本發(fā)明屬于光學技術領域，具體涉及一種柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置。

背景技術：

表面等離子共振技術，英文簡寫SPR，是從20世紀90年代發(fā)展起來的一種新技術，德國科學家Otto和Kretchmann分別獨立發(fā)明了用可見光激發(fā)表面等離子體的方法，瑞典科學家Liedberg將這一技術用于生物大分子相互作用的檢測，表面等離子體共振傳感技術迅速發(fā)展，發(fā)展成為十分有用的檢測技術，廣泛應用于環(huán)境檢測、食品安全、生命醫(yī)藥、醫(yī)學診斷、生物醫(yī)學、安防、刑偵、質檢等各個領域。諸多領域對檢測性能要求越來越高，具有高檢測性能的表面等離子體共振傳感裝置成為痕量物質測量與分析技術發(fā)展熱點之一。

中國發(fā)明專利(申請?zhí)枮镃N200510108184.4)公開了一種角度掃描表面等離子體共振測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)包括提供光束的光源、在偏轉角范圍內(nèi)偏轉光束來提供已偏轉光束的光束偏轉器以及將已偏轉光束映射到入射光束的成像望遠鏡。另外，在現(xiàn)有市場上，還存在已經(jīng)商品化的表面等離子體共振分析儀，包括BioCore系列產(chǎn)品和SPR-Navi系列產(chǎn)品。盡管上述的角度掃描表面等離子體共振測量系統(tǒng)和表面等離子體共振分析儀具有一定優(yōu)點，但是，上述的測量系統(tǒng)和表面等離子體共振分析儀在技術上還存在許多不足，具體如下：(1)測量原理采用角度掃描原理進行測量，存在機械運動部件和用于調(diào)控角度掃描的部件，影響測量系統(tǒng)可靠性，并且無法實現(xiàn)很好的測量一致性。(2)測量基于光束與金屬層相互作用的表面等離子體共振效應，未考慮到光束矢量特性，原理上限制檢測分析靈敏度。(3)測量中光場與物質作用區(qū)域的作用機理行為類似，無法實現(xiàn)區(qū)域面測量。(4)檢測區(qū)域內(nèi)無法實現(xiàn)信息差異化處理，影響檢測靈敏度和一致性。(5)測量系統(tǒng)結構以及測量分析與控制復雜，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，影響系統(tǒng)測量性能和應用拓展。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種無機械運動部件、系統(tǒng)結構簡單、靈敏度高、一致性高、可實現(xiàn)區(qū)域測量、系統(tǒng)穩(wěn)定性高以及功能易于拓展的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置。

本發(fā)明采用的技術方案如下：

本發(fā)明提供了一種柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置，用于檢測被測樣品的物質信息，其特征在于，包括：柱矢量光束激發(fā)單元，包含依次光路連接的用于發(fā)射光束的光源、用于對光束進行整形的光束整形器、用于將整形后的光束轉換為柱矢量光束的偏振轉換部件以及用于將柱矢量光束調(diào)制成激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束的空間光調(diào)制器；表面等離子體共振傳感單元，用于接收激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束，包含橫截面為直角三角形的柱形棱鏡以及設置在直角三角形斜邊底面上的雙層結構，激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束從直角三角形的第一直角邊平面垂直入射，在直角三角形的斜邊的平面全反射后，從直角三角形的第二直角邊平面垂直出射，得到具有被測樣品的信息光場的光束；光處理單元，用于接收被測樣品的信息光場的光束并進行處理，包含光路連接的偏振濾光器、色散光學元件以及面陣光電傳感器；以及數(shù)據(jù)分析單元，與面陣光電傳感器連接，用于對處理后的被測樣品的信息光場的光束進行分析，得到被測樣品的物質信息，其中，雙層結構包含設置在三角形的斜邊的平面上的微納結構層和設置在微納結構層的外表面的金屬層。

在本發(fā)明提供的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，物質信息為折射率、濃度以及分子間作用力。

在本發(fā)明提供的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，光源為寬波段非相干光源或寬波段激光光源。

在本發(fā)明提供的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，光束整形器為準直擴束鏡組、準直鏡以及微納光束整形器中的任意一種。

在本發(fā)明提供的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，空間光調(diào)制器為振幅型空間光調(diào)制器、相位型空間光調(diào)制器、偏振性空間光調(diào)制器以及復合型空間光調(diào)制器中的任意一種。

在本發(fā)明提供的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，微納結構層為球面微納結構陣列、自由曲面微納結構陣列、多面錐體微納結構陣列以及微納米柱陣列中的任意一種。

在本發(fā)明提供的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，色散光學元件為透過光柵、反射光柵、中階梯光柵以及分布式光譜濾光陣列中的任意一種。

在本發(fā)明提供的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，面陣光電傳感器為面陣電荷耦合器、面陣COMS器以及光學微通道傳感器中的任意一種。

在本發(fā)明提供的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置中，還可以具有這樣的特征：其中，金屬層為金薄膜。

發(fā)明的作用與效果

根據(jù)本發(fā)明所涉及的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置，因為柱矢量光束激發(fā)單元能夠將光束轉換為激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束，放有被測樣品的表面等離子體共振傳感單元對激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束進行全反射后得到具有被測樣品的信息光場的光束，光處理單元對被測樣品的信息光場的光束進行處理，最后數(shù)據(jù)分析單元對處理后的被測樣品的信息光場的光束進行分析，得到被測樣品的物質信息。所以，本發(fā)明的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置具有結構簡單、穩(wěn)定性高、靈敏度高、一致性高、無機械運動部件以及功能易于拓展等優(yōu)點。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的實施例一中柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，以下實施例結合附圖對本發(fā)明的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置作具體闡述。

圖1是本發(fā)明的實施例一中柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置的結構示意圖。

如圖1所示，在本實施例中，柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置100用來檢測大分子蛋白物質的折射率、濃度以及分子間作用力等參數(shù)，它包括柱矢量光束激發(fā)單元10、表面等離子體共振傳感單元20、光處理單元30以及數(shù)據(jù)分析單元40。

柱矢量光束激發(fā)單元10用來將光束轉換為激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束，它包括依次光路連接的光源11、光束整形器12、偏振轉換部件13以及空間光調(diào)制器14。

光源11用來發(fā)射光束，在本實施例中，光源11為寬波段非相干光源，采用寬波段鎢燈光源11。此外，光源11還可以為寬波段激光光源。

光束整形器12用來對寬波段鎢燈光源11發(fā)射出來的光束進行整形，在本實施例中，光束整形器12為準直括束鏡組12。此外，光束整形器12還可以采用準直鏡或微納光束整形器。

偏振轉換部件13用來將整形后的光束轉換為柱矢量光束，在本實施例中，偏振轉換部件13為反射式矢量光束轉換元件13。此外，偏振轉換部件13還可以采用折射式光束轉換元件或微納結構矢量光束轉換元件。

空間光調(diào)制器14用來將柱矢量光束調(diào)制成激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束，在本實施例中，空間光調(diào)制器14為相位型空間光調(diào)制器14。此外，空間光調(diào)制器14還可采用振幅型空間光調(diào)制器或復合型空間光調(diào)制器。

表面等離子體共振傳感單元20用來接收激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束，它包含柱形棱鏡21和雙層結構22。

柱形棱鏡21的橫截面為直角三角形，激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束從直角三角形的一條直角邊所在的平面垂直入射，在該直角三角形的斜邊所在的平面的底部進行全反射后，從該直角三角形的另外一條直角邊所在的平面出射。雙層結構22設置在橫截面為直角三角形的柱形棱鏡21的斜邊所在的平面上，它包含覆蓋在斜邊所在的平面上的微納結構層221和覆蓋在微納結構層221上的金屬層222，微納結構層221和金屬層222構成傳感區(qū)域，被檢測的大分子蛋白物質放置在金屬層222上，激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束在與大分子蛋白位置具有共振波長時，在傳感區(qū)域上發(fā)生等離子體共振，形成共振吸收峰，共振吸收峰的幅值和共振波長與傳感區(qū)域附近的物質特性有關。在本實施例中，微納結構層221為球面微納結構陣列，金屬層222為厚度為50nm的金薄膜222。此外，微納結構層221還可以為自由曲面微納結構陣列、多面錐體微納結構陣列以及微納米柱陣列中任意一種。

光處理單元30用來接收大分子蛋白物質的信息光場的光束，它包含光路連接的偏振濾光器31、色散光學元件32以及面陣光電傳感器33。

偏振濾光器31用來接收從直角三角形的另外一條直角邊所在的平面出射的信息光場的光束并進行濾光，在本實施例中，偏振濾光器31為高分子材料偏振濾光器31。此外，偏振濾光器31還可以采用液晶偏振濾光器、二項色性材料偏振濾光器、棱鏡偏振濾光器以及柵形結構偏振濾光器中的任意一種。

色散光學元件32用來對濾光后的帶有信息光場的光束進行處理，并發(fā)生色散，在本實施例中，色散光學元件32為透過光柵32。此外，色散光學元件32還可以為反射光柵、中階梯光柵以及分布式光譜濾光陣列中的任意一種。

面陣光電傳感器33與透過光柵32連接，它用來接收透過光柵32處理后的光場得到光場信息，在本實施例中，面陣光電傳感器33為面陣COMS器33。此外，面陣光電傳感器33還可以為面陣電荷耦合器或光學微通道傳感器。

數(shù)據(jù)分析單元40與面陣COMS器33通過數(shù)據(jù)線連接，它用來對面陣COMS器33得到的光場信息進行分析，得到大分子蛋白物質的折射率、濃度以及分子間作用力等物質信息。在本實施例中，數(shù)據(jù)分析單元40為計算機40。

本實施例所涉及的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置100的工作過程如下：

首先，將被檢測的大分子蛋白物質放置在金薄膜上；然后，寬波段鎢燈光源11發(fā)射出光束，準直括束鏡組12對光束進行整形，反射式矢量光束轉換部件13將整形后的光束轉換成柱矢量光束，相位型空間光調(diào)制器14將柱矢量光束調(diào)制成激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束；進一步，激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束在柱形棱鏡21的一條直角邊所在的平面垂直入射，經(jīng)過在斜邊全反射，激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束與大分子蛋白物質在具有微納結構層221和金薄膜222的傳感區(qū)域發(fā)生相互作用，得到具有信息光場的光束，具有信息光場的光束從柱形棱鏡21的另一條直角邊所在的平面垂直出射，具有信息光場的光束經(jīng)過高分子材料偏振濾光器31濾光，再經(jīng)過透過光柵32進行色散，面陣COMS器33進行接收色散后的光場得到光場信息，最后，經(jīng)過計算機40分析后得到大分子蛋白物質的折射率、濃度以及分子間作用力等物質信息。

實施例的作用與效果

根據(jù)本實施例所涉及的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置，因為柱矢量光束激發(fā)單元能夠將光束轉換為激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束，放有大分子蛋白物質的表面等離子體共振傳感單元對激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束進行全反射后得到具有大分子蛋白物質的信息光場的光束，光處理單元對大分子蛋白物質的信息光場的光束進行處理，最后計算機對處理后的大分子蛋白物質的信息光場的光束進行分析，得到大分子蛋白物質的物質信息。所以，本實施例的柱矢量光束激發(fā)表面等離子體共振傳感裝置具有結構簡單、穩(wěn)定性高、靈敏度高、一致性高、無機械運動部件以及功能易于拓展等優(yōu)點。

此外，本實施例振幅型空間光調(diào)制器能夠將柱矢量光束調(diào)制成激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束，激發(fā)狀態(tài)的柱矢量光束在傳感區(qū)域與被測物質相互作用，由于不同區(qū)域偏振態(tài)具有差異性，并且結合球面微納結構陣列微觀上的矢量光場偏振特性，在不同區(qū)域實現(xiàn)了矢量光場區(qū)域偏振激發(fā)表面等離子體共振，在不同測量點實現(xiàn)檢測，并且不受大分子蛋白物質和區(qū)域位置的限制，因此實現(xiàn)了區(qū)域面測量。

上述實施方式為本發(fā)明的優(yōu)選案例，并不用來限制本發(fā)明的保護范圍。