[发明专利]手持野外便携式表面等离子体共振装置及其在化学和生物试剂的检测中的应用

说明书

SPR检测装置具有光学系统，光学系统具有包括平面金属层的传感器构件，传感器构件可移除地安装到壳体。第一光学器件使入射光束以相对于传感器层的法线的预定范围的角指向金属层的后侧。第二光学器件将相应于入射光束的至少一个反射光束从金属层引导到换能器。换能器将进入的电磁辐射转换成电信号用于传输到信号处理器，其设置在壳体中并操作地连接到至少一个光电换能器，以便检测表面等离子体共振角。第一光学器件配置成使得至少一个入射光束跨越至少大约20°。

技术领域

提供了利用表面等离子体共振的系统、方法和设备/装置，该表面等离子体共振用于测量非常小的溶质浓度。具体而言，提供了采取能够在实验室环境之外且特别是恶劣环境中方便地进行精确测量的便携式分析仪器的形式的系统以及特别是装置。

背景技术

表面等离子体共振(SPR)系统是公知的，并且通常在实验室环境中用作台式分析系统。当入射光以特定角度射到表面上时，在金属的薄膜层中产生的表面等离子体振荡的现象出现。简单的检测系统可以检测表面等离子体的振荡或共振频率的变化，振荡或共振频率根据金属表面周围的环境而改变。这导致对例如与金属表面接触的溶液的浓度的微小变化的检测。仪器的核心本质上是光学的，采用光源、光学器件(透镜、棱镜)和光学检测器。

常见SPR系统采用Kretschmann配置，其中光被注入到一般采用半圆柱形棱镜(沿着轴切成两半的具有磨光的曲面和磨光的平面或平坦表面的圆柱体)的形状的玻璃基板中，使得入射光束以大于引起全内反射(TIR)的界面的临界角的角度射到棱镜的平坦表面上。50nm厚的金属(一般为金)的薄膜沉积在半圆柱形棱镜的平坦表面上。在特定的入射角(大于临界角)下，由TIR产生的消逝波穿透金层并与金属中的表面等离子体模耦合，从而将它们设置成振荡。表面等离子体(SP)是在金属表面上的自由电子的纵向振荡。通过检测入射角来探测这些表面等离子体模的频率是表面等离子体共振(SPR)光谱法的基础，这些表面等离子体模在该入射角下被发出。重要地注意到，光束在与玻璃介质的界面处射到金属膜上；这被称为下侧。然而，SP在金属层或膜的另一侧处被发出，该另一侧于是顶侧。SP在本质上也是逐渐消逝的，这意味着在顶侧的短距离内的、一般入射光束的波长的数量级的任何变化影响等离子体频率。为了使SPR用作生物或化学传感器，配体粘附到顶侧。当分析物粘合到这些配体时，在紧靠顶侧的这个金属(例如金)层中的变化被影响，导致SPR频率的变化。通过询问来自金层的下侧的这些变化，可以感测特定的目标分子。金属层的顶侧因此也是感测表面。

SPR系统常规地用在例如生物、化学和材料科学中。设备内在地是敏感的，并且当与配体/分析物化学物耦合时变得非常强大。在这种情况下，开发与感兴趣的分析物粘合的配体。配体继而以化学方式附接到金属表面，且正是分析物和配体的交互作用引起表面等离子体的共振频率的变化。这使系统变成特定的，即配体只与分析物起反应，并且其它组分对信号变化没有贡献。化学实验室例如将采用SPR系统作为一套其它仪器的部分，每个仪器倾向于彼此补充特定类型的测量，同时提供重叠的数据。与SPR协力地使用的其它类型的仪器和技术的示例将包括例如荧光光谱法、高效液相层析法(HPLC)、红外(IR)光谱法、X射线光电子光谱法(XPS)。尽管这些系统有时可以进行SPR不能进行的测量，SPR在它的内在敏感性方面是独特的且具有适当的配体开发特异性。开发特别粘合到感兴趣的分析物的配体使SPR成为用于非常小的浓度的特定检测的强大的平台。

进行了开发较小的设备的尝试(见例如美国专利No.7,148,968、US20100284012、CN102692397B)。然而，仍然需要真正便携式野外系统，其中设备和测试过程都不需要专门的设施或培训人员，并且其中这样的设备是自校准的。

发明内容