CN111175255A - 一种利用数字微镜阵列的表面等离子体共振传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用数字微镜阵列的表面等离子体共振传感器，包括转台、第一反射棱镜、第二反射棱镜、金属片、聚焦透镜、光电转换器和数字微镜阵列。该发明利用双棱镜结构使得出射光线和入射光线始终平行，这样只需以成像面中心为轴转动棱镜即可改变入射光同金属片之间的角度，由于棱镜固定于转台上，转动可以通过步进电机一贯顺/逆时针运转实现，消除了步进电机往复运动回程差造成的角度漂移问题，另外，利用数字微镜阵列通过逐次记录子区块光强再组合成像的好处在于：记录光强的光电转换器的光敏区面积较大，其灵敏度高于CCD或CMOS上单像素的灵敏度，而实际在这一类传感器中人们真正希望的是逐点记录光强信息而非真正意义上的“成像”。

Description

一种利用数字微镜阵列的表面等离子体共振传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种利用数字微镜阵列的表面等离子体共振传感器。

背景技术

传统的表面等离子体共振传感器的检测原理是通过入射光照射棱镜并经过棱镜上附着样品的金片内全反射，然后再次经棱镜折射形成出射光，最终由CCD接收端或者CMOS端接收出射光实现数据呈现。由于表面等离子体传感器传感特性，需要根据待探测物质折射率的不同来改变入射光的角度，传统检测方案大多是通过机械结构直接改变入射光的射入角度，并同时通过机械结构寻找合适的接收端位置来采集出射光，其弊端在于机械结构复杂，需要同时改变入射光光源和接受端两个器件的位置，在寻找角度的时候步进电机驱动的机械结构需要往复运动，容易因步进电机固有的回程差导致角度控制不精准，另外，商用CCD或者CMOS接收端大多为精细成像需求所设计，其像素数量大（通常在几十万到几千万），传感面积小，在弱光下灵敏度偏低，然而实际上该类传感器所希望探测的生物样品面积较大，其所造成光波前强度改变的面积远大于CCD或CMOS的单位像素面积，人们真正希望的是较大区块地逐块记录出射光波前的光强信息，总的像素数量并不是很大（通常在几十到几百），并非真正意义上的“成像”。

发明内容

针对上述现有技术的现状，本发明提供一种利用数字微镜阵列的表面等离子体共振传感器以解决背景技术中提出的问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种利用数字微镜阵列的表面等离子体共振传感器，包括转台、第一棱镜、第二棱镜、金属片、聚焦透镜、光电转换器和数字微镜阵列，所述的第一棱镜、第二棱镜和金属片固定安装在所述的转台上，且所述的金属片附着在第一棱镜的反射面上，金属片所在的平面垂直转台的转动平面，并且金属片上传感面的中心和所述的转台的转动中心重合并以此为圆心可随着转台转动，所述的第二棱镜以所述的转台的转动中心为圆心设置在所述的转台边缘，所述的数字微镜阵列和光电转换器相对设置在所述的转台外围两侧，且所述的光电转换器和转台之间设置有聚焦透镜，所述的数字微镜阵列调制入射光并折射，使得光波依次经过所述的第一棱镜、第二棱镜、聚焦透镜，最终进入光电转换器使得光强信息转化为电信号并以数据呈现，且所述的数字微镜阵列与所述的第一棱镜之间形成的光路与所述的第二棱镜与聚焦透镜之间形成的光路始终保持平行。

进一步的，所述的第一棱镜和第二棱镜可以是三棱镜或者平凸柱面镜, 且平凸柱面镜更容易实现光路，非常方便。在不妨碍光线路径的前提下两个棱镜之间也可以紧密相连或者熔为一体。

进一步的，所述的金属片和第一棱镜之间设置有匹配油。通过在金片和第一棱镜之间填充匹配油，匹配油的折射率接近棱镜以消除金片所在透明薄片和第一棱镜间隙之间存在的空气造成光路的误差。

进一步的，所述的金属片由纳米级别厚度的金或者银等贵金属镀膜于透明薄片制成，厚度为20~100纳米。其表面附着功能化的生化分子，用来捕捉特定类型的待测生化分子，金属表面可以为平整结构也可以刻蚀有一些特定结构。

进一步的，所述的转台可顺时针或者逆时针转动15~30度。通过旋转调节转台使得入射光以精准的角度照射到需检测的样品从而于反射光中得出一定的强弱光信号，并由光电转换器采集转换成电信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明提供一种利用数字微镜阵列的表面等离子体共振传感器，包括转台、第一反射棱镜、第二反射棱镜、金属片、聚焦透镜、光电转换器和数字微镜阵列。该种利用数字微镜阵列的表面等离子体共振传感器利用双棱镜结构使得出射光线和入射光线始终平行，这样只需以成像面中心为轴转动棱镜即可实现角度改变，由于棱镜固定于转台上，转动可以通过始终一贯的顺/逆时针步进电机实现，不存在回程差造成的角度漂移问题，另外利用数字微镜阵列启闭并通过逐次记录敏感区子区块的光响应，再组合成像的方式，其好处在于：记录光强的光电转换器的灵敏度高于通常商用CCD或者CMOS，且实际上人们真正希望的是逐点记录光强信息而非真正意义上利用CCD或者CMOS的“成像”，而数字微镜阵列中每个微镜的面积较大，每个微镜都可以单独开启/闭合，并且通过编程控制一定数量的微镜同时启闭，更加匹配生物样品的面积。综上，利用大面积单一接收像素但灵敏度更高的光电转化器件逐点采集光强，再后期通过程序处理将各点信息汇总并呈现是更优的选择。

附图说明

图1为本发明的具体结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种利用数字微镜阵列的表面等离子体共振传感器，包括转台1、第一棱镜2、第二棱镜3、金属片4、聚焦透镜5、光电转换器6和数字微镜阵列7，所述的第一棱镜2、第二棱镜3和金属片4固定安装在所述的转台1上，且所述的金属片4附着在第一棱镜2的反射面上，金属片4所在的平面垂直转台1的转动平面，并且金属片4上传感面的中心和所述的转台1的转动中心重合并以此为圆心可随着转台1转动，所述的第二棱镜3以所述的转台1的转动中心为圆心设置在所述的转台1边缘，所述的数字微镜阵列7和光电转换器6相对设置在所述的转台1外围两侧，且所述的光电转换器6和转台1之间设置有聚焦透镜5，所述的数字微镜阵列7调制入射光并折射，使得光波依次经过所述的第一棱镜2、第二棱镜3、聚焦透镜5，最终进入光电转换器6使得光强信息转化为电信号并以数据呈现，且所述的数字微镜阵列7与所述的第一棱镜2之间形成的光路与所述的第二棱镜3与聚焦透镜5之间形成的光路始终保持平行。所述的第一棱镜2和第二棱镜3可以是三棱镜或者平凸柱面镜, 在不妨碍光线路径的前提下两个棱镜之间也可以紧密相连或者熔为一体成为一个光学器件。所述的金属片4和第一棱镜2之间设置有折射率匹配油用以消除可能存在的空气隙。所述的金属片4由纳米级别厚度的金或者银等贵金属镀膜于透明薄片制成，厚度为20~100纳米。所述的转台1可顺时针或者逆时针转动15~30度。

具体工作原理：首先，在样品池中通入需要检测的样品，样品池为形成在所述的金属片4的表面供样品液体接触功能化后的金属片所用，从通入待测液体开始即可以开始检测，具体的，入射光依次经过所述的第一棱镜2、第二棱镜3、聚焦透镜5折射，最终进入光电转换器6数据呈现，且所述的数字微镜阵列7与所述的第一棱镜2之间形成的光路与所述的第二棱镜3与聚焦透镜5之间形成的光路始终保持平行，整个过程中，检测人员通过旋转调节所述的转台1，使得入射光照射到所述的数字微镜阵列7，经过所述的数字微镜阵列7的调制作用，入射光继续进入所述的第一棱镜2，由于所述的第一棱镜2与所述的金属片4相邻紧挨设置，入射光精准的照射在所述的附着有样品的金属片4背对样品池的一面，对应的，当角度合适时入射光会在金属片4附着有需要检测样品的一面激发表面等离子体波，此表面等离子体波的强弱受样品中可能存在的待测物是否同功能化的金属片相结合所制约，表面等离子体波较强就意味着入射光的能量较多地耦合成为这种形式，因为能量守恒定律，从金属片上剩余的折射光则较弱。由此，受到检测样品的量所影响的折射光进入所述的第二棱镜3，然后，所述的第二棱镜3继续将入射光反射并通过所述的聚焦透镜5的聚焦作用最终进入所述的光电转换器6，由于棱镜2和棱镜3是同构的，从几何原理上可以保持入射到棱镜2的光线和从棱镜3射出的折射光始终平行。最后，所述的光电转换器6将经过检测相应样品后得出的不同强弱的入射光通过电流的形式直观的记录。所述的数字微镜阵列7是一种集成了一定数量微小镜面并每个微镜都可以单独数控的器件，因此，利用所述的数字微镜阵列7可将入射光的波前分成若干子区块，在数字微镜阵列7上的微镜单独控制下，每个子区块可以独立地开启/关闭，此时令每个区块逐一照射到上述的金属片4上，相当于逐次照亮成像面的每一像素，每一像素所在区域的敏感情况则通过所述的第一棱镜2和第二棱镜3折射的光强体现，通过所述的光电转换6收集这些光强并转化为电信号强弱，并按照已知的像素排序还原，即可完成传感成像。同时，由于该类利用表面等离子体共振传感器具有如下共有属性，即其不同待探测物质具有不同的最佳入射光的角度，在检测前需要预先调整出此角度，与此同时需要改变接收端接收器的位置。传统方案大多是通过机械结构直接改变入射光射入角度以及接收端的位置，其弊端在于机械结构复杂，步进电机容易有回程差使得角度控制不精准，本发明中利用所述的第一棱镜2和第二棱镜3的双棱镜结构使得出射光线和入射光线始终平行，这样只需以成像面中心为轴转动所述的转台1，所述的转台带动所述的第一棱镜2和第二棱镜3转动，通过运动的相对性原理即可实现角度改变，由于所述的第一棱镜2和第二棱镜3固定于所述的转台1上，转动可以通过一贯的顺/逆时针步进电机，不存在回程差造成的角度漂移问题。另外，利用所述的数字微镜阵列7通过逐次记录子区块再组合成像的方式好处在于，人们真正希望的是逐点记录光强信息而非真正意义上的“成像”，一般商用CCD或者CMOS阵列的成像功能并非最优选，而所述的记录光强的光电转换器6的功能即为记录光强所用，其记录光强的灵敏度高于CCD或者CMOS。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (5)

1.一种利用数字微镜阵列的表面等离子体共振传感器，其特征在于，包括转台（1）、第一棱镜（2）、第二棱镜（3）、金属片（4）、聚焦透镜（5）、光电转换器（6）和数字微镜阵列（7），所述的第一棱镜（2）、第二棱镜（3）和金属片（4）固定安装在所述的转台（1）上，且所述的金属片（4）附着在第一棱镜（2）的反射面上，金属片（4）所在的平面垂直转台（1）的转动平面，并且金属片（4）上传感面的中心和所述的转台（1）的转动中心重合并以此为圆心可随着转台（1）转动，所述的第二棱镜（3）以所述的转台（1）的转动中心为圆心设置在所述的转台（1）边缘，所述的数字微镜阵列（7）和光电转换器（6）相对设置在所述的转台（1）外围两侧，且所述的光电转换器（6）和转台（1）之间设置有聚焦透镜（5），所述的数字微镜阵列（7）调制入射光并折射，使得光波依次经过所述的第一棱镜（2）、第二棱镜（3）、聚焦透镜（5），最终进入光电转换器（6）使得光强信息转化为电信号并以数据呈现，且所述的数字微镜阵列（7）与所述的第一棱镜（2）之间形成的光路与所述的第二棱镜（3）与聚焦透镜（5）之间形成的光路始终保持平行。

2.根据权利要求1所述的一种利用数字微镜阵列的表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的第一棱镜（2）和第二棱镜（3）可以是三棱镜或者平凸柱面镜, 在不妨碍光线路径的前提下两个棱镜之间也可以紧密相连或者熔为一体成为一个棱镜。

3.根据权利要求2所述的一种利用数字微镜阵列的表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的金属片（4）和第一棱镜（2）之间设置有匹配油用以紧密接合金属片和棱镜表面。

4.根据权利要求3所述的一种利用数字微镜阵列的表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的金属片（4）由纳米级别厚度的金或者银等贵金属镀膜于透明薄片制成，金属膜厚度为20~100纳米，金属表面可以具有刻蚀出来的结构。

5.根据权利要求4所述的一种利用数字微镜阵列的表面等离子共振传感器，其特征在于，所述的转台（1）可顺时针或者逆时针转动15~30度。

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