[发明专利]多波长可调式表面等离子体共振成像装置及其应用

说明书

本发明设计了一种多波段可调式表面等离子体共振成像装置及其应用，将具有宽带光谱的LED光源发出的光束使用线性滤光片进行滤光成单色光束，再通过准直镜和偏振片，形成p偏振光源，投射到SPR发生装置上，该装置的出射光束由CCD相机进行成像；还可以使用移动平台控制线性滤光片对光源波长进行线性调节，可以获得多波段入射光进行SPR成像，可以对芯片表面所有区域同时进行波段扫描来获得每个区域的共振谱图，以及在保证SPRI成像不发生畸变的条件下，对传感芯片表面每个区域的环境变化所产生的共振谱偏移量进行精确测量。使用该方法，能够使得芯片表面所有区域数据达到最佳灵敏度条件和提高仪器检测的动态范围与灵敏度。

技术领域

本发明属于仪器设备领域，具体涉及一种Kretschmann型SPR成像装置及方法。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)现象是一种物理现象，是指金属表面存在的自由振动电子在一定条件下被光激发，吸收光的能力发生共振的物理光学过程。

当光线从光密介质投射到光疏介质，在入射角大于某个特定的角度(临界角)时，会发生全反射现象。入射光和介质表面法线构成入射面，入射光波的电场可分解成两个相互正交的偏振光分量，一个为在入射面内的横磁波，将其称为TM波或p偏振波；另一个为垂直于入射面，与界面平行的横电波，将其称为TE波或s偏振波。入射光一部分发生反射形成反射光，另一部分则穿透金属表面形成折射波，沿着垂直于界面的方向按指数衰减，又称为消逝波(Evanescent wave)。消逝波在光疏介质中其有效穿透深度一般为200～300nm。其衰减的物理原因是金属内存在自由电子，在电磁波的作用下导致金属内部出现诱导电流，产生了焦耳热，消耗了电磁波的能量，因而波的振幅减弱。消逝波的衰减方向总是与界面垂直，而与入射光的方向无关，但是它的穿透深度与入射光的方向相关。

如果在两种介质之间存在几十纳米的金属薄膜(一般为50nm左右的金/银膜)，那么全反射时产生的消逝波的p偏振波将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子耦合，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波(Surface Plasmon Wave,SPW)。而s偏振光由于与界面平行，因此不会激发产生表面等离子体。当入射光的角度或波长到某一特定值时，入射光的大部分会转换成表面等离子体波的能量，从而使反射光能量大大降低，在反射光谱上出现共振吸收峰，此时入射光的角度或者波长成为共振角或共振波长。

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感方法，因其具有无需标记、高灵敏度实时监测等特点，在生物和化学领域有广泛的应用。但是，随着基因阵列、蛋白阵列等生物阵列(即生物芯片)的广泛应用，对单个点折射率测量的传感器越来越不能满足研究的需求，需要有能够探测二维平面的高通量检测方法-即成像检测。而传统的利用SPR的成像方法，即SPM(Surface Plasmon Microscopy)，通过固定入射平行光束的波长与入射角度，直接检测整体芯片反射光强度成像，所成的图像灰度值与折射率的对应并不是线性关系，所以只能定性地说明折射率的变化；而且这种方法只能测量变化不大的折射率范围，超过这个范围，两个相同的折射率可能对应不同的灰度值；另外部分使用激光照明的这类装置，由于激光的强烈相干性，严重影响成像效果。