一种spr成像传感器及其调节方法和spr成像传感芯片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学生物传感领域，特别涉及一种SPR成像传感器及其调节方法和SPR成像传感芯片。
【背景技术】
[0002]表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)传感器凭借其实时、无需标记、灵敏度高等优点，已广泛运用于生命科学，临床诊断，药物筛选，食品安全，环境监测等领域。随着社会上对于大规模快速检测技术需求的日益增长，高通量的SPR传感技术已成为SPR技术的一个主要发展方向。
[0003]表面等离子体共振是P偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全反射时产生的倏逝波引发金属表面的自由电子产生表面等离子，并在表面等离子与倏逝波波数相同的情况下产生的一种共振现象。共振时，入射光被吸收，反射光的能量突然下降，反射光谱上出现反射强度最小值。当金属薄膜另一侧介质的折射率发生微小变化时，最小值位置会产生偏移。因此，可以根据最小值位置与介质折射率之间的关系，通过测量反射光强来确定最小值位置，进而求出被测介质的折射率。
[0004]其中SPR 成像(Surface Plasmon Resonance Image, SPRi)传感技术是研宄最广、最具有代表性的一类。其基本结构为:光源发出的平行光入射到具有传感阵列的SPR芯片表面，传感阵列通过光学系统成像于图像传感器靶面，同时芯片表面反射的光也被图像传感器接收。
[0005]根据检测的光信号不同，通常可分为光强调制型和相位调制型。相比于相位调制所需要的复杂系统，偏振对比方法在光强调制的基础上引入了反射带来的相位变化信息，再通过对反射光偏振态的控制将相位变化转换为光强变化，这种成像传感技术结构简单，使用方便，动态范围大，得到了比较广泛的应用。
[0006]该方法一般采用的成像传感芯片(金膜结构)如图2所示，由平面玻璃基板7和功能金膜15组成。偏振对比方法的基本原理是准直光源通过起偏器得到线偏振光，该偏振光包含P偏振分量和S偏振分量。光线入射到装有成像传感芯片的棱镜反射面发生全反射，经功能金膜反射给P偏振分量和S偏振分量引入了一个固定的相位差，因此反射出的光线为椭圆偏振光。此时将其后放置的1/4波片的快轴与上述椭圆偏振光的长轴重合，就得到了线偏振光，再将1/4波片后的检偏器的偏振方向调整为与上述线偏振光的偏振方向垂直，经功能金膜反射的光线被完全阻拦达到消光。这种方法通过对功能金膜表面某种折射率的液体进行消光，当通入其他液体时，就可得到由相位变化转换而来的光强的变化。
[0007]例如对纯水消光，得到的SPR曲线，如图5和6所示。从图中可以看出，由于对纯水进行消光，因此，在纯水的折射率附近的光强很弱，此种方法存在的问题是低折射率区域信号弱，信噪比小，灵敏度普遍低，并且金膜厚度误差很容易影响消光点，进而影响消光调节以及后续的检测。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种SPR成像传感器，性能稳定、重复性好、灵敏度高和易于实现高通量。
[0009]一种SPR成像传感器，包括光发射组件、光接收组件和用于接收光发射组件发出的光线并将其反射至光接收组件的光反射组件，所述光发射组件包括沿入射光路依次设置的光源、小孔光阑、准直镜、滤光片和起偏器，所述光反射组件包括直角反射棱镜、位于直角反射棱镜的反射面的折射率匹配液和成像传感芯片，所述的光接收组件包括沿出射光路依次设置的1/4波片、检偏器、成像系统和用于接收成像系统发出的光线的图像传感器，
[0010]所述成像传感芯片包括通过折射率匹配液耦合在反射棱镜反射面上的玻璃基板，所述玻璃基板背向反射棱镜的平面上镀有产生SPR现象的功能金膜，以及环绕功能金膜布置且倏逝波无法穿透的背景金膜；
[0011]所述1/4波片的快轴与所述背景金膜在消光液体流经成像传感芯片时反射出的椭圆偏振光的长轴重合，所述检偏器的偏振方向与此时经1/4波片出射的线偏振光的偏振方向垂直。
[0012]所述消光液体流经金膜表面，按上述方式调节1/4波片及检偏器的角度，观察图像传感器上的图像变化，使背景金膜处的出射光线完全被挡住，实现消光，完成传感器的光路调节，然后使不同折射率的待测样品流经成像传感芯片，检测功能金膜的光强变化，从而得到SPR曲线，由于倏逝波无法穿透背景金膜，检测不同样品时，背景金膜处光强保持在很小的状态，背景金膜和功能金膜之间高的对比度有利于图像细节的分辨，即可由功能金膜反射的光强变化，得到待测样品的性质，本发明通过设置背景金膜，并对背景金膜进行消光，避免了现有技术中，对功能金膜进行消光的缺陷，从而可以选取得到信噪比大、灵敏度高以及稳定性好的SPR曲线。
[0013]采用不同的消光液体时，会得到不同的SPR曲线，一般采用透明度高、折射率底的液体作为消光液体，优选的，所述的消光液体采用在20°C时D光折射率为1.333?1.335的液体，例如纯水，20°C时的D光折射率为1.333 ；PBS (磷酸盐缓冲液)，20°C时的D光折射率为1.335，所述光发射组件的出射光波长为700nm?800nm，在直角反射棱镜反射面的为66.5±5°，所述起偏器偏振方向与垂直于入射面的方向的夹角为45±5°。上述数据经过仿真分析取得。
[0014]此时，得到的SPR曲线现有技术相比，SPR曲线反转，在待测样品的指标1.33?1.36范围内，检测样品时，利用的是曲线的下降区域，而非传统SPR曲线的上升区域，当纯水作为消光液体时，在纯水的折射率附近信号强，斜率大，会带来高的信噪比及灵敏度。
[0015]也可以采用不同折射率的消光液体，此时，为了保持SPR曲线反转，测试范围内的曲线斜率大，具有高的信噪比及灵敏度，所需的出射光波长、入射角和起偏器偏振方向都需要进行适应调节，经过仿真分析，选取使得在待测样品的指标范围内，曲线斜率大，具有高的信噪比及灵敏度的SPR曲线。
[0016]制备所述成像传感芯片时，采用光刻法二次磁控溅射，过程如下:首先在洗净的平面玻璃基板镀一层约2nm厚的铬层，接着镀第一层厚度为120?260nm的金膜；然后用光刻法在上面制备出微井的图案阵列(有微井的地方未被保护)，接着用湿法腐蚀的方法去除没有被光刻胶保护的金膜和铬层，露出玻璃基板；之后在光刻胶洗液中去除光刻胶，再镀第二层厚度为30?40nm的金膜，在微井位置形成功能金膜，其他区域为背景金膜，将芯片切割成适合大小，完成制备，制备好的成像传感芯片保存在真空干燥的环境中。
[0017]优选的，所述功能金膜的厚度为30?40nm。在不同待测液体流经金膜表面时，使用这个厚度范围内的功能金膜所得的SPR曲线的斜率较大，灵敏度高，动态范围大，此时功能金膜的厚度误差会对动态范围产生一定的影响，但是对灵敏度的影响非常小，可以忽略不计，如果功能金膜的厚度大于40nm，SPR曲线会变得较平缓，进而导致灵敏度降低，而功能金膜的厚度小于30nm，又会导致光强较小，进而使动态范围缩小。
[0018]优选的，所述背景金膜的厚度为150?300nm。这个厚度范围内倏逝波无法穿透，其反射光强对流经金膜表面的待测液体折射率不敏感，如果背景金膜的厚度小于150nm，会导致倏逝波穿透背景金膜，在待测液体改变时，无法使背景金膜处的光强保持在很小的状态，影响待测液体检测的效果，如果厚度大于300nm，则会造成原料浪费。
[0019]为了提高本设备的应用范围，提高检测通量，优选的，所述功能金膜阵列排布，所述背景金膜填充各功能金膜之间的间隙。所述功能金膜阵列排布，各功能金膜可以分别工作，从而使图像各区域光强不同。
[0020]本发明还公开了一种SPR成像传感器的调节方法，包括以下步骤:
[0021](I)组装SPR成像传感器，所述SPR成像传感器包括光发射组件、光接收组件和用于接收光发射组件发出的光线并将其反射至光接收组件的光反射组件，所述光发射组件包括沿入射光路依次设置的光源、小孔光阑、准直镜、滤光片和起偏器，所述光反射组件包括直角反射棱镜、位于直角反射棱镜的反射面的折射率匹配液和成像传感芯片，所述的光接收组件包括沿出射光路依次设置的1/4波片、检偏器、成像系统和用于接收成像系统发出的光线的图像传感器；
[0022]所述成像传感芯片包括通过折射率匹配液耦合在反射棱镜反射面上的玻璃基板，所述玻璃基板背向反射棱镜的平面上镀有产生SPR现象的功能金膜，以及环绕功能金膜布置且倏逝波无法穿透的背景金膜；
[0023](2)在流通池中通入消光液体，所述光发射组件发出的光束经过光反射组件反射后射入光接收组件；
[0024](3)旋转1/4波片，使反射背景金膜的椭圆偏振光的长轴与所述1/4波片的快轴重合，再旋转检偏器，使其偏振方向与此时经1/4波片出射的线偏振光的偏振方向垂直，完成调节。
[0025]按上述方式调节1/4波片及检偏器的角度，观察图像传感器上的图像变化，使背景金膜处的出射光线完全被挡住，实现消光，完成传感器的调节，然后使不同折射率的待测样品流经成像传感芯片，检测功能金膜的光强变化，从而得到SPR曲线，由于倏逝波无法穿透背景金膜，检测不同样品时，背景金膜处光强保持在很小的状态，背景金膜和功能金膜之间高的对比度有利于图像细节的分辨，增大信噪比，本发明的调节方法对背景金膜进行消光，克服了现有技术中，对功能金膜进行消光的缺陷，从而可以选取得到信噪比大、灵敏度高以及稳定性好的SPR曲线。
[0026]采用不同的消光液体时，会得到不同的SPR曲线，一般采用透明度高、折射率底的液体作为消光液体，优选的，步骤(2)中，所述的消光液体采用在20°C时D光折射率为1.333?1.335的液体，调节所述光发射组件，使出射光波长为700nm?800nm，使直角反射棱镜反射面的入射角为66.5±5°，使偏器偏振方向与垂直于入射面的方向的夹角为45 + 5° ο
[0027]此时，得到的SPR曲线现有技术相比，SPR曲线反转，在待测样品的指标1.33?
1.36范围内，检测样品时，利用的是曲线的下降区域，而非传统SPR曲线的上升区域，纯水作为消光液体时，在纯水的折射率附近信号强，斜率大，会带来高的信噪比及灵敏度。
[0028]当采用不同的消光液体时，为了保持SPR曲线反转，测试范围内的曲线斜率大，具有高的信噪