[发明专利]三角形微棱镜旋转式SPR测试光学芯片

说明书

本发明属于光学传感和材料工程领域，具体涉及的是一种可用于生物传感、医学诊断、药品研发及食品安全等领域的三角形微棱镜旋转式SPR测试光学芯片。三角形微棱镜旋转式SPR测试光学芯片由直角三角形微棱镜光学基片、纳米金属膜、谐振增强膜及基底组成，具有成本低、微型化、易集成、可规模化生产及传感系统芯片易更换等优点，克服了传统SPR传感检测技术操作复杂、成本高等缺点。其调制方式为：将芯片固定于旋转平台上，沿着垂直于直角三角形微棱镜光学基片非直角面的中心轴转动旋转平台，实现改变芯片入射光的入射角，实现对产生SPR现象的激发光入射角度的高分辨率调制。该角度调制相较于传统的角度调制方式，其SPR共振角的测量精度可以提高数倍。

(一)技术领域

本发明属于光学传感和材料工程领域，具体涉及的是一种可用于生物传感、医学诊断、药品研发及食品安全等领域的三角形微棱镜旋转式SPR测试光学芯片。

(二)背景技术

表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种光学物理现象。一束P偏振光在一定的角度范围内入射到涂覆有金属薄膜的棱镜端面，在棱镜与金属薄膜的界面发生全反射时将会引发消逝波，激发金属膜表面的自由电子产生表面等离子体波，当表面等离子体波与消逝波的频率相同时，二者发生共振，发生共振时的入射角被称为共振角；若在界面不满足全反射条件时，衰减全反射现象将出现，金属薄膜表面的自由电子将吸收入射光的能量，导致反射光能量大幅度减少，呈现SPR共振谷现象。

自1968年第一个Otto棱镜型SPR传感系统问世，SPR传感器在生物传感、医学诊断、药品研发、化学分析、食品安全及环境监测等领域获得了广泛应用。如今SPR传感器分可以为两大类，一种是棱镜型SPR传感器，另一种是光纤型SPR传感器。在SPR传感系统中，这两类SPR传感器的传感结构均不易更换。棱镜型SPR传感器具有容易控制入射角和理论分析简单的优点，但其体积较大而不易集成，传感头不易改变而灵活性差，且光源要求为单色光源；光纤型SPR传感器体积较棱镜型传感器小而易于集成化，稳定性和灵活性好，光源可以为白色光源，但是其灵敏度低、对光源入射角的控制较难、理论分析难度大，且制作工艺复杂，因此无法规模化生产。目前市面上已有不少商用仪器投入到科研与医药事业中，如BIACORE系列产品，但其价格非常昂贵，往往高达几十万美元，因此人们迫切寻求更具有商业价值的SPR传感器。

2005年，美国亚利桑那州立大学的Soame Banerji等人在国际期刊OpticsLetters上发表的文章指出，利用基于光纤的SPR双传感通道的传感器可实现高灵敏度的测量，但该SPR传感装置是需要在镀了金膜的传感区上镀厚度严格为100nm的聚合物层，因此加工工艺和传感结构相对较为复杂。文献(Journal of Zhejiang Normal University，1011-5051，2018，41卷，40-45页)中介绍了一种基于SPR角度调制的Kretschmann棱镜型溶液折射率检测系统，将折射率的变化与共振角的改变对应起来，再经光电转换，实现溶液折射率的实时检测。但是由于采用了棱镜模型，导致体积大，不能微型化及规模化生产，且采用的是直接角度调制方式，测量精度并没有得到提高。

此外，申请号为200910071979.0的专利中介绍了一种棱镜式角度匹配表面等离子体谐振检测仪，使用了镜面与光学平台垂直、在光学平台上的投影为一维椭圆形的一部分的椭面反射镜，将半柱形棱镜的圆心和光电探测器分别置于椭面反射镜的两个焦点上。椭面反射镜取代了传统检测仪中光电探测器的角度机械跟随转动装置，提高了检测仪工作环境的稳定性，但半柱形棱镜的入射面与转动平台平行，通过改变入射角直接调制SPR共振激发角，使得共振角的测量精度没得到提高。申请号为201010034270.6的发明专利提出一种表面等离子共振传感器芯片组件及柱面棱镜芯片，具有一体化的柱面棱镜芯片、流池和流池盖，大幅提高了SPR传感器检测效率，但是由于采用了棱镜作为组件，体积大，限制其应用范围。