[实用新型]基于金属光栅的表面等离子体共振生物传感装置

说明书

技术领域

本实用新型属于传感技术领域，是一种用于物质检测的传感器。

背景技术

表面等离子体子共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）是被电磁波所激发的存在于金属和电介质界面上的电荷密度振动效应，对环境介质折射率变化非常敏感，它是一种光学传感技术，其无需进行样品标记，并且能实时监测生物分子之间的相互作用，在近年成为生物分子监测的有利工具。而且目前，基于SPR效应的传感器结构还被广泛应用于生化与环保监测、纳米光子器件等领域，并在基因检测、工业湿度监控等领域取得重大进展。

当入射光在可见光及近红外波段内，绝大多数金属介电常数的实部为负数，因此金属与其相邻介质的介电常数异号，只有P型偏振光才能激发出表面等离子体激元（SPP）。当P型偏振光以大于全反射临界角的角度入射介质时将会发生全反射，一部分入射光将以倏逝波的形式渗透入金属膜。当入射角满足一定条件时，倏逝波平行于金属/电介质界面的波矢量与SPP的波矢相等，这两种模式发生强烈的耦合，入射光的能量将有一部分转移到SPP中，导致反射光强度显著降低，反射率出现最小值，进而出现SPR效应。

现在普遍应用的SPR装置为克雷奇曼（Kretschmann）棱镜型装置，它是由棱镜、金属薄膜、环境介质组成。采用克雷奇曼（Kretschmann）棱镜型装置为基础制成的等离子体共振生物传感装置由激光光源、起偏器、聚焦透镜、棱镜型装置、光纤光谱仪和计算机构成，激光光源发出的水平方向的光经过起偏器和聚焦透镜，得到P偏振光；该P偏振光经过棱镜型装置进入光纤光谱仪得到探测到的信号，送到计算机进行处理，从而得到被测物溶液的折射率和相关浓度的信息。

光经过棱镜激发金属薄层的SPR效应，待测介质位于金属膜的另一侧，因此避免了待测物周围环境的变化给测量带来的影响。但是只有厚度在某一特定范围内的金属膜才能激发较为理想的SPR效应，因此具有一定加工难度，对工艺要求较高。而且，Kretschmann棱镜耦合模型SPR传感器有移动的部分，体积大，需要对角度精确控制，不便于集成。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于金属光栅的表面等离子体共振生物传感装置，从而降低了加工难度，检测结果更为准确。

本实用新型解决技术问题的方案是采用激光光源、起偏器、聚焦透镜、光纤光谱仪和计算机构成，在聚焦透镜与光纤光谱仪之间有光栅表面等离子体传感器，以替代棱镜型装置，光栅表面等离子体传感器由平台，光栅体、金属膜和样品池构成，平台，光栅体、金属膜和样品池均为片状，在平台上安装光栅体，光栅体上表面镀金属膜，金属膜上固定有样品池，其中光栅体的光栅周期为600nm，光栅高度为100nm，光栅占宽比为0.5， 金属膜可以是金膜或者银膜，金膜最佳，其厚度为50nm。检测时，在光栅表面等离子体传感器的样品池上放置待检测样品，激光光源发出的水平方向的光经过聚焦透镜和起偏器，得到P偏振光；该P偏振光经过镀金膜的光栅反射光进入光纤光谱仪得到探测到得的表面等离子体信号，送到计算机进行处理。通过对比无样品和样品的信号差异，从而得到被测物溶液的折射率和相关浓度的信息。

光栅表面等离子体传感器可以是圆盘状，样品池从中心进行扇形划分成两个至六个等份，平台的底部有轴承，轴承连接有轴，检测时可以在进行等份的样品池内加入待测样品，其中包括一个检测蒸馏水或者其他参照物的样品池等份，通过轴和轴承转动光栅表面等离子体传感器，可完成一次自动检测多个待测样品。

本实用新型很好的弥补了Kretschmann棱镜耦合模型SPR传感器的以上缺陷，其不以棱镜作为激发介质，不需要特定厚度的金属膜，可以采用肉眼可见厚度的金属膜，而且基底的光学质量对传感器性能也没有决定性影响。较Kretschmann棱镜耦合型SPR传感器，制作工艺简单、操控方便，精确度高。

附图说明

图1为本实用新型示意图；

图2为光栅表面等离子体传感器示意图；

图3为样品池示意图。

具体实施方式

本实用新型由激光光源1、起偏器2、聚焦透镜3、光纤光谱仪5和计算机构6成，在聚焦透镜3与光纤光谱仪5之间有光栅表面等离子体传感器4，光栅表面等离子体传感器4由平台7，光栅体8、金属膜9和样品池10构成，平台7，光栅体8、金属膜9和样品池10均为片状，在平台7上安装光栅体8，光栅体8上表面镀金属膜9，金属膜9上固定有样品池10，其中光栅表面等离子体传感器4是圆盘状，样品池10从中心进行扇形划分成六个等份，平台7的底部有轴承12，轴承12连接有轴11，光栅体8的光栅周期为600nm，光栅高度为100nm，光栅占宽比为0.5， 金属膜9是金膜，其厚度为50nm。