[发明专利]基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置及方法，线偏振激光束入射到激励棱镜内部，并在该棱镜内部经设置有金属膜的棱镜面反射后进入匹配棱镜，从匹配棱镜射出，成为物光束，被测样品通过样品池与金属膜接触，物光束经反射镜反射后，成为反馈光，并经原路返回激光腔，反馈光与腔内的激光产生自混合干涉效应，纳米平移台驱动反射镜做平移运动以改变反馈光的光程，实现对自混合干涉信号的调制，通过光电探测器将调制的自混合干涉信号采集到计算机，由计算机软件系统进行处理得到干涉信号的位相和强度信息。本发明以自混合干涉的方式获取表征SPR生物芯片的位相和强度信息，简化光路结构、提高信息获取速度、降低数据处理量。

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域，具体涉及一种基于自混合干涉的表面等离子体共振传感装置及方法。

背景技术

生物传感器是一种将生物识别元素与目标物质结合的物理传感器，对生命科学和生物化学的研究与探索具有相当重要的作用，尤其对于生物分子间相互作用的研究，相比传统的生物法和酶联免疫法，其具有免标记、高特异性和灵敏度、反应速度快、成本低等优点。其中，表面等离子体共振(surface plasmons resonance，SPR)生物传感器是光学生物传感器的代表。SPR效应是利用P偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射时进入金属薄膜内的倏逝波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体，当倏逝波的波矢与表面等离子体的波矢相匹配时，二者将发生共振，入射光的能量被表面等离子体吸收，反射光强急剧下降，在反射光谱上出现共振峰。由于SPR现象发生在金属和介质的表面，因此它对金属表面的电介质折射率变化具有非常高的灵敏度，当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率稍有变化时，共振峰位置也随之改变，反射光的位相和强度均发生变化。如果将探针或配体固定于传感芯片(金属薄膜)表面，含待分析物的样品流经传感芯片表面，分子间发生特异性结合时引起传感芯片表面的折射率改变，通过检测SPR信号改变可实现检测分子间相互作用的特异性、浓度、动力学、亲合性、协同作用、相互作用模式等。SPR技术能实时监测生物分子相互作用的动态过程、分析样品不需要纯化、生物样品无需标记、检测过程方便快捷、灵敏度高等特点，使其可广泛应用于临床诊断、药物筛选、生物分子检测、环境监测以及食品安全监控等领域。

随着生命科学技术的不断发展，SPR技术在各类生物体系测定中的研究更为深入，市场对SPR技术提出越来越高的要求，使得提高SPR传感器性能，特别是通过采用新型传感装置和检测技术来实现高分辨率、高速检测，成为当前及未来SPR传感技术发展的趋势之一。为了提高SPR技术的探测分辨率，已有研究表明采用位相信号探测方式，理论上可达10^-8RIU的探测分辨率。尽管认为位相探测方式具有最高的探测分辨率，但是目前采用这种方式的商用SPR传感器并不常见，究其原因主要有以下几方面导致难于达到理论探测分辨率：

(1)目前应用于SPR位相探测的主要有双光束干涉技术，所需装置复杂、工作环境要求苛刻，抗震动要求高。双光束干涉技术要求参与干涉的两光束强度不能相差太大，以便获得较好的干涉信号对比度和高的信噪比。而在SPR技术中，由于参与干涉的探测物光波被共振吸收，光强大为减弱，导致物光波和参考光波光强不匹配。为了两者匹配如果将参考光波的光强衰减，又会导致干涉信号过于微弱、信噪比低，不利于探测。

(2)位相型探测方式的动态测量范围较窄，一般的生物反应在很短的时间内就可能越过可测量的范围，要求采集信号的速度足够快。

自混合干涉(Self-mixing Interference,SMI，也称激光回馈)效应是指当激光器的出射光波经过外部物体反射回激光腔，与激光腔内的光波发生干涉，导致激光输出功率发生周期性的变化。目前，基于自混合干涉效应的干涉仪主要用于测量位移、振动、形貌、加速度、微小角度等。与传统干涉仪相比较，基于激光自混合干涉效应的干涉仪，具有以下优点：

(1)自混合干涉系统仅有一个光路通道，具有结构紧凑、简单、抗干扰强等优点。