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CN107219199A - 基于4f系统的新型角度调制spr成像系统 - Google Patents

基于4f系统的新型角度调制spr成像系统 Download PDF

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CN107219199A
CN107219199A CN201710604351.7A CN201710604351A CN107219199A CN 107219199 A CN107219199 A CN 107219199A CN 201710604351 A CN201710604351 A CN 201710604351A CN 107219199 A CN107219199 A CN 107219199A
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China
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light
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CN201710604351.7A
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Inventor
邵永红
曾佑君
蔡志文
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Shenzhen University
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Shenzhen University
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Abstract

本发明公开了一种基于4F系统的新型角度调制SPR成像系统，当扫描振镜进行角度扫描时，入射至第一4F系统的P偏振光将保持平行的入射和出射，无论入射光的角度如何改变，照射到传感膜上形成的光斑位置始终保持不变，且在反射光路中加入第二4F系统，确保了在不同的角度下，接收器的成像位置不发生移动，稳定性好且成像质量高，从而保证扫描过程中SPR激发与探测区域始终相同且不变，能够增加传感膜上的传感区域，且使得传感面具有良好的传感一致性，能够有效实现快速检测，且满足快速检测过程的高灵敏检测的要求。进一步的，上述系统还具有结构简单、体积小等优点。

Description

基于4F系统的新型角度调制SPR成像系统
技术领域
本发明涉及图像成像技术领域，尤其涉及一种基于4F系统的新型角度调制SPR成像系统。
背景技术
表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)以其高灵敏、高通量、免标记、快速检测等诸多优势已经应用于生物检测、药品分析、分子识别等诸多生物化学领域，近二十年来得到了快速的发展，已经成为一种重要的监测工具。
Kretschmann棱镜结构是目前SPR传感器最常用的耦合结构，基于该结构主要有四种检测模式，分别是强度调制型、角度调制型、波长调制型及相位调制型。其中，强度调制SPR技术需要工作在固定的激发波长和入射角度，对于多种分子同时检测(高通量检测)的应用，各传感位点的相应灵敏度不同，SPR信号响应一致性查，导致误检或漏检，且该技术对传感芯片要求高，导致使用费用高。而角度调制SPR具有更大的动态范围，能够降低对传感芯片的要求，大幅降低使用成本。但是角度调制SPR需要机械扫描入臂和探测臂，对仪器结构设计要求非常高，而且需要笨重的扫描机械装置，由于存在大质量的机械部件移动扫描，导致检测速度慢、角度分辨率低、结构复杂和稳定性差，无法满足快速过程的高灵敏检测的需求。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于4F系统的新型角度调制SPR成像系统，旨在解决现有技术中检测速度慢、灵敏度低和稳定性差的技术问题。
为实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于4F系统的新型角度调制SPR成像系统，包括入射光路、传感模块及反射光路；
所述入射光路包括：光源模块、起偏器、扫描振镜及第一4F系统；
所述传感模块包括棱镜、传感膜及流通池，所述流通池用于将待测试样品流过所述传感膜；
所述反射光路包括第二4F系统及接收器；
所述光源模块发出准直光经过所述起偏器，形成P偏振光，所述P偏振光入射至所述扫描振镜发生反射，反射的P偏振光入射至所述第一4F系统，由所述第一4F系统出射后经所述棱镜耦合，且入射到棱镜表面的传感膜激发SPR现象，所述传感膜将反射P偏振光，反射的P偏振光入射至所述第二4F系统，由所述第二4F系统出射至所述接收器，由所述接收器形成所有传感位点的SPR角谱曲线，并反馈给终端设备，所述终端设备利用所述SPR角谱曲线生成SPR图像。
进一步的，所述第一4F系统包含第一透镜与第二透镜，所述扫描振镜反射的P偏振光从所述第一透镜入射并从所述第二透镜射出。
进一步的，所述第二4F系统包含第三透镜与第四透镜，且所述传感膜反射的P偏振光从所述第三透镜入射并从所述第四透镜射出。
进一步的，所述系统还包括检偏器，所述检偏器位于所述第三透镜与所述第四透镜之间，用于抑制散射过程中产生的S偏振光。
进一步的，所述扫描振镜按照预置的步长转动，以改变入射至所述第一4F系统的P偏振光的入射方向，所述入射方向的范围为[-θ，+θ]。
进一步的，所述接收器为阵列探测器。
进一步的，所述阵列探测器为电子CCD或CMOS探测器或阵列光电探测器。
进一步的，所述光源模块为可调波长光源模块。
进一步的，所述光源模块包括宽带光源及滤波器；所述宽带光源发射波束之后经过所述滤波器滤波，得到所述准直光并入射所述起偏器；
所述宽带光源为相干宽带光源，非相干宽带光源或者部分相干宽带光源，所述滤波器为液晶滤波器、声光滤波器或者由多组滤光片构成的滤波器。
进一步的，所述光源模块由至少两个独立的不同波长的光源构成。
本发明提供一种基于4F系统的新型角度调制SPR成像系统，该系统包括入射光路、传感模块及反射光路，该入射光路包括光源模块，起偏器、扫描振镜及第一4F系统，该传感模块包括棱镜、传感膜及流通池，该传感膜位于流通池与棱镜之间，该流通池用于将待测试样品流过所述传感膜，所述反射光路包括第二4F系统及接收器。在该系统中，光源模块发出准直光经过起偏器，形成P偏振光，P偏振光入射至扫描振镜发生发射，反射的P偏振光入射至第一4F系统，由第一4F系统出射后经过棱镜耦合，且入射到棱镜表面的传感膜激发SPR现象，该传感膜将发射P偏振光，反射的P偏振光入射至第二4F系统，由第二4F系统出射至接收器，由该接收器形成所有传感位点的SPR角谱曲线，并反馈给终端设备，该终端设备利用所有传感位点的SPR角谱曲线生成SPR图像。相对于现有技术，当扫描振镜进行角度扫描时，入射至第一4F系统的P偏振光将保持平行的入射和出射，无论入射光的角度如何改变，照射到传感膜上形成的光斑位置始终保持不变，且在反射光路中加入第二4F系统，确保了在不同的角度下，接收器的成像位置不发生移动，稳定性好且成像质量高，从而保证扫描过程中SPR激发与探测区域始终相同且不变，能够增加传感膜上的传感区域，且使得传感面具有良好的传感一致性，能够有效实现快速检测，且满足快速检测过程的高灵敏检测的要求。进一步的，上述系统还具有结构简单、体积小等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中基于4F系统的新型角度调制SPR成像系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中光源模块的结构示意图；
图3为不同折射率时的SPR角谱曲线的示意图；
图4为本发明实施例中SPR信号处理原理图；
图5为蛋白相互作用过程中的SPR信号曲线；
图6为蛋白相互作用形成的SPR图像的示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由于现有技术中角度调制SPR存在检测速度慢，灵敏度低和稳定性差等技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于4F系统的新型角度调制SPR成像系统，在该系统中设置第一4F系统和第二4F系统，当扫描振镜进行角度扫描时，入射至第一4F系统的P偏振光将保持平行的入射和出射，无论入射光的角度如何改变，照射到传感膜上形成的光斑位置始终保持不变，且在反射光路中加入第二4F系统，确保了在不同的角度下，接收器的成像位置不发生移动，稳定性好且成像质量高，从而保证扫描过程中SPR激发与探测区域始终相同且不变，能够增加传感膜上的传感区域，且使得传感面具有良好的传感一致性，能够有效实现快速检测，且满足快速检测过程的高灵敏检测的要求。进一步的，上述系统还具有结构简单、体积小等优点。
请参阅图1，为本发明第一实施例中基于4F系统的新型角度调制SPR成像系统，该系统包括：
入射光路、传感模块及反射光路；
入射光路包括：光源模块1、起偏器2、扫描振镜3及第一4F系统；其中，第一4F系统包含第一透镜4和第二透镜5；
传感模块包括棱镜6、传感膜7及流通池8，传感膜7位于流通池8与棱镜6之间，流通池8用于将待测试样品流过传感膜7；
反射光路包括第二4F系统及接收器12；其中，第二4F系统包括第三透镜9和第四透镜11。
进一步的，上述的系统还包括检偏器10，检偏器10位于第三透镜与第四透镜之间，用于抑制散射过程中产生的S偏振光，以去除散射产生的S偏振光带来的影响。
其中，光源模块1为可调波长光源模块，能够发出不同波长的准直光至起偏器2，使得对各种待测试的样品都能够选择相应的输出波长，实现最佳激发。
如图2所述，为光源模块1的结构示意图，该光源模块1包括宽带光源1-1及滤波器1-2；该宽带光源1-1发射光波之后经过滤波器1-2滤波，得到准直光并入射起偏器2，该准直光可以为窄带准直光。其中，该宽带光源1-1为相干宽带光源，非相干宽带光源或者部分相干宽带光源，该滤波器1-2为液晶滤波器、声光滤波器或者由多组滤光片构成的滤波器。或者，该光源模块1还可以由至少两个独立的不同波长的光源构成。例如不同波长的LD光源、LED光源等等。
其中，起偏器2用于对光源模块1输出的准直光进行滤波，得到P偏振光。
其中，接收器12可以是阵列探测器，具体可以是电子CCD或者COMS探测器或者阵列光电探测器，用于收集反射光光强。
其中，流通池8与传感膜7构成密封室，且待测样品从流通池8的入口(Sample In)流入，出口(Sample Out)流出，在流通池8下的传感膜7的表面流过，同时待测样品的待测分子与探针分子结合反应，使传感膜表面附近折射率发生变化，入射的P偏振光在棱镜6表面产生倏逝波激发传感膜7中的金属膜内自由电子产生等离子体波并产生共振吸收，即为在传感膜7激发SPR现象。其中，当传感膜7表面附近折射率发生变化时，共振角也将随之发生变化，通过得到SPR角谱曲线即可得到该角度变化，使得能够利用该SPR共振角变化获得待测样品的浓度等信息。
请参阅图3，不同折射率时的SPR角谱曲线的示意图，其中，样品的折射率变化分别为1.333、1.336、1.339，其对应的共振角分别为θ1,θ2,θ3。由图3可知，当样品的折射率发生变化时，共振角也将发生变化，通过监测共振角的变化，就可以监测到样品折射率的变化或者分子相互作用的情况，得到样品的相关信息。
可以理解的是，本发明实施中通过在入射光路和反射光路中分别设置第一4F系统和第二4F系统，能够始终保持平行光入射至传感膜7的传感面，并以平行光反射离开该传感面，同时成正立图像，而且在相同通光口径下，扫描角度能够达到2F系统的2倍，具有角度分辨率高，灵敏度高等优点。
下面将基于上述的基于4F系统的新型角度调制SPR成像系统介绍在该系统中，光路的传输路径及成像过程，如下：
光源模块1发出准直光经过起偏器2，形成P偏振光，P偏振光入射至扫描振镜3发生反射，其中，该扫描振镜3位于第一4F系统的第一透镜4的前焦面，且该扫描振镜3按照预设的步长进行转动，以改变入射至第一4F系统的第一透镜4的P偏振光的入射方向，其中，入射至第一透镜4的P偏振光的入射方向的范围为[-θ，+θ]，且步长为△θ。
不同入射角度的P偏振光入射至第一4F系统中的第一透镜4，且从第二透镜5出射后经棱镜6耦合，且入射到棱镜6表面的传感膜7激发SPR现象。
其中，传感膜7位于第二4F系统中的第三透镜9的前焦面，接收器12位于第二4F系统中的第四透镜11的后焦面，传感膜7将反射P偏振光，反射的P偏振光入射至第二4F系统的第三透镜9，由第三透镜9收集，由于检偏器10位于第三透镜9与第四透镜11之间，检偏器10将抑制S偏振光，消除S偏振光对系统的干扰，提高信噪比，抑制S偏振光后的P偏振光再由第四透镜11耦合到接收器12，由接收器12形成所有传感位点的SPR角谱曲线，并反馈给终端设备，终端设备利用SPR角谱曲线生成SPR图像。
其中，扫描振镜3每改变一次入射至第一4F系统的P偏振光的入射方向，该P偏振光在传感膜7的入射角度就改变一次，接收器12记录一幅传感膜7的反射光强度图像，且由于扫描振镜3规律性的改变入射至第一4F系统的P偏振光的入射方向，P偏振光在传感膜7的入射角度也将规律性的改变，接收器12相应的规律性的记录一系列传感膜7的反射光强度图像，即每个入射角度对应一幅传感膜7的反射光强度图像。理论上传感膜7的反射光强度图像的每个像素点都对应着传感膜上的一个传感位点，而且图像的相同位置的像素的强度值与对应的入射角度构成一条强度随入射角度变化的曲线，即该位置的SPR角谱曲线，由于接收器12是二维探测器，因此，将形成一系列强度随入射角度变化曲线，即所有传感位点的SPR角谱曲线。
通过上述方式，扫描振镜3每完成一次扫描，将并行获得传感膜7的整个传感区域的全部传感位点的SPR角谱曲线，且接收器12将获得的SPR角谱曲线发送给终端设备，终端设备利用软件识别每条SPR角谱曲线的共振角，即曲线的强度的有效最小值，将这些共振角作为图像的灰度值，形成SPR共振角图像，并通过扫描过程中或者扫描结束后的SPR共振角图像与基准SPR共振角图像做比较运算，将其差值构成SPR图像。
为了更好的理解本发明实施例中的技术方案，下面将详细描述终端设备在得到所有传感位点的SPR角谱曲线之后，通过软件处理得到SPR图像的过程，如下：
1)扫描波长确定并设置光源模块1的输出波长。该光源模块1的输出波长的确定可以通过以下方式实现：通过对入射光源进行光谱扫描，可以利用液晶可调滤波器、声光滤波器或滤光片转轮等手段，记录目标点处输出光波长与灰度关系曲线，即SPR光谱曲线，经过拟合、插值等算法处理，得到其对应的共振波长，将该共振波长作为光源模块1的输出波长。
2)基于上述实施例中的系统，利用该系统中的扫描振镜3对入射角度进行扫描，并由接收器12同步记录相应反射光强度图像，获得一组不同角度下传感面的灰度图像。
3)从获得的这组灰度图像提取对应像素点的灰度值构成角度-强度曲线，即SPR角谱曲线。由于接收器12是二维的，理论上，传感位点与接收器像素存在一一对应关系，因此每个像素在该组灰度图像中的灰度值都会构成一条SPR角谱曲线，所以会构成一系列SPR角谱曲线。例如，若该组灰度图像有100幅，且对于像素点i，该像素点i在该100幅灰度图像中都具有灰度值，共有100个灰度值，由于每一幅灰度图像都对应一个角度，则由该100个灰度值及每个灰度值的对应的角度就能够构成一个角度-强度曲线，即SPR角谱曲线。当然，我们也可以对这一系列灰度图像进行区域像素平均，构成平均灰度图像，有利于减小系统噪声。例如，若这组灰度图像中的每幅图像有1024*1024个像素点，且共有100幅灰度图像，则能够形成1024条SPR角谱曲线，每条曲线上有100个灰度值，将该灰度图像通过区域平均压缩像素，即将1024*1024压缩成256*256，则可得到256条SPR角谱曲线，每条100个灰度值。
4)将获得的SPR角谱曲线进行拟合、差值等数学处理，提高角度分辨率，并且提取SPR角谱曲线的强度最小处对应的角度值，即该像素对应的传感位点的SPR共振角，每条曲线都对应有各自的SPR共振角，进一步的，还可利用所有曲线的SPR共振角作为图像的灰度值，形成SPR共振角图像。
5)重复上述的步骤2至4，获得不同时刻所有传感位点的共振角，形成共振角随时间变化的曲线，也可以将每个传感位点的SPR共振角变化转化为灰度值，形成SPR图像。
请参阅图4，为本发明实施例中的SPR信号处理原理图，扫描振镜3每改变一次入射至第一4F系统的P偏振光的入射角度，就对传感膜7的整个传感区域进行一次成像，当入射角度为θN时，对应采集第N幅图像，每个像素点的灰度值代表着该像素记录的反射光的强度值，当角度从θ1到θN匀速变化时，会得到每个像素点的角度-强度曲线，即SPR角谱曲线，并可利用SPR角谱曲线得到SPR共振角，并重构出二维的SPR共振角图像。将任意时刻的SPR共振角图像与基线SPR共振角图像进行比较，即可得到SPR图像。
在本发明实施例中，通过设置第一4F系统和第二4F系统与扫描振镜结合，使得能够快速进行SPR共振角诊断并成像，同时以高灵敏度、高一致性和快速的检测分子相互作用，从而可以大幅度降低对传感膜的要求。
请参阅图5，为蛋白相互作用过程中的SPR角谱曲线，图6是蛋白相互作用形成的SPR图像的示意图，灰度值代表反应前后共振角变化量。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种基于4F系统的新型角度调制SPR成像系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于4F系统的新型角度调制SPR成像系统，其特征在于，包括入射光路、传感模块及反射光路；
所述入射光路包括：光源模块、起偏器、扫描振镜及第一4F系统；
所述传感模块包括棱镜、传感膜及流通池，所述流通池用于将待测试样品流过所述传感膜；
所述反射光路包括第二4F系统及接收器；
所述光源模块发出准直光经过所述起偏器，形成P偏振光，所述P偏振光入射至所述扫描振镜发生反射，反射的P偏振光入射至所述第一4F系统，由所述第一4F系统出射后经所述棱镜耦合，且入射到棱镜表面的传感膜激发SPR现象，所述传感膜将反射P偏振光，反射的P偏振光入射至所述第二4F系统，由所述第二4F系统出射至所述接收器，由所述接收器形成所有传感位点的SPR角谱曲线，并反馈给终端设备，所述终端设备利用所述SPR角谱曲线生成SPR图像。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一4F系统包含第一透镜与第二透镜，所述扫描振镜反射的P偏振光从所述第一透镜入射并从所述第二透镜射出。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二4F系统包含第三透镜与第四透镜，且所述传感膜反射的P偏振光从所述第三透镜入射并从所述第四透镜射出。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括检偏器，所述检偏器位于所述第三透镜与所述第四透镜之间，用于抑制散射过程中产生的S偏振光。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扫描振镜按照预置的步长转动，以改变入射至所述第一4F系统的P偏振光的入射方向，所述入射方向的范围为[-θ，+θ]。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接收器为阵列探测器。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述阵列探测器为电子CCD或CMOS探测器或阵列光电探测器。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源模块为可调波长光源模块。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述光源模块包括宽带光源及滤波器；所述宽带光源发射波束之后经过所述滤波器滤波，得到所述准直光并入射所述起偏器；
所述宽带光源为相干宽带光源，非相干宽带光源或者部分相干宽带光源，所述滤波器为液晶滤波器、声光滤波器或者由多组滤光片构成的滤波器。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述光源模块由至少两个独立的不同波长的光源构成。
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