[发明专利]一种频域量子弱测量生物分子传感器及其测量方法

权利要求书

1.一种频域量子弱测量生物分子传感器，其特征在于，包括发光装置、偏振态制备装置、棱镜、偏振态选择装置、光谱分频装置和光电探测元件，被测样品与所述棱镜的反射表面接触，由所述发光装置发出的光束经所述偏振态制备装置变成偏振光，所述偏振光入射到所述棱镜的反射表面，经棱镜-样品界面全内反射产生相位差，经过所述偏振态选择装置对偏振态进行选择，经所述光谱分频装置后被分离为不同频率区间的光束，再被所述光电探测元件分别接收并通过计算光强差值的方式获得样品折射率测量结果；其中，偏振光入射到棱镜内表面的入射角与样品介质表面产生倏逝波，通过对入射光频谱和偏振状态的选择，由频域的分离来测量倏逝波带来的相位差，得到高精度的相位或旋光角度测量结果，并利用量子弱测量的弱值放大效应，测定棱镜表面的样品分子的浓度和/或实现生化反应过程的监控；

记录通过光电探测元件测量的不同频段光束的光强I_γ；

从棱镜反射出的反射光束水平偏振方向H和竖直偏振方向V的偏振分量产生的相位差为：

其中，θ是入射到样品界面光束的入射角，n代表棱镜与样品的折射率比值；

偏振态选择装置前后的偏振态为：

其中α＝Δ+δ，δ为偏振态选择装置对光束的补偿相位，β为偏振态选择装置光轴与偏振态制备装置正交方向之间的微小差异；

经偏振态选择装置后不同波长下的光束能量密度为：

其中

通过测量出射光不同频率的光强差后，得到样品的折射率；

当仅将光谱分离为高频和低频时，光强差为：

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述偏振态制备装置和所述偏振态选择装置的偏振片光轴之间的夹角为90°±β或±β，β≤5°。

3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述偏振态制备装置的光轴与水平面所成夹角满足大于0且小于20°。

4.如权利要求1至2任一项所述的传感器，其特征在于，所述偏振态制备装置将入射到所述偏振态制备装置的光束调整为线偏振光或近似椭圆偏振光，所述偏振态选择装置使从所述棱镜反射出的光束偏振态与所述偏振态选择装置设定的偏振态接近正交，从而将入射到所述偏振态选择装置的椭圆偏振光或圆偏振光调整为近似线偏振光。

5.如权利要求1至2任一项所述的传感器，其特征在于，所述偏振态制备装置为偏振器或者偏振器与相位补偿系统的组合；所述偏振态选择装置为偏振器或者相位补偿系统与偏振器的组合；所述偏振器为格兰激光偏振棱镜或偏振分光镜或偏振衰减片，所述相位补偿系统为相位补偿器或相位延迟波片。

6.如权利要求1至2任一项所述的传感器，其特征在于，所述发光装置包括光源发生器以及设置于所述光源发生器出射光路上的能量调节器，所述能量调节器用于对由所述光源发生器发出的光束能量进行调节；还包括设置于光源发生器出射光路上的滤光片；所述光源发生器为激光器、激光二极管、超辐射发光二极管、发光二极管、白光发生器或量子光源发生器；所述能量调节器为二分之一波片、四分之一波片、高斯滤波片或中性衰减片，对于二分之一波片和四分之一波片，通过调节其光轴方向与入射光偏振方向的夹角实现对光能量的调节。

7.如权利要求1至2任一项所述的传感器，其特征在于，所述棱镜为三棱镜、四棱镜或五棱镜，所述光谱分频装置为二向色镜或带通偏振片与分光棱镜的组合装置，所述光电探测元件为电荷耦合器件CCD、互补金属氧化物半导体图像传感器、光谱仪或光电倍增管。

8.如权利要求1至2任一项所述的传感器，其特征在于，还包括流道和流道耦合元件，所述棱镜的反射表面处通过所述流道耦合元件安装有所述流道，液体和气体的待测样品在所述流道中与所述棱镜的反射表面接触。

9.如权利要求1至2任一项所述的传感器，其特征在于，还包括棱镜更换装置，其以凹槽或夹持的方式固定所述棱镜，以在进行生化反应检测时按需更换所述棱镜，并进行棱镜位置的微调。

10.一种频域量子弱测量生物分子的方法，其特征在于，包括使用如权利要求1至9任一项所述的传感器进行测量，具体包括：

记录通过光电探测元件测量的不同频段光束的光强I_γ；

计算从棱镜反射出的反射光束水平偏振方向H和竖直偏振方向V的偏振分量产生的相位差：

其中，θ是入射到样品界面光束的入射角，n代表棱镜与样品的折射率比值；

计算偏振态选择装置前后的偏振态为：

其中α＝Δ+δ，δ为偏振态选择装置对光束的补偿相位，β为偏振态选择装置光轴与偏振态制备装置正交方向之间的微小差异；

计算经偏振态选择装置后不同波长下的光束能量密度为：

其中

通过测量出射光不同频率的光强差后，计算得到样品的折射率；

当仅将光谱分离为高频和低频时，光强差为：