表面等离子体共振生化分析的二维扫描检测方法及装置

摘要

本发明涉及表面等离子体共振生化传感扫描检测技术。本发明针对基于共振角检测的表面等离子体共振生化传感器，提出一种表面等离子体共振生化分析的二维扫描检测方法及装置。所谓二维扫描检测是对二维传感芯片进行单光束二维扫描检测。通过精心设计角度扫描的旋转轴位置和二维扫描路径，使得在角度扫描和二维扫描过程中，光束入射到被检测芯片上的入射点不偏离需检测的样品点，克服了基于共振角检测的表面等离子体共振生化传感器在二维扫描检测过程中，光束入射点容易偏离检测样品的难题，这对提高二维扫描检测的传感芯片样品密度，实现高精度高通量检测具有重要的意义，在生化分析中将具有广泛的应用前景。

权利要求

1.一种表面等离子体共振生化分析的二维扫描检测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将二维传感芯片(4)置于斜方棱镜(3)的前底面；斜方棱镜(3)中，入射侧面与出射侧面平行，前底面与后底面平行，前底面与入射侧面成α角，α角为锐角；X、Y、Z为直角坐标系的三个方向；斜方棱镜(3)置于X方向平移台(6)上，X方向平移台(6)下面设有旋转台(7)和Z方向平移台(8)，旋转台(7)的转轴为Z方向；

(2)光源(1)发出的光束(2)垂直入射到入射侧面进入斜方棱镜(3)，依次经过前底面和后底面的反射，然后经出射侧面射到探测器(5)；光束(2)在入射侧面上的入射点为M点，在前底面上的入射点为O点，在后底面上的入射点为P点、在出射侧面上的出射点为N点，MOPN构成的平面垂直于Z方向；M点与O点的连线与旋转台(7)的转轴垂直相交于W点；前底面与入射侧面的交线与MOPN构成的平面的交点为B”点；W点与B”的连线与X方向一致；

式 中，MW 为 M 点 到 W 点 的 距 离，MO 为 M 点 到 O 点 的 距 离，n为斜方棱镜(3)的折射率，α为斜方棱镜(3)的前底面与入射侧面的夹角，当不知道待测样品的共振角时，取当知道待测样品的共振角为φ0时，取φ＝φ0；

(3)调节X方向平移台(6)和/或Z方向平移台(8)，使光束(2)入射到二维传感芯片(4)的某一待测样品点；

(4)旋转旋转台(7)，使该待测样品点产生表面等离子体共振，完成单一待测样品点的测定；然后旋转旋转台(7)使光束(2)垂直入射到入射侧面；

(5)调节X方向平移台(6)和/或Z方向平移台(8)，使光束(2)入射到二维传感芯片(4)的其它待测样品点；

(6)重复步骤(4)和步骤(5)，完成二维传感芯片(4)的各待测样品点的检测。

说明书

表面等离子体共振生化分析的二维扫描检测方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及表面等离子体共振传感生化分析扫描检测技术。

背景技术

[0002] 自从上世纪80年代表面等离子体子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)技术用于传感器研究领域以来，逐渐成为国际传感器领域的研究热点。SPR传感器具有免标记、实时动态检测和快速、灵敏、无损伤等特点，特别是在测定生物大分子相互反应过程中反应动力学常数和特性方面，具有独特的优势。从现有的研究状况来看，SPR传感技术具备了在生物学、医学、化学、药物筛选以及环境监测、食品安全等许多领域广泛应用的潜力。表面等离子体传感方式有两种：一种是检测共振波长，另一种是检测共振角。检测共振角方式相对检测共振波长方式结构简单、稳定可靠，应用较多。在国内外，单通道、双通道最多是四通道SPR生化分析仪已经商品化并广泛使用。但是，近年来，生命科学、环境监测、食品安全等领域，对高通量、多通道、多样品点的生化分析显得特别迫切需要。将单点检测扩展到单点二维扫描式检测来实现多样品点或阵列式样品检测是一种很自然的想法，但由于一些技术上的难点：如为了保证光束在样品上的入射点在角度旋转过程中不漂移，多采用柱面镜耦合方式(图2所示)，因为棱镜耦合方式光束在样品上的入射点在角度旋转过程中很容易漂移(图3所示)，影响检测精度；而柱面镜耦合方式要求入射点在半圆的圆心，角度旋转中心也在圆心，而这种方式在二维扫描中无法保证。因此，将单点检测扩展到单点二维扫描式检测来实现多样品点或阵列式样品检测的这种想法一直没有实现。目前对高通道SPR生化分析仪的研究主要集中在成像型SPR结构上(崔大付等，“高通量、多组份表面等离子体谐振生化分析系统研究”，自然科学进展，2007，17(1)：93-98)，但成像型SPR生化分析仪在检测精度上，远远比不上单光束单点检测SPR生化分析仪。

发明内容

[0003] 本发明的目的是为了实现高精度的二维扫描式单光束单点检测表面等离子体共振生化分析，提供一种表面等离子体共振生化分析的二维扫描检测方法。

[0004] 本发明还提供上述表面等离子体共振生化分析的二维扫描检测装置。

[0005] 一种表面等离子体共振生化分析的二维扫描检测方法，其特征在于包括以下步骤：

[0006] (1)将二维传感芯片置于斜方棱镜的前底面；斜方棱镜中，入射侧面与出射侧面平行，前底面与后底面平行，前底面与入射侧面成α角，α角为锐角；X、Y、Z为直角坐标系的三个方向；斜方棱镜置于X方向平移台上，X方向平移台下面设有旋转台和Z方向平移台，旋转台的转轴为Z方向；

[0007] (2)光源发出的光束垂直入射到入射侧面进入斜方棱镜，依次经过前底面和后底面的反射，然后经出射侧面射到探测器；光束在入射侧面上的入射点为M点，在前底面上的入射点为O点，在后底面上的入射点为P点、在出射侧面上的出射点为N点，MOPN构成的平面垂直于Z方向；M点与O点的连线与旋转台的转轴垂直相交于W点；前底面与入射侧面的交线与MOPN构成的平面的交点为B”点；W点与B”的连线与X方向一致；

[0008]

[0009] 式 中，MW 为 M 点 到 W 点 的 距 离，MO 为 M 点 到 O 点 的 距 离，n为斜方棱镜的折射率，α为斜方棱镜的前底面与入射侧面的夹角，当不知道待测样品的共振角时，取 当知道待测样品的共振角为φ0时，取φ＝φ0；

[0010] (3)调节X方向平移台和/或Z方向平移台，使光束入射到二维传感芯片的某一待测样品点；

[0011] (4)旋转旋转台，使该待测样品点产生表面等离子体共振，完成单一待测样品点的测定；然后旋转旋转台使光束垂直入射到入射侧面；

[0012] (5)调节X方向平移台和/或Z方向平移台，使光束入射到二维传感芯片的其它待测样品点；

[0013] (6)重复步骤(4)和步骤(5)，完成二维传感芯片的各待测样品点的检测。

[0014] 一种表面等离子体共振生化分析的二维扫描检测装置，其特征在于包括光源、斜方棱镜以及探测器；斜方棱镜中，入射侧面与出射侧面平行，前底面与后底面平行，前底面与入射侧面成α角，α角为锐角；X、Y、Z为直角坐标系的三个方向；斜方棱镜置于X方向平移台上，X方向平移台下面设有旋转台和Z方向平移台，旋转台的转轴为Z方向；光源发出的光束经过入射侧面进入斜方棱镜，依次经过前底面和后底面的反射，然后经出射侧面射到探测器。

[0015] 旋转台与Z方向平移台的上下位置可以互换，不影响检测。即可以是X方向平移台下面设有旋转台，旋转台下面设有Z方向平移台；也可以是X方向平移台下面设有Z方向平移台，Z方向平移台下面设有旋转台。

[0016] 进一步的，X方向平移台的平移、Z方向平移台的平移以及旋转台的旋转均由步进电机来控制。

[0017] 对于检测共振角传感方式的表面等离子体传感器一般采用半圆柱面镜和棱镜耦合方式，由于在二维扫描过程中，半圆柱面镜耦合方式无法保证角度扫描中心在半圆柱面的圆心(图2所示)，因此该二维扫描检测方法采用棱镜耦合方式。又由于一般的棱镜耦合方式，在角度扫描过程中，光束在样品上的入射点漂移较大(图3所示)，使得检测样品点必须足够大以保证入射点在角度扫描过程中不会漂移出样品点，这使得二维传感芯片上的样品点密度受到很大限制。为了解决棱镜耦合方式入射点漂移较大问题，经过仔细分析、计算，发现在棱镜中存在一最佳旋转轴位置，当棱镜以该位置旋转轴进行角度旋转扫描时，光束在样品上的入射点漂移较小，并且该旋转轴沿着某一特殊路径进行平移时，光束在样品上的入射点漂移小的特性不会改变。

[0018] 本发明的扫描方法的原理详述如下：

[0019] 如图1所示，将二维传感芯片4置于斜方棱镜3的前底面(BCC’B’面)；斜方棱镜3中，入射侧面(ABB’A’面)与出射侧面(CDD’C’面)平行；前底面(BCC’B’面)与后底面(ADD’A’面)平行；上截面(ABCD面)和下截面(A’B’C’D’面)平行；前底面(BCC’B’面)与入射侧面(ABB’A’面)成锐角(α角)；上截面(ABCD面)分别与入射侧面(ABB’A’面)、前底面(BCC’B’面)垂直。

[0020] 斜方棱镜3置于一X方向平移台6上，并使斜方棱镜3的下截面和X方向平移台6的台面接触；X方向平移台6又置于旋转台7上，且旋转台7的转轴LL’垂直穿过斜方棱镜3的上截面和下截面，X方向平移台6的平移方向和旋转台7的转轴LL’垂直；旋转台7置于Z方向平移台8上，Z方向平移台8的平移方向和旋转台7的转轴LL’方向一致。其中X、Y、Z为直角坐标系的三个方向。

[0021] 光源1发出的光束2经过入射侧面进入斜方棱镜3，依次经过前底面和后底面的反射，然后经出射侧面射到探测器5。光束2在入射侧面上的入射点M点、在前底面上的入射点O点、在后底面上的入射点P点、在出射侧面上的出射点N点构成一个与斜方棱镜3上截面平行的光束截面(A”B”C”D”面)。

[0022] 光源1发出的光束和旋转台7的转轴LL’垂直相交于W点；在作二维扫描检测过程中，光源1和旋转台7的转轴LL’之间的相对空间位置始终不变。

[0023] 当光源1发出的光束从入射侧面垂直进入斜方棱镜3后，此时，光束在入射侧面的入射点M点分别到光束与转轴LL’的交点W点和光束在前底面的入射点O点之间的距离之比 为 其中n为斜方棱镜3的折射率，α为斜方棱镜3的前底面与入射侧
面的夹角，φ为产生表面等离子体共振效应时的共振角，当不知道待检测样品的折射率的情况下设 当知道待检测样品的折射率的大约值时，则根据估算出的共振角大约值φ0设φ＝φ0。

[0024] 当光源1发出的光束从入射侧面垂直进入斜方棱镜3后，此时，B”点与W点之间的连线(B”W)方向，和X方向平移台6的平移方向一致。

[0025] Z方向平移台8带动斜方棱镜3平移实现Z方向的扫描检测。

[0026] X方向平移台6带动斜方棱镜3平移实现X方向的扫描检测。

[0027] 斜方棱镜3随旋转台7在检测需要的角度范围内旋转时，光束在前底面上的入射点(O点)不会偏离出待测样品点。

[0028] 最佳旋转轴位置的确定：

[0029] 由于斜方棱镜可由两个一样的三角棱镜组合而成，不失一般性，我们可以用等腰三角棱镜为例来说明。

[0030] 旋转轴垂直穿过棱镜的截面。

[0031] 首先针对不同的等腰三角棱镜和旋转轴不同的位置，计算在棱镜旋转过程中光束在棱镜底面上的入射点的漂移量。如图4所示，设ABC为等腰棱镜的截面，其中AB＝AC，θ为棱镜旋转的角度，a为等腰棱镜腰长，n为棱镜折射率，初始入射光束I垂直于等腰棱镜的腰，入射到底边BC的中心O处，此时，入射光与AB上的法线重合，入射角为0度。当棱镜以通过W点的旋转轴旋转θ角度后，入射光束形成与棱镜腰AB上的法线成θ角度，入射角为θ角度，用入射光束II表示。 为光束对棱镜底边的入射角，O’点为棱镜旋转θ角度后光束在棱镜底边上的入射点，OO’为棱镜旋转后入射点的漂移量。

[0032] 为了寻找适合二维扫描检测的棱镜旋转轴位置，通过仔细分析我们发现，如果将旋转轴设置在初始入射光束I所在的直线上，通过巧妙设置扫描路径，可以保证在二维扫描检测过程中旋转轴的状态不会发生变化。如果将旋转轴设置在其它位置，在二维扫描过程中旋转轴的状态将发生变化，因此不适合用于二维扫描检测过程。因此将旋转轴设置在初始入射光束I所在的直线上，并在初始入射光束I所在的直线上寻找最佳的旋转轴位置。我们可以通过保持棱镜底边样品面上的入射点不动(即OO’＝0)情况下，计算旋转轴的位置，来确定最佳旋转轴位置。

[0033] 对于顶角角度不同的等腰棱镜，当旋转轴设置在初始入射光束I所在的直线上时，如果棱镜顺时针旋转θ角度，光束入射到底边样品面上的入射点不动，即OO’＝0，有：

[0034]

[0035] 其中

[0036] 又因为MO＝a·cosα·sinα，有：

[0037]

[0038] 其中

[0039] 由于产生表面等离子体共振效应时的共振角大于光束在棱镜底面的全反射角，全反射角为： 即共振角φ的范围为 因此在做角度扫描探测共振角时，如果在不知道待检测样品的折射率的情况下，棱镜的旋转范围大约为：
当θ＞0时表示棱镜顺时针旋转，θ＜0时表示棱镜顺时针旋
转。又由于θ＝0时一定有OO’＝0，因此我们在公式(1)和(2)中，选择 即：

[0040]

[0041]

[0042] 其中

[0043] 这样旋转轴的位置由公式(3)和(4)确定时，当 时，也能保证OO’＝0，而在 范围内的OO’也具有较小的值。此时我们认为由公式(4)确定的旋转轴的位置为最佳位置。

[0044] 如果预先知道待检测样品的折射率大约的值，则可以估算出共振角的大约值φ0，那么这时在公式(1)和(2)中，可以选择θ＝φ0-α，即：

[0045]

[0046]

[0047] 其中

[0048] 这样在θ＝φ0-α附近进行角度扫描检测时，OO’具有更小的值。此时我们认为由公式(6)确定的旋转轴的位置为最佳位置。

[0049] 根据公式(4)或(6)确定的旋转轴最佳位置，设 可以将旋转轴的位置设置在其最佳位置附近，即：

[0050]

[0051] 经过计算及实践，在这样一个范围内，均能得到较小的偏移量，从而满足检测的要求。

[0052] X方向平移台的最佳平移路径的确定：

[0053] 根据上述方法确定好一个最佳旋转轴位置后，再由几何关系可知，只要保持光源和旋转平台不动，将X方向平移台的平移方向设置成和图4的B、W两点的连线方向一致(如图5所示)，就可以保证当X方向平移台作X方向平移扫描时，棱镜的旋转轴位置始终满足公式(2)，也即棱镜的旋转轴位置始终为最佳旋转轴位置。如图5所示，此时，入射光束和X方向的夹角β可由以下公式确定：

[0054]

[0055] 综上所述，本发明经过精心设计、巧妙构思解决了单点二维扫描式检测的技术难题，对高精度多样品点的探测具有非常重要的意义。

附图说明

[0056] 图1是本发明装置示意图。图中，1-光源；2-光束；3-斜方棱镜；4-二维传感芯片；5-探测器；6-X方向平移台；7-旋转台；8-Z方向平移台。

[0057] 图2是柱面镜耦合方式示意图。

[0058] 图3是棱镜耦合方式示意图。

[0059] 图4是最佳旋转轴位置示意图。

[0060] 图5是X方向扫描最佳平移路径示意图。

[0061] 图6是实施例1三种情况下光束在样品点上随扫描角度θ的漂移值曲线图。图中，61-旋转轴位置在 的漂移值曲线；62-最佳旋转轴位置下的漂移值曲线；63-旋转轴位置在 的漂移值曲线。

具体实施方式

[0062] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0063] 本发明可按照以下步骤来实施：

[0064] 1)首先根据所需要检测的样品选择好斜方棱镜的几何和物理参数。再根据这些参数利用公式(7)和(8)计算棱镜的旋转轴位置和最佳平移路径。将二维传感芯片4用折射率匹配液固定在斜方棱镜3的一个底面上。

[0065] 2)将旋转台7置于Z方向平移台8上，Z方向平移台8的平移方向和旋转台7的转轴方向一致。

[0066] 3)X方向平移台6又置于旋转台7上，X方向平移台6的平移方向和旋转台7的转轴方向保持垂直。

[0067] 4)将步骤1)选好的带有二维传感芯片4的斜方棱镜3置于X方向平移台6上，并使斜方棱镜3的下截面和X方向平移台6的台面接触，且旋转台7的转轴垂直穿过斜方棱镜3的上截面和下截面。

[0068] 5)固定好光源1使其发出的光束2和旋转台7的转轴垂直相交，且光束离开旋转台7的台面的距离大约为斜方棱镜高度的一半。

[0069] 6)调整并固定好斜方棱镜3在X方向平移台6上的位置，使光源1发出的光束2从斜方棱镜3侧面垂直射入斜方棱镜3至带有二维传感芯片4的前底面后反射，并满足步骤1)计算好的斜方棱镜最佳旋转轴位置。

[0070] 7)根据步骤1)计算好的最佳平移路径，重新调整X方向平移台6的平移方向。

[0071] 8)Z方向平移台8带动斜方棱镜3平移进行Z方向的扫描检测；X方向平移台6带动斜方棱镜3平移进行X方向的扫描检测。

[0072] 实施例1

[0073] 采用由两个折射率为n＝1.5163(K9玻璃)、边长和厚度都为20毫米等边棱镜组成的斜方棱镜，α为60°；X方向平移台、Z方向平移台和旋转台都由步进电机驱动；光源为2毫瓦氦氖激光器；探测器为硅光电池。

[0074] 由公式(3)、(4)、(7)和(8)可计算出：β＝0.766弧度。根据这些参数设置好棱镜的旋转轴位置和X方向
平移台的平移方向。

[0075] 由于折射率为n＝1.5163的棱镜对空气的全反射角约为0.721弧度，因此θ角度的扫描检测范围可设置为0.524＞θ＞-0.326弧度。

[0076] 当旋转轴位置设置在最佳位置 时，光束在样品点上的最大漂移值OO’出现在扫描角度θ≈0.383弧度处，约为0.39毫米。如图6中曲线62所示。

[0077] 当旋转轴位置设置在 时，光束在样品点上的最大漂移值OO’出现在扫描角度θ≈0.500弧度处，约为0.90毫米。如图6中曲线61所示。

[0078] 当旋转轴位置设置在 时，光束在样品点上的最大漂移值OO’出现在扫描角度θ≈0.524弧度处，约为-0.55毫米。如图6中曲线63所示。

[0079] 如果光斑的直径为1毫米，则可检测不小于1.9毫米的样品点。

[0080] 实施例2

[0081] 采用由两个折射率为n＝1.5163(K9玻璃)、腰长和厚度都为20毫米等腰直角棱镜组成的斜方棱镜，α为45°；X方向平移台、Z方向平移台和旋转台都由步进电机驱动；光源为2毫瓦氦氖激光器；探测器为硅光电池。

[0082] 由公式(3)、(4)、(7)和(8)可计算出：β＝1.09弧度。根据这些参数设置好棱镜的旋转轴位置和X方向平
移台的平移方向。

[0083] 由于折射率为n＝1.5163的棱镜对空气的全反射角约为0.721弧度，因此θ角度的扫描检测范围可设置为0.785＞θ＞-0.065弧度。

[0084] 当旋转轴位置设置在最佳位置 时，光束在样品点上的最大漂移值OO’出现在扫描角度θ≈0.565弧度处，约为0.98毫米。而当θ为0.785弧度时，漂移量OO’几乎为0。

[0085] 当旋转轴位置设置在 时，光束在样品点上的最大漂移值OO’出现在扫描角度θ≈0.615弧度处，约为1.38毫米。

[0086] 当旋转轴位置设置在 时，光束在样品点上的最大漂移值OO’出现在扫描角度θ≈784弧度处，为-0.64毫米。