一种基于扫描振镜的角度调制型SPR传感器及SPR检测设备的制作方法

一种基于扫描振镜的角度调制型spr传感器及spr检测设备
技术领域
1.本实用新型涉及传感器研究领域，特别是一种基于扫描振镜的角度调制型spr传感器及 spr检测设备。


背景技术：

2.表面等离子体共振(surface plasmons resonance，spr)是一种物理光学现象，是用于表征表面折射率系数改变的一种光学技术，利用spr技术可以实时观测分子之间的相互作用、薄膜形成等表面现象。表面等离子体(sp)指的是沿着金属和电介质间表面传播的电磁波。当两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜时，由全反射产生的倏逝波的p偏振分量进入金属薄膜，与金属薄膜中自由电子相互作用从而产生表面等离子体，在入射角或波长为某一适当值的情况下，表面等离子体与倏逝波发生共振，光能被吸收，使得反射光能量急剧下降。
3.spr检测技术作为一种高精度、免标记、可实时响应的检测手段，已经被广泛应用于生命科学、生物学、药物学、分析化学等研究领域。由于spr检测技术具有能够实时检测生物分子间相互作用、方便快捷、分辨率高于传统方法、无需标记样品、样品需要量少等特点， spr检测技术广泛应用于蛋白质组学、细胞信号传导、受体/配体、抗体/抗原分子垂钓、免疫识别、癌症研究和新药筛选等生命科学领域，用于实时动态监测蛋白质/蛋白质、蛋白质/核酸、新药分子/靶蛋白等生物分子的相互作用过程。
4.从传感器结构上讲spr传感器有三种耦合方式，分别是棱镜耦合、光纤耦合和光栅耦合，其中基于棱镜耦合方式的kretschmann传感器结构由于具有制作简单、使用方便、传感芯片容易制备等优点，因此被广泛采用，从检测方式上讲spr传感器有四种调制类型，分别是角度调制、波长调制、相位调制和强度调试，其中角度调制的检测方式由于具有光学结构简单、易于实现、检测灵敏度高等优点，被广泛采用。角度调制的原理是通过改变入射光与法线之间的角度并测量不同角度下对应的光强，可以得到一条角度扫描曲线，角度扫描曲线中光强最低点对应的角度称为spr共振角，这个spr共振角的大小与被测样品表面折射率系数的变化成正比。
5.在一些现有技术中，表面等离子共振传感器采用机械扫描方式进行调制，通过各个部件的相对运动改变光路的角度，从而获得角度扫描曲线。机械扫描方式的缺点是角度分辨率不高，且扫描速度比较慢，不利于快速、实时检测。现有技术中表面等离子共振传感器还采用振镜扫描方式进行调制，振镜扫描方式是通过振镜作为角度驱动单元，通过振镜的旋转实现一定角度范围的扫描，振镜扫描方式能够提高角度分辨率以及角度扫描的范围，但是现有的振镜扫描方式的测量精度较低。


技术实现要素：

6.本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型提出一种基于扫描振镜的角度调制型spr传感器及spr检测设备，基于扫描振镜的角度调制型
spr 传感器能够提高测量精度。
7.根据本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器，包括发射模块、调制模块、检测模块、接收模块，所述发射模块包括光源，所述发射模块用于产生检测光，检测光为水平偏振状态的准直光束，所述调制模块包括扫描振镜、第一准直透镜、聚焦透镜，所述扫描振镜用于反射检测光，所述检测模块包括检测池、金属层、棱镜，所述金属层设置在所述检测池上，样品放置在所述金属层和所述检测池之间，所述棱镜设置在所述金属层上，所述接收模块包括接收器、第二准直透镜，检测光依次通过所述扫描振镜、所述第一准直透镜、所述聚焦透镜、所述检测模块、所述第二准直透镜进入所述接收器。
8.根据本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器，至少具有如下技术效果：通过采用扫描振镜进行角度调制，扫描振镜使检测光以不同的入射角度射入检测模块并最终射入接收器的不同位置，检测光射入接收器的位置能够用于扫描振镜的反馈调节，从而提高入射角度的控制精度，进而提高信号测量精度。
9.根据本实用新型的一些实施例，所述接收器采用线阵探测器。
10.根据本实用新型的一些实施例，所述调制模块包括第一调节透镜，所述第一调节透镜设置在所述第一准直透镜和所述聚焦透镜之间，所述第一调节透镜用于调节检测光射入检测模块的位置。
11.根据本实用新型的一些实施例，所述接收模块包括第二调节透镜，所述第二调节透镜设置在所述接收器和所述第二准直透镜之间，所述第二调节透镜用于调节检测光射入所述接收器的位置。
12.根据本实用新型的一些实施例，所述接收模块包括衰减片，检测光穿过所述衰减片射入所述接收器，所述衰减片用于调节检测光的强度。
13.根据本实用新型的一些实施例，基于扫描振镜的角度调制型spr传感器包括基座，基于扫描振镜的角度调制型spr传感器包括设置在所述基座上的第一角度调节模块和/或第二角度调节模块，所述第一角度调节模块用于调节检测光射入所述检测模块的角度，所述第二角度调节模块用于调节检测光射出所述检测模块的角度。
14.根据本实用新型的一些实施例，基于扫描振镜的角度调制型spr传感器包括所述第一角度调节模块，所述第一角度调节模块包括第一调节块，所述第一调节块可移动地设置在所述基座上，所述基座上铰接有第一支撑座，所述第一支撑座上设置所述发射模块和所述调制模块，所述第一调节块与所述第一支撑座接触。
15.根据本实用新型的一些实施例，基于扫描振镜的角度调制型spr传感器包括所述第二角度调节模块，所述第二角度调节模块包括第二调节块，所述第二调节块可移动地设置在所述基座上，所述基座上铰接有第二支撑座，所述第二支撑座上设置所述接收模块，所述第二调节块与所述第二支撑座接触。
16.根据本实用新型的一些实施例，所述光源采用激光器。
17.根据本实用新型提供的spr检测设备，包括本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器。
18.根据本实用新型提供的spr检测设备，至少具有如下技术效果：通过采用本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器，使用扫描振镜进行角度调制，并通过反馈调节控制扫描振镜的姿态，能够提高spr检测设备的信号测量精度。
附图说明
19.本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
20.图1是根据本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器的光路示意图；
21.图2是根据本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器的轴测图；
22.图3是根据本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器的调节机构的示意图；
23.图4是根据本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器的剖面图。
24.附图标记：
25.光源11、偏振片12、
26.扫描振镜21、第一准直透镜22、聚焦透镜23、第一调节透镜24、第一内筒25、第一外筒26、散热片27、
27.检测池31、棱镜32、
28.接收器41、第二准直透镜42、第二调节透镜43、衰减片44、
29.基座51、第一调节块52、第一支撑座53、第二调节块54、第二支撑座55。
具体实施方式
30.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
31.在本实用新型的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
32.在本实用新型的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
33.本实用新型的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本实用新型中的具体含义。
34.根据本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器，包括发射模块、调制模块、检测模块、接收模块，发射模块包括光源11，发射模块用于产生检测光，检测光为水平偏振状态的准直光束，调制模块包括扫描振镜21、第一准直透镜22、聚焦透镜23，扫描振镜21用于反射检测光，检测模块包括检测池31、金属层、棱镜32，金属层设置在检测池31 上，棱镜32设置在金属层上，接收模块包括接收器41、第二准直透镜42，检测光依次通过扫描振镜21、第一准直透镜22、聚焦透镜23、检测模块、第二准直透镜42进入接收器41。
35.使用时，通过改变扫描振镜21的角度，能够调节检测光射入检测模块的角度，检测光射入接收器41形成用于成像的光斑。以不同入射角进入检测模块的检测光最终会照射在接收器 41的不同位置，扫描振镜21的角度、检测光的入射角、光斑的位置之间存在对应关系。
36.在现有技术中，例如申请号为201710604351.7的实用新型专利申请中，接收器41的光斑位置无法反映扫描振镜21的角度，扫描振镜21的角度控制没有设置反馈调节，因此会降低入射角的控制精度，在绘制角度扫描曲线时，入射角与光强的对应关系也可能存在误差。
37.根据本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器，通过具体的光路设计，在检测光的入射角和光斑位置之间建立对应关系，检测光射入接收器的位置能够用于扫描振镜21的反馈调节，从而提高入射角度的控制精度，进而提高信号测量精度。
38.扫描振镜21在反射检测光时，可能会使原先的准直光束发射，第一准直透镜22、第二准直透镜42能够使发散光变为平行光，提高检测光在接收器41上的成像质量，提高信号测量精度。
39.检测模块可以采用kretschmann传感器结构，样品放置在金属层和检测池31之间。偏振的检测光通过棱镜32照射到金属层上，通过改变入射光的入射角激发表面等离子共振现象。棱镜32可以采用半圆柱形棱镜或者等腰三角形棱镜，例如在一些实施例中，如图1所示，棱镜32采用半圆柱形棱镜，半圆柱形棱镜能够使检测光垂直地入射和出射，避免检测光在棱镜 32表面的折射。在一些实施例中，金属层的厚度为50nm，金属层和棱镜32之间通过匹配液耦合在一起，匹配液能够填补接触面的缝隙，提高基于扫描振镜的角度调制型spr传感器的精确度。在一些实施例中，金属层和检测池31之间通过密封件进行密封，能够起到保护样品的作用，当样品是液态时还能够避免泄漏。
40.根据本实用新型的一些实施例，接收器41采用线阵探测器。线阵探测器可以是线阵ccd (charge
‑
coupled device，电荷耦合器件)或者光电二极管阵列。线阵探测器的成像区域是一条窄线，相比于面阵探测器，线阵探测器能够降低接收器41的成本，并且还能够提高检测速度。
41.根据本实用新型的一些实施例，调制模块包括第一调节透镜24，第一调节透镜24设置在第一准直透镜22和聚焦透镜23之间，第一调节透镜24用于调节检测光射入检测模块的位置。通过调节第一调节透镜24的位置，能够检测光射入金属层的位置，使得检测光照射在棱镜32的对称中心。这样能够减小检测光进入和离开棱镜32时的折射现象。例如如图3所示，第一准直透镜22设置在可活动的第一内筒25中，第一内筒25插设在第一外筒26上，第一内筒25和第一外筒26之间配置设置有滑柱和滑槽，滑柱沿滑槽移动，带动第一内筒25和第一外筒26发生相对运动，使第一准直透镜22的位置发生移动，从而能够调节第一准直透镜 22和第一调节透镜24之间的相对位置关系。
42.根据本实用新型的一些实施例，接收模块包括第二调节透镜43，第二调节透镜43设置在接收器41和第二准直透镜42之间，第二调节透镜43用于调节检测光射入接收器41的位置。通过调节第二调节透镜43，能够避免光斑超出接收器41的成像范围，保证基于扫描振镜的角度调制型spr传感器正常工作。
43.在一些实施例中，接收模块包括衰减片44，检测光穿过衰减片44射入接收器41，衰
减片44用于调节检测光的强度。衰减片44能够按比例减小检测光的强度，从而能够将检测光的最高强度限制在接收器41的检测范围内，同时不会影响到角度扫描曲线的准确性。例如如图1所示，在一些实施例中，衰减片44设置在接收器41和第二调节透镜43之间。当然，衰减片44也可以设置在接收模块的其它位置。
44.根据本实用新型的一些实施例，基于扫描振镜的角度调制型spr传感器包括基座51，基于扫描振镜的角度调制型spr传感器包括设置在基座51上的第一角度调节模块和/或第二角度调节模块，第一角度调节模块用于调节检测光射入检测模块的角度，第二角度调节模块用于调节检测光射出检测模块的角度。第一角度调节模块和/或第二角度调节模块能够调节角度，使光路顺畅，保证光源11发出的检测光在进入检测模块后顺利地射入接收模块，进入接收器41。此外，第一角度调节模块和第二角度调节模块共同作用，还能够调节角度扫描的范围，增大基于扫描振镜的角度调制型spr传感器的扫描区间。
45.在一些实施例中，第一角度调节模块包括第一调节块52，第一调节块52可移动地设置在基座51上，基座51上铰接有第一支撑座53，第一支撑座53上设置发射模块和调制模块，第一调节块52与第一支撑座53接触。在一些实施例中，第二角度调节模块包括第二调节块 54，第二调节块54可移动地设置在基座51上，基座51上铰接有第二支撑座55，第二支撑座55上设置接收模块，第二调节块54与第二支撑座55接触。
46.例如如图2、图3、图4所示，基于扫描振镜的角度调制型spr传感器包括第一角度调节模块和第二角度调节模块，基座51上设置有第一导槽和第二导槽，第一调节块52能够沿第一导槽左右移动，第一调节块52托住第一支撑座53，第一调节块52的移动能够改变第一支撑座53与基座51的夹角，从而调节检测光射入检测模块的角度，第二调节块54能够沿第二导槽左右移动，第二调节块54托住第二支撑座55，第二调节块54能够改变第二支撑座55 与基座51的夹角，从而调节检测光射出检测模块的角度。
47.当然，还可以采用其它的具体方式设置第一角度调节模块和第二角度调节模块，并且除了纯机械结构，第一角度调节模块和第二角度调节模块也可以采用电机、液压驱动的方式实现角度调节。
48.根据本实用新型的一些实施例，光源11采用激光器。在一些实施例中，发射模块还包括偏振片12。激光器是单色波长光源，波长范围一般在可见光波段到红外波段之间，激光器可以采用半导体激光器，激光器发出的检测光发散角很小，可以认为是一束准直光束，检测光经过偏振片12照射到扫描振镜21上。
49.根据本实用新型提供的spr检测设备，包括本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器。
50.根据本实用新型提供的spr检测设备，通过采用本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器，使用扫描振镜21进行角度调制，并通过反馈调节控制扫描振镜21的姿态，能够提高spr检测设备的信号测量精度。
51.下面参考图1、图2、图3、图4以一个具体的实施例详细描述根据本实用新型提供的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对实用新型的具体限制。
52.基于扫描振镜的角度调制型spr传感器包括发射模块、调制模块、检测模块、接收模块、第一角度调节模块、第二角度调节模块、基座51。发射模块、调制模块、检测模块、接收
模块、第一角度调节模块、第二角度调节模块设置在基座51上。
53.第一角度调节模块包括第一调节块52，基座51上设置有第一导槽，第一调节块52设置在第一导槽上，第一调节块52能够沿第一导槽左右移动，基座51上铰接有第一支撑座53，第一支撑座53上设置发射模块和调制模块，第一调节块52托住第一支撑座53，第一调节块 52的移动能够改变第一支撑座53与基座51的夹角。
54.第二角度调节模块包括第二调节块54，基座51上设置有第二导槽，第二调节块54设置在第二导槽上，第二调节块54能够沿第二导槽左右移动，基座51上铰接有第二支撑座55，第二支撑座55上设置接收模块，第二调节块54托住第二支撑座55，第二调节块54能够改变第二支撑座55与基座51的夹角。
55.发射模块包括光源11、偏振片12，光源11采用激光器，发射模块用于产生检测光。检测光经过偏振片12进入调制模块。
56.调制模块包括扫描振镜21、第一准直透镜22、聚焦透镜23、第一调节透镜24，发射模块发出的检测光扫描振镜21、第一准直透镜22、第一调节透镜24、聚焦透镜23进入检测模块。第一调节透镜24用于调节检测光射入检测模块的位置。调制模块包括第一内筒25、第一外筒26，第一准直透镜22设置在可活动的第一内筒25中，第一内筒25插设在第一外筒 26上，第一内筒25和第一外筒26之间配置设置有滑柱和滑槽，滑柱沿滑槽移动，带动第一内筒25和第一外筒26发生相对运动，使第一准直透镜22的位置发生移动，从而能够调节第一准直透镜22和第一调节透镜24之间的相对位置关系。调制模块还包括散热片27，散热片 27设置在扫描振镜21的外壳体上。
57.检测模块包括检测池31、金属层、棱镜32，金属层设置在检测池31上，金属层的厚度为50nm，样品放置在金属层和检测池31之间，棱镜32采用半圆柱形棱镜，棱镜32设置在金属层上，金属层和棱镜32之间通过匹配液耦合在一起。检测光通过棱镜32照射到金属层 32的表面，检测光被金属层32反射，检测光通过棱镜进入接收模块。
58.接收模块包括接收器41、第二准直透镜42、第二调节透镜43、衰减片44，来自检测模块的检测光依次通过第二准直透镜42、第二调节透镜43、衰减片44进入接收器41。第二调节透镜43用于调节检测光射入接收器41的位置。接收器41采用线阵ccd。
59.根据本实用新型实施例的基于扫描振镜的角度调制型spr传感器，通过采用以上的设计，至少可以实现这样一些功能：通过具体的光路设计，在检测光的入射角和光斑位置之间建立对应关系，检测光射入接收器的位置能够用于扫描振镜21的反馈调节，从而提高入射角度的控制精度，进而提高信号测量精度。
60.线阵ccd能够降低接收器41的成本，并且还能够提高检测速度。衰减片44能够按比例减小检测光的强度，从而能够将检测光的最高强度限制在接收器41的检测范围内，同时不会影响到角度扫描曲线的准确性。
61.第一准直透镜22、第二准直透镜42能够使发散光变为平行光，提高检测光在接收器41 上的成像质量，提高信号测量精度。
62.半圆柱形棱镜能够使检测光垂直地入射和出射，避免检测光在棱镜32表面的折射。
63.通过调节第一调节透镜24的位置，能够检测光射入金属层的位置，使得检测光照射在棱镜32的对称中心。这样能够减小检测光进入和离开棱镜32时的反射现象。通过调节
第二调节透镜43，能够避免光斑超出接收器41的成像范围，保证基于扫描振镜的角度调制型spr 传感器正常工作。
64.第一角度调节模块和/或第二角度调节模块能够调节角度，使光路顺畅，保证光源11发出的检测光在进入检测模块后顺利地射入接收模块，进入接收器41。此外，第一角度调节模块和第二角度调节模块共同作用，还能够调节角度扫描的范围，增大基于扫描振镜的角度调制型spr传感器的扫描区间。
65.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
66.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。