[发明专利]一种基于双椭圆反射镜的SPR传感器及应用

说明书

本发明提供了一种基于双椭圆反射镜的SPR传感器，包括第一椭圆反射镜、第二椭圆反射镜、光源、角度调制反射镜、金属薄膜以及光检测部件；所述光源用于发出光束并传输至角度调制反射镜，所述光束依次经过角度调制反射镜、第一椭圆反射镜后传输至金属薄膜，从所述金属薄膜反射的光束再经第二椭圆反射镜反射至光检测部件，所述光检测部件用于检测光强。本发明基于双椭圆反射镜的SPR传感器具有检测灵敏度高、精确度高、扫描角度范围大等优点。本发明还提供了基于双椭圆反射镜的SPR传感器在光学检测上的应用。

技术领域

本发明涉及SPR传感器技术领域，具体涉及一种基于双椭圆反射镜的SPR传感器和应用。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)检测是一种新兴的基于金属界面等离子体场效应的生物传感技术。在SPR检测过程中，需要入射光以不同角度入射在金属/绝缘体界面发生反射，当角度达到一定条件，发生全反射，从而激发金属界面的消逝波，并且在相应的反射角检测反射光强度，通过进行角度扫描，找到发生表面等离子体共振的共振角，在反射光检测中表现为该角度下反射光强的急剧减弱。

在SPR检测的光学系统中，需要通过入射光角度调制来实现全反射条件下的表面等离子体共振，以及需要相应的检测器角度调制来实现对不同角度下的反射光的采集。通常实现多角度的入射光发射和反射光采集都是通过机械式移动光源和检测器的办法，然而对于光学器件的移动容易导致测试结果不精确、仪器稳定性降低。

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)检测是一种新兴的基于金属界面等离子体场效应的生物传感技术，具有无需标记、高度灵敏、快捷简便的优势。SPR检测是通过探测目标样品吸附在芯片表面后引起的折射率变化而实现对目标样品的特异性、浓度、亲和力、动力学等性质进行表征的一种检测手段。当入射光线从棱镜进入金属表面时，在一定角度下会发生全反射，此时产生的沿界面传播的消逝波与金属表面自由电子发生共振，从而入射光线被大量吸收，反射光线强度大幅下降，此时的入射光角度称为SPR角。当金属表面的折射率发生变化时，SPR角会发生变化。金属表面吸附上目标样品，或者目标样品性质变化时，便会引起折射率的变化，从而在SPR谱图上表现为SPR角的位移。

传统的SPR系统布局是克莱舒曼(Kretschmann)布局，其总体结构示意图如图1所示：半球形棱镜1，金属薄膜2设置在棱镜1的底面上，从光源元件3出射的入射光从棱镜1的一侧射入，在一定角度下发生全反射，反射光从棱镜另一侧射出，由光检测元件4采集。光激发元件3与光检测元件4的光轴相交于半球形棱镜1的中心点处。在克莱舒曼布局中最关键的就是如何实现多角度入射光扫描和相应的多角度反射光采集。目前实现角度扫描最常用的方式是机械式扫描，也就是当进行光激发角度扫描时，光激发元件3与光检测元件4同时绕棱镜1的底面2的中心点进行相对或相反的转动。

在SPR技术中最关键的就是实现角度调制，并且需要同时实现入射光和相应反射光的角度调制。目前有两种实现角度调制的方式，一种是机械式扫描方法，如机械臂或者半圆形轨道扫描，光源元件和光检测元件同时随机械臂转动或者光源元件和光检测元件同时在半圆形轨道上转动以实现反射光多角度检测，这种方法的优点是可以实现较大角度范围扫描，检测器可以使用成本较低的光电池检测器，但主要缺点是由于机械结构的存在，设备机动部分过大，检测结果容易受到机械结构精度影响，长期使用下机械结构容易耗损而导致仪器稳定性和准确性降低。另一种是利用特殊光束入射，入射光为一束不平行的会聚光，比如片状光束(fan shaped beam)，以一定的小角度范围汇聚到敏感芯片上，经过反射后成为一束发散光，检测光束的光强随发散角的变化即可获得SPR的角度调制曲线，这种方法的优点是机械结构少，光源元件和光检测元件固定不动，不容易损耗，检测结果不受机械结构的精度影响，稳定性高，但是缺点是入射光的角度变化范围十分受限(30度左右)，且需要光电耦合器件(CCD)作为光检测元件，成本较高。由此可见，对于SPR技术来说，目前还未有技术能够同时实现固定系统组件位置和较大角度扫描范围。

发明内容