CN118624568A - 一种高光谱成像spr光电成像传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高光谱成像SPR光电成像传感器，包括SPR激发宽带光源、准直器、起偏器、物镜、准直透镜、耦合棱镜、微纳金属传感芯片、微流控通道、高光谱成像仪；SPR激发宽带光源发出宽带光作为系统入射光，依次经过准直器和起偏器，随后以起偏器所确定的偏振态通过物镜，再通过准直透镜形成平行宽光束；平行宽光束经过用于波矢匹配的耦合棱镜后，以入射至微纳金属传感芯片下表面产生SPR效应，反射光成像至高光谱成像仪；微纳金属传感芯片的上表面与承载待测传感液体的微流控通道连接，微流控通道中液体折射率变化导致微纳金属传感芯片所产生的SPR效应发生变化，进而导致高光谱成像仪得到的光谱信息发生变化。本发明具有实时高效、高灵敏度的特点。
Description
技术领域
本发明属于光学传感领域，涉及一种高光谱成像SPR光电成像传感器。
背景技术
金属表面存在着大量的自由电子，在满足一定的耦合条件时，在金属-介质界面上可以激发出自由电子的集体耦合振荡，称之为表面等离激元共振（Surface plasmonresonance，以下简称SPR）。在通常情况下，入射光直接入射至金属表面无法激发等离子波，需要使用耦合棱镜提升入射光的波矢以激发SPR效应。由于所激发的SPR效应对金属表面样品的介电常数变化有很高的灵敏度，因此可以利用这个特性对样品的折射率进行高灵敏度的探测。
光谱探测在SPR传感器中，指的是对折射率改变引起的共振波长的漂移进行探测。共振波长一般是关于界面折射率的特定函数，这与界面所支持的共振模式的色散关系有关。常用的光谱探测利用滤光片通过对入射光波长扫描的方式用CCD分别记录不同入射波长下的SPR效应，受限于滤光片精度的影响且无法快速进行成像分析（Chen, Kaiqiang, etal. "Fast spectral surface plasmon resonance imaging sensor for real-timehigh-throughputdetection of biomolecular interactions." Journal of biomedical optics 21.12 (2016): 127003-127003.）。其他光谱传感系统，如偏振干涉光谱型SPR传感方法（刘智毅，高通量表面等离子体共振传感方法及应用研究[D]，清华大学），利用线扫描方式显著提高了检测通量。但由于线扫描而非快照成像的方式，限制了重建时间。多通道光纤SPR光谱成像系统（刘强，多通道光纤表面等离子体共振成像传感器的研究与应用[D]，大连理工大学，2018）利用成像光谱仪和面阵CCD并行采集多个独立检测通道完整的光谱信息。但是，通过多光纤实现多通道检测的方式不利于集成，需要开发新型的SPR光电成像传感芯片；此外，它是通过转动光栅实现波长扫描，图像重建效率慢，检测时间长。凝视型快照高光谱成像是一种无创、快速的具光谱和成像双重功能的检测技术，在紫外、可见光、近红外和中红外区域获取许多非常窄且光谱连续的图像数据，为每个像元提供数十至数百个窄波段（通常波段宽度<10nm）光谱信息，可识别人眼看不到的物质属性和特征。利用凝视型快照高光谱成像仪可以实现快速且高精度的高光谱成像，通常高光谱成像仪光谱重建时间低于10ms。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种高光谱成像SPR光电成像传感器，可以对多种样品进行快速实时、高灵敏度的检测。本发明在光谱探测SPR传感装置中，引入凝视型快照高光谱成像技术，样品折射率变化引起的SPR共振光谱的变化可以直接通过高光谱成像技术检测出，并具有实时高效、高灵敏度的特点。
一种高光谱成像SPR光电成像传感器，包括SPR激发宽带光源、准直器、起偏器、物镜、准直透镜、耦合棱镜、微纳金属传感芯片、微流控通道、高光谱成像仪；SPR激发宽带光源发出宽带光作为系统入射光，依次经过准直器和起偏器，随后以起偏器所确定的偏振态通过物镜，再通过准直透镜形成平行宽光束；平行宽光束经过用于波矢匹配的耦合棱镜后，以固定激发角度入射至微纳金属传感芯片下表面产生SPR效应，反射光成像至高光谱成像仪；微纳金属传感芯片的上表面与承载待测传感液体的微流控通道连接，微流控通道中液体折射率变化导致微纳金属传感芯片所产生的SPR效应发生变化，进而导致高光谱成像仪得到的光谱信息发生变化。
所述的SPR激发宽带光源，输出光谱带宽范围为420nm-750nm。
所述的系统入射光通过耦合棱镜提供的全反射结构产生倏逝波，激发微纳金属传感芯片产生SPR效应。
所述的微纳金属传感芯片的上表面与承载待测传感液体的微流控通道连接：通过氧气等离子体清洗机，轰击微流控通道和微纳金属传感芯片表面，将表面的化学键打断，再将二者贴合形成新的化学键，从而实现二者的封合连接；所述的微纳金属传感芯片和微流控通道封合后再用折射率匹配液耦合在耦合棱镜上。
所述的高光谱成像仪的信号接收面与出射光方向垂直。
所述的高光谱成像仪采用凝视型快照成像，一次曝光，即可捕获微纳金属传感芯片所有通道的SPR反射图谱信息；
所述的高光谱成像仪的光谱重建时间低于10ms。
所述的微流控多通道特异标记不同的靶向标志物，通过单次快照高光谱成像获取SPR反射谱，实现多参数的同步快检。
所述的微纳金属传感芯片的上表面与承载不同折射率待测传感液体的微流控通道连接，实现多通道传感。
所述的微流控多通道是折射率随空间分布的物体，包括细胞或组织。
本发明的有益效果：本发明在光谱探测SPR传感装置中，加入高光谱成像技术，因而由于样品折射率变化引起的SPR共振光谱的变化可以直接通过高光谱成像技术检测出，与采取波长扫描式SPR传感装置相比，本发明具有实时高效、高灵敏度的特点。
附图说明
图1为本发明高光谱成像SPR光电成像传感器的系统图。
图2为本发明测量不同折射率样品光谱变化图。
图3为本发明不同光谱下的SPR光电成像重建结果。
附图标记说明：SPR激发宽带光源-1，准直器-2，起偏器-3，物镜-4，准直透镜-5，耦合棱镜-6，微纳金属传感芯片-7，微流控通道-8，高光谱成像仪-9。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
如图1所示，本发明公开了高光谱成像SPR光电成像传感器，包括SPR激发宽带光源1、准直器2、起偏器3、物镜4、准直透镜5、耦合棱镜6、微纳金属传感芯片7、微流控通道8、高光谱成像仪9。SPR激发宽带光源1发出宽带光作为系统入射光，依次经过准直器2和起偏器3，随后以起偏器3所确定的偏振态通过物镜4，再通过准直透镜5形成平行宽光束。平行光束准直扩束后的宽光束经过用于波矢匹配的耦合棱镜6后，以固定激发角度θ（见公式1）入射至微纳金属传感芯片7下表面产生SPR效应，反射光成像至高光谱成像仪9。其中微纳金属传感芯片7的上表面与承载不同折射率待测传感液体的微流控通道8连接，其中不同折射率传感液体意味本发明可以实现多通道传感，微流控通道8中液体折射率变化会导致微纳金属传感芯片7所产生的SPR效应发生变化，进而导致高光谱成像仪9得出的光谱信息发生变化。
下面以耦合棱镜6、微纳金属传感芯片7、微流控通道8、高光谱成像仪9为例说明用于SPR光电成像传感器的高光谱成像原理。利用耦合棱镜6在微纳金属传感芯片7表面激发表面等离激元，当宽带入射光以相对于微纳金属传感芯片7表面法线方向的激发角度θ入射到微纳金属传感芯片下表面，沿其表面的波矢分量为：
（1）；
其中λ为入射波长，n l 为耦合棱镜的折射率。根据波矢匹配条件，当表面波矢分量k与表面等离激元波矢大小相等：
（2）；
可在微纳金属传感芯片7-介质界面激发表面等离激元，其中为微纳金属传感芯片7介电常数实部，n m 为微纳金属传感芯片7的复折射率，n a 为微流控通道8中的待测传感介质折射率。
在表面等离激元共振条件下，反射光谱的共振波长为：
（3）；
反射光谱在共振波长处会有明显的吸收峰，表现为共振波长处的反射光强较其他波长处明显降低。并由以上可知，当微纳金属传感芯片7表面的介质折射率n s 发生改变，反射光谱也会发生变化。因此当选取不同样品折射率进行传感实验，将得到如附图2所示的SPR反射光谱。当外部折射率增加，共振峰的波长逐渐增大，共振峰红移。这表明了微纳金属传感芯片7对外部折射率变化具备一定的感知能力。
在本发明中，使用高光谱成像仪9对SPR效应进行光谱分析，从而寻址到共振波长，并获取共振峰的波长漂移量来表征折射率参数。由于波长参数直接与折射率相关，受到其他因素的影响较小，并结合重建算法可以实现快速光电成像可视化传感。
附图3所示为高光谱SPR光电成像结果，显示了在固定入射角度情况下微纳金属传感芯片7对于外部折射率改变所引起的反射光谱变化。
由此，可将SPR传感器的检测灵敏度定义为共振波长的变化量和待测样品折射率变化量的比值：
（4）；
本发明利用高光谱成像仪对SPR效应的反射光谱进行快速高分辨率检测，由于样品折射率变化而引起的反射光谱共振峰的变化可以由高分辨率光谱仪检测出，实现高光谱成像SPR光电成像传感器。同时本发明还可以通过使用精度更高的高光谱分析技术实现折射率更微小量变化的测量。本发明具有造价低，可同时检测多种物质，实时高效等特点。
上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。
Claims (9)
1.一种高光谱成像SPR光电成像传感器，其特征在于：包括SPR激发宽带光源（1）、准直器（2）、起偏器（3）、物镜（4）、准直透镜（5）、耦合棱镜（6）、微纳金属传感芯片（7）、微流控通道（8）、高光谱成像仪（9）；SPR激发宽带光源（1）发出宽带光作为系统入射光，依次经过准直器（2）和起偏器（3），随后以起偏器（3）所确定的偏振态通过物镜（4），再通过准直透镜（5）形成平行宽光束；平行宽光束经过用于波矢匹配的耦合棱镜（6）后，以固定激发角度入射至微纳金属传感芯片（7）下表面产生SPR效应，反射光成像至高光谱成像仪（9）；微纳金属传感芯片（7）的上表面与承载待测传感液体的微流控通道（8）连接，微流控通道（8）中液体折射率变化导致微纳金属传感芯片（7）所产生的SPR效应发生变化，进而导致高光谱成像仪（9）得到的光谱信息发生变化。
2.根据权利要求1所述的高光谱成像SPR光电成像传感器，其特征在于：所述的SPR激发宽带光源，输出光谱带宽范围为420nm-750nm。
3.根据权利要求1所述的高光谱成像SPR光电成像传感器，其特征在于：所述的系统入射光通过耦合棱镜（6）提供的全反射结构产生倏逝波，激发微纳金属传感芯片（7）产生SPR效应。
4.根据权利要求1所述的高光谱成像SPR光电成像传感器，其特征在于：所述的微纳金属传感芯片（7）的上表面与承载待测传感液体的微流控通道（8）连接：通过氧气等离子体清洗机，轰击微流控通道（8）和微纳金属传感芯片（7）表面，将表面的化学键打断，再将二者贴合形成新的化学键，从而实现二者的封合连接；所述的微纳金属传感芯片（7）和微流控通道（8）封合后再用折射率匹配液耦合在耦合棱镜（6）上。
5.根据权利要求1所述的高光谱成像SPR光电成像传感器，其特征在于：所述的高光谱成像仪（9）的信号接收面与出射光方向垂直。
6.根据权利要求1所述的高光谱成像SPR光电成像传感器，其特征在于：所述的高光谱成像仪（9）采用凝视型快照成像，一次曝光，即可捕获微纳金属传感芯片所有通道的SPR反射图谱信息；
所述的高光谱成像仪（9）的光谱重建时间低于10ms。
7.根据权利要求1所述的高光谱成像SPR光电成像传感器，其特征在于：所述的微流控多通道（8）特异标记不同的靶向标志物，通过单次快照高光谱成像获取SPR反射谱，实现多参数的同步快检。
8.根据权利要求1所述的高光谱成像SPR光电成像传感器，其特征在于：所述的微纳金属传感芯片（7）的上表面与承载不同折射率待测传感液体的微流控通道（8）连接，实现多通道传感。
9.根据权利要求1所述的高光谱成像SPR光电成像传感器，其特征在于：所述的微流控多通道（8）是折射率随空间分布的物体，包括细胞或组织。
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2024
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