[發(fā)明專利]一種高精度表面等離子共振檢測(cè)方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010572238.3
• 申請(qǐng)日: 2010-12-03
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102103078A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭錚;曾勰;萬(wàn)育航
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/55
• 分類號(hào): G01N21/55
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感器及傳感技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明具體涉及實(shí)現(xiàn)表面等離子共振傳感的檢測(cè)方法以及相關(guān)信息處理方法。

背景技術(shù)

表面等離子共振(Surface?Plasmon?Resonance，SPR)是發(fā)生在金屬薄膜與電介質(zhì)分界面上的一種物理光學(xué)現(xiàn)象，自20世紀(jì)上半葉被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，因其無(wú)標(biāo)記、實(shí)時(shí)、無(wú)損傷檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用在傳感，特別是生物傳感領(lǐng)域。

SPR傳感系統(tǒng)包括光學(xué)系統(tǒng)、傳感結(jié)構(gòu)、探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等。光學(xué)系統(tǒng)中，光源輸出P偏振光通過(guò)一定光學(xué)元件耦合進(jìn)入傳感器。目前廣泛使用且最易實(shí)現(xiàn)的SPR耦合結(jié)構(gòu)是基于棱鏡耦合方式的Kretschman結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)包括三層：玻璃棱鏡-金屬層-待測(cè)溶液層。

當(dāng)P偏振的入射光以一定大于全反射角的角度射到棱鏡/金屬分界面時(shí)，在金屬薄膜中形成的倏逝波，與金屬表面自由電子發(fā)生表面等離子振蕩。當(dāng)表面等離子波波矢與入射光在金屬切向方向的波矢分量相等時(shí)，入射光能量耦合到表面等離子波，達(dá)到表面等離子共振，從而導(dǎo)致反射光能量顯著減少，且相位顯著變化。體現(xiàn)在觀測(cè)到的SPR信號(hào)中，反射光強(qiáng)度譜上由于光強(qiáng)急劇減小產(chǎn)生一個(gè)尖銳的共振吸收峰，且反射光波的相位也隨之產(chǎn)生跳變，此時(shí)對(duì)應(yīng)的入射光角度或波長(zhǎng)稱為共振角或共振波長(zhǎng)。由于SPR信號(hào)對(duì)金屬薄膜表面的待測(cè)溶液性質(zhì)的變化十分敏感，SPR傳感技術(shù)就是通過(guò)對(duì)反射光強(qiáng)度或相位譜的檢測(cè)，獲得傳感表面待測(cè)溶液的折射率、濃度以及生化反應(yīng)的動(dòng)力參數(shù)等信息，從而達(dá)到生化檢測(cè)的目的。

按照系統(tǒng)中SPR傳感信號(hào)檢測(cè)分析方法的不同，SPR傳感系統(tǒng)可分為以下四種：

(1)角度掃描強(qiáng)度檢測(cè)：?jiǎn)紊馊肷洌淖內(nèi)肷浣牵瑱z測(cè)反射光的歸一化強(qiáng)度隨入射角的變化情況，并記錄反射光強(qiáng)度最小時(shí)的入射角，也就是共振角；

(2)波長(zhǎng)掃描強(qiáng)度檢測(cè)：復(fù)色光入射，固定入射角，對(duì)反射光的光譜進(jìn)行分析，得到反射率隨波長(zhǎng)的變化曲線，并記錄共振波長(zhǎng)；

(3)強(qiáng)度調(diào)制：入射光的角度和波長(zhǎng)都固定，通過(guò)檢測(cè)反射光強(qiáng)度的變化分析折射率的變化；須建立共振點(diǎn)處反射光強(qiáng)與折射率之間的關(guān)系。

(4)相位調(diào)制：入射光的角度和波長(zhǎng)都固定，觀測(cè)入射光與反射光的相位差；須建立共振相位與折射率之間的關(guān)系。

這四種方法中，第(3)種受擾動(dòng)產(chǎn)生的誤差較大，不太實(shí)用，一般用來(lái)檢測(cè)樣品折射率快變化過(guò)程；最后一種方法的靈敏最高，但系統(tǒng)需要一系列的高頻電路；因此前兩種的應(yīng)用最普遍。

在傳統(tǒng)的角度掃描強(qiáng)度檢測(cè)SPR系統(tǒng)中，光源固定，將傳感系統(tǒng)和探測(cè)器安置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)傳感表面入射光的角度掃描。傳統(tǒng)的方法每掃描一個(gè)點(diǎn)，就要改變一次入射光的角度，因此得到一條SPR角度掃描曲線消耗的時(shí)間很長(zhǎng)。聚焦光角度掃描SPR傳感系統(tǒng)的提出克服了使用傳統(tǒng)SPR傳感系統(tǒng)角度掃描耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)。在聚焦光角度掃描SPR傳感系統(tǒng)中，光源發(fā)射的光通過(guò)一個(gè)透鏡聚焦到金屬表面，光電檢測(cè)器陣列(如CCD、CMOS或光電二極管陣列)接受來(lái)自聚焦點(diǎn)各角度的反射光，從而一次性獲得了一條SPR角度掃描傳感曲線，大大減少了掃描時(shí)間。因此聚焦光角度掃描SPR系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。

在SPR信號(hào)采集過(guò)程中，由于系統(tǒng)機(jī)械振動(dòng)等微擾動(dòng)的引入，會(huì)不可避免地造成多次采集的SPR曲線之間存在微小的位置誤差，即在位置軸上存在“微平移”。多次采集的SPR曲線間的微平移表現(xiàn)為曲線在位置軸上的整體移動(dòng)，并且每次采集引入的強(qiáng)度噪聲具有隨機(jī)特性。因此，為了克服SPR曲線采集過(guò)程中的位置不確定性，本發(fā)明提出通過(guò)采集多條具有微平移的SPR曲線并估計(jì)它們之間的相對(duì)微平移，從而進(jìn)一步估計(jì)得到一個(gè)期望絕對(duì)位置向量。該期望絕對(duì)位置向量是一次無(wú)位置誤差的SPR信號(hào)采集所得到位置向量的無(wú)偏估計(jì)，其估計(jì)利用了多條曲線間相對(duì)微平移的概率分布信息。

另一方面，SPR傳感信息的準(zhǔn)確程度也受到SPR曲線采樣密度的限制。采樣密度越大，檢測(cè)點(diǎn)之間的間隔越小，SPR傳感曲線越接近于連續(xù)，從而所獲得的傳感信息也越準(zhǔn)確。而多次采集得到的具有微平移的SPR傳感曲線間具有不同的信息，應(yīng)該得到充分利用。如果能夠精確估計(jì)曲線間小于一個(gè)采樣點(diǎn)間隔的微平移，通過(guò)融合這多條具有微平移的SPR曲線間的不同信息，則可以增加SPR曲線采樣密度，從而提高SPR傳感信息的準(zhǔn)確性以及SPR系統(tǒng)的檢測(cè)極限。

發(fā)明內(nèi)容