的流體介質5。在半圓柱形流體棱鏡的腔體10上開有兩個小孔11、12和一個大孔13(如圖1、2所示)，兩個小孔11、 12分別用作所述流體介質的輸入口與輸出口，一個大孔13用于傳感芯片6的安裝孔；所述流體棱鏡4的折射率可以通過改變流體介質5調節(jié)。在本實施例中，流體棱鏡4的腔體由 K9玻璃材料制成，流體介質5為香柏油與異丙醇的混合溶液，可通過調節(jié)混合溶液中香柏油與異丙醇的比例連續(xù)調節(jié)流體棱鏡4的折射率。所述傳感芯片6包括一光學透明基底14及制備于其上的傳感膜15。在本實施例中，光學透明基底14為一厚度0. 15mm的K9玻璃片，傳感膜為厚度50nm的金膜。傳感芯片 6通過聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性墊片16在流體棱鏡4的大孔13處與流體棱鏡4通過壓力實現(xiàn)密封。傳感芯片6的光學透明基底14與流體棱鏡4中的流體介質5直接接觸，傳感膜15與樣品17直接接觸。所述樣品流通池7為一 K9玻璃片18通過PDMS墊片19與傳感芯片6通過壓力實現(xiàn)密封；在K9玻璃片18上開有兩個小孔20、21，分別作為樣品流通池的樣品輸入與輸出□。所述寬波段多色光源及入射光束整形單元I如圖3所示，由寬波段多色光源22、光學準直元件23、線偏振片24、可調光闌25、長焦光學透鏡26組成。在本實施例中，寬波段多色光源22為一碘鎢燈，發(fā)出的光經兩個光學透鏡27、28聚焦后由光學透鏡30準直，為提高準直效果，在聚焦焦點處放置一小孔光闌29 ;準直平行光再經線偏振片24、可調光闌25、長焦光學透鏡26，最后獲得P偏振小角匯聚光束8。匯聚光束8經流體棱鏡4入射并聚焦于傳感芯片6的光學透明基底14與傳感膜15的界面。所述反射光檢測單元3由光學透鏡31作為信號收集元件與光譜解析裝置33組成；在本實施例中，反射光9經光學收集透鏡31聚焦耦合于光纖32，由獨立的光譜解析裝置33進行光譜解析。光譜解析裝置33為單色儀分光后由光電倍增管檢測。所述寬波段多色光源及入射光束整形單元I輸出的寬波段多色P偏振小角匯聚光束8，經流體棱鏡4、傳感芯片的光學透明基底14，在光學透明基底14與傳感膜15的界面發(fā)生受抑衰減全內反射，反射光9經傳感芯片的光學透明基底14、流體棱鏡4，由反射光檢測單元3進行光譜解析，獲得波長共振表面等離子體共振曲線。在本實施例中，入射光的入射方向固定，與傳感芯片的法線間夾角約為73度。采用本實施例所建立的一種靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)，以各種濃度的蔗糖水溶液為樣品，進行了實驗分析。首先對蔗糖濃度分別為0% (折射率n0%= I. 3330),1% (折射率n1%= I. 3342) 的2個樣品，選用折射率為I. 4502的香柏油異丙醇溶液(香柏油與異丙醇的質量比為 1.28 I)作為流體棱鏡的流體介質，進行了高靈敏度表面等離子體共振分析(如圖5所示)，對應的表面等離子體共振波長分別為λ 0% = 776. 60nm、λ 1% = 792. 30nm,計算波長靈敏度為(λ 1% - λ Q% ) / (n1% -nQ% ) = 13083. 3nm/RIU ;然后將流體棱鏡的流體介質換為折射率為1.5174的香柏油，對蔗糖濃度分別為0% (折射率nQ%= 1.3330),1% (折射率n1% = 1.3342),5% (折射率 n5%= 1.3401),13% (折射率 n13%= 1.3529),18% (折射率 n18% = 1.3605)的5個樣品進行了表面等離子體共振分析(如圖6、7所示)，對應的表面等離子體共振波長分別為 λ ο%= 593. 44nm、λ 1%= 595. 62nm、λ 5%= 603. 03nm、λ 13%= 623. 48nm、 λ 18%= 637. 58nm,由0%和1%的2個樣品計算波長靈敏度為1816. 7nm/RIU。由分析結果可以看出，流體棱鏡的折射率為I. 4502時的靈敏度是流體棱鏡的折射率為I. 5174時的7 倍，而動態(tài)范圍變窄。由此，僅通過調節(jié)流體棱鏡的流體介質的折射率，即可以針對待測樣品進行靈敏度與動態(tài)范圍的優(yōu)化。因為流體介質的折射率通過混合溶液的濃度比例可進行連續(xù)調節(jié)，所以能夠在保證動態(tài)范圍得到滿足的條件下，進行高靈敏度檢測分析。所述實施例采用了半圓柱形流體棱鏡，也可以采用三角形等其它形狀。所述實施例采用了單色儀由光纖耦合進行解譜分析，也可以采用攝譜儀經CCD等解譜分析裝置，也可以不經光纖耦合直接分析。所述的實施例建立了一種靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)，本發(fā)明同樣適用于表面等離子體共振成像的靈敏度與動態(tài)范圍調節(jié)。
權利要求
1.一種靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)，由折射率可調的表面等離子體共振耦合單元、寬波段多色光源、入射光束整形單元和反射光檢測單元組成；其中，所述折射率可調的表面等離子體共振耦合單元包括一折射率可調的流體棱鏡、位于所述流體棱鏡上的傳感芯片、以及位于所述傳感芯片上的樣品流通池；所述傳感芯片包括一光學透明基底及位于其上的傳感膜，所述光學透明基底與所述流體棱鏡中的流體介質相接觸，所述傳感膜構成所述樣品流通池的一個底面。
2.根據(jù)權利要求I所述的表面等離子體共振系統(tǒng)，其特征在于所述流體棱鏡由腔體及位于腔內的流體介質組成；其中所述流體棱鏡的腔體上設有兩個小孔和一個大孔，兩個小孔分別作為所述流體介質的輸入口與輸出口，一個大孔作為所述傳感芯片的安裝口。
3.根據(jù)權利要求2所述的表面等離子體共振系統(tǒng)，其特征在于所述流體棱鏡的腔體由光學透明材料制成；所述流體棱鏡的流體介質為光學透明的液體、氣體或超臨界流體。
4.根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的表面等離子體共振系統(tǒng)，其特征在于所述傳感芯片中的傳感膜為由能夠發(fā)生表面等離子體共振的材料制成。
5.根據(jù)權利要求1-4中任一項所述的表面等離子體共振系統(tǒng)，其特征在于所述入射光束整形單元將寬波段多色光源發(fā)出的光整形為空間尺寸可調的P偏振平行光或P偏振小角匯聚光束，經所述流體棱鏡入射于傳感芯片。
6.根據(jù)權利要求1-5中任一項所述的表面等離子體共振系統(tǒng)，其特征在于所述入射光束整形單元包括光學準直元件、線偏振片、可調光闌和透鏡。
7.根據(jù)權利要求1-6中任一項所述的表面等離子體共振系統(tǒng)，其特征在于所述反射光檢測單元由信號收集元件與光譜解析裝置組成；所述光譜解析裝置為配以光電轉換元件的單色儀或配以線陣光電轉換元件的攝譜儀；所述信號收集元件與光譜解析裝置直接耦合或通過光纖耦合。
8.一種利用權利要求1-7中任一項所述的表面等離子體共振系統(tǒng)進行檢測的方法，包括下述步驟1)根據(jù)待測樣品的折射率選擇能夠實現(xiàn)表面等離子體共振的流體棱鏡的折射率；2)將待測樣品加入到權利要求1-7中任一項所述的表面等離子體共振系統(tǒng)的樣品流通池中；3)利用權利要求1-7中任一項所述的表面等離子體共振系統(tǒng)進行檢測，獲得波長共振表面等離子體共振曲線。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種靈敏度與動態(tài)范圍可調的表面等離子體共振系統(tǒng)及方法。該表面等離子體共振系統(tǒng)由折射率可調的表面等離子體共振耦合單元、寬波段多色光源、入射光束整形單元和反射光檢測單元組成；其中折射率可調的表面等離子體共振耦合單元包括一折射率可調的流體棱鏡、位于流體棱鏡上的傳感芯片、及位于傳感芯片上的樣品流通池；所述傳感芯片包括光學透明基底及位于其上的傳感膜，光學透明基底與所述流體棱鏡中的流體介質相接觸，傳感膜構成所述樣品流通池的一個底面。該系統(tǒng)能夠針對各種待測樣品，在保證動態(tài)范圍的前提下，進行高靈敏度檢測分析；并且該系統(tǒng)無機械移動部件，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。
文檔編號G01N21/55GK102590147SQ20121002219
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月1日 優(yōu)先權日2012年2月1日
發(fā)明者許吉英, 陳義 申請人:中國科學院化學研究所