专利名称：一种基于椭球反射镜光收集结构的表面等离子体共振光检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及分析设备领域。特别涉及基于椭球反射镜光收集结构的表面等离子体共振光检测装置。本发明涉及的检测装置可用于检测分析表面等离子体共振、表面等离子体共振增强的荧光与拉曼散射光。
背景技术：
表面等离子体共振、表面等离子体共振增强的荧光与拉曼散射光分析是现代重要的光学检测技术，具有灵敏度高，选择性强，需样本量少，和方法简便等优点，广泛应用于生化分析领域。表面等离子共振(SPR)是一种物理现象，当入射光以sra角附近入射到不同折射率的两种介质的交界面时(例如玻璃和黄金两种介质)，可引起金属自由电子的共振，由于共振致使电子吸收了光能量，从而使反射光在一定角度内大大减弱。其中，使反射光完全消失的入射角称为SI^R角。SI^R随金属层表面外侧折射率的变化而变化，而折射率的变化又和结合在金属表面的待测物质的种类和数量相关。因此可以通过获sra角的动态变化，间接得到待测物质的种类和数量。表面等离子共振常见的结构有0ttO，KretSChmann两种，其中 Kretschmann结构应用最为广泛。随着对表面等离子共振现象理解的加深，同时也为了克服常规荧光与拉曼散射信号光强度较弱，从而导致信噪比较低的问题，通过应用表面等离子体共振(Surface ρlasmonic resonance,简禾尔SPR)增强焚光法(Surface Enhanced Fluorescence,简禾尔 SEF)和增强拉曼散射法(Surface-enhanced Raman scattering，简称SERS)来提高检测荧光和拉曼散射光的灵敏度。对于由SPR增强的SEF与SERS两种检测方法，简称为SPR-SEF与SPR-SERS。 SPR-SEF 与 SPR-SERS —般可基于 Kretschmann 和 Reverse Kretschmann 两种结构，图 1 阐述了 Kretschmarm结构的表面等离子体共振耦合增强荧光法(SPR-SEF)的原理待测物质 1置于几十个纳米厚的金或银薄膜2上方，入射光4进入半球镜3，当入射光的角度满足表面等离子共振条件时，入射光产生的隐逝波透过金属薄膜2，在界面处与激发产生的等离子体共振，并在待测物质1和金属薄膜2的边界产生SPR渐逝波。待测物质1中的荧光物质被渐逝波激发，再与等离子体耦合产生表面等离子体辐射，激发态辐射衰减所产生的荧光与表面等离子体发生共振，并在某一圆锥角θ F上产生波长可分辨的偏振荧光6，该荧光的强度较不共振时有了非常显著的提高。⑴图2说明荧光物质经表面等离子体耦合发射加强后，其不再是向周围空间均勻发射荧光，此时荧光具有很强的方向性，且集中在与Z轴夹角为θ F的圆锥环上。由于不同的荧光中心波长对应不同的圆锥角θ F，因此若荧光物质中心波长不同，那么圆锥角不同。对于具有多发射波长和宽发射谱的较为复杂的荧光物质，荧光发射方向的空间分布为一彩虹圆环2。图1中的光线5是激发光的反射光，反射光 5的强度越小，说明入射光4的入射角度越接近表面等离子共振角(SPR Angel)，因此，人们常常将激发光发射装置与反射光探测器以金属表面的法线为轴对称放置，通过精确并且同步的移动来寻找SI3R角。图1中的θ sp即SI3R角。SPR-SERS的原理与SPR-SEF的原理相同，都是通过SI^R效应大大提高信号光的强度。另外，SPR-SERS光谱具有一定的谱宽，因此不同中心波长对应不同方向使得收集起来更加困难。SPR-SERS和SPR-SEF虽然大大提高了拉曼散射光/荧光的强度和方向性，但也存在如下三个问题。第一，加强后的拉曼散射光与荧光的出射角度由其中心波长和金属薄膜2的性质共同决定。那么如果待测物质改变了，其特征光谱的中心波长改变了，拉曼散射光与荧光的出射角度也将随之改变，为了取得最大的收集效率，检测设备用于接收拉曼散射光/荧光的探测器的摆放角度就需要同时改变和调整，这对检测设备的精密程度要求很高，而且由于频繁移动探测器降低了检测效率。特别对于拉曼光和复杂荧光团发出的荧光进行检测时，波长范围较大，此时不再对应单一的圆锥角，而是一系列连续的圆锥角，就可能需要放置多个探测器，这又增大了检测难度和设备成本。第二，SPR-SERS和SPR-SEF的信号光分布在一定圆锥角度的环上，由于大小有限， 探测器只收集了圆锥环上与探测器大小一样的一段，因而损失掉了大部分拉曼散射光/荧光。为达到较好的检测效果，就需要采取提高激发光强度，增大待测物质的取量等方法，这又提高了检测难度和成本第三，SPR-SERS和SPR-SEF都必须要求激发光的入射角度尽可能接近SI3R角，而 SPR角又由金属薄膜2的性质和激发光4的波长以及金属薄膜外介质折射率共同确定，因此不同的检测条件下Sra角也不同，测得准确的毫弧度分辨率的sra角是表面等离子共振分析的重要内容；传统的SI^R角检测装置如图3，要求激发光发射装置7与反射光探测器8以金属表面的法线为对称轴，并同步的改变角度θ，直到找到反射光最微弱的那个角度，此时的入射角θ即为sra角θ sp该装置要求激发光发射装置7与反射光探测器8对称放置和移动，增加了检测仪器的复杂性和成本。本发明是基于椭球反射镜作为光收集结构的表面等离子共振光检测装置，可用于0ΤΤ0，Kretschmann结构的表面等离子共振分析，以及基于Kretschmann禾口 Reverse Kretschmann结构的SPR-SERS与SPR-SEF的检测。本发明克服了以往该类系统所存在的上述问题，不仅提高了信号光收集效率，而且简化和省略了检测装置中探测器的精密角度调整结构，保证了精度并降低了设备成本。椭球反射镜的性质如图7所示，根据几何光学中的费马原理，经椭球反射镜的一个焦点的任何光线经椭球反射镜反射后一定汇聚到椭球反射镜的另一个焦点。[1]吕凤婷，郑海荣，房喻，表面增强荧光研究进展.化学进展，Q007) Vol. 19Νο· 2/3[2]Ignacy Gryczynski, Joanna Malicka, Zygmunt Gryczynski, and Joseph R. Lakowicz, Radiative decay engineering 4. Experimental studies of surface plasmon-coupled directional emission. Analytical Biochemistry 324 (2004) 170-18
发明内容
本发明是基于椭球反射镜作为光收集结构的表面等离子共振光检测装置，图4，图5和图6是本发明采用的技术方案，其中图4的技术方案是以Kretschmarm (简称KR)结构为基础，图5的技术方案是以Reverse Kretschmarm(简称RK)结构为基础，图6的技术方案是以Otto结构为基础。下面将就几种方案予以说明。图4中，待测物质9置于几十纳米厚的金属薄膜10上方，玻璃11可以是半球也可以是三角形。待测物质9，金属薄膜10与玻璃11都置于椭球反射镜12内部，椭球反射镜 12的侧面开有窗口 13。激发光14以接近表面等离子共振角(SI3R Angel)的角度经窗口 13 入射玻璃11，打到金属薄膜10表面上，其上光斑正好位于椭球反射镜12的一个焦点处，激发光14 一部分成为反射光15，经椭球反射镜12的反射进入位于椭球反射镜另一个焦点处的接收装置17中。由于表面等离子体耦合的作用，待测物质9的SERS或SEF信号光16经椭球反射镜12反射也进入位于椭球反射镜12的另一焦点处的接收装置17中。图5中，待测物质18置于几十纳米厚的金属薄膜19上方，玻璃20可以是半球也可以是等腰三角形。待测物质18，金属薄膜19，玻璃20都置于椭球反射镜21的内部，椭球反射镜21的项部开有窗口 22。激发光23沿椭球反射镜21的长轴，经窗口 22，入射到待测物质18中，其光斑正好位于椭球反射镜的一个焦点处，由于表面等离子体耦合的作用，待测物质9的SERS或SEF信号光M经椭球反射镜21反射进入位于椭球反射镜21的另一焦点处的接收装置25中。图4和图5中，由于激发光14打在金属薄膜10上的光斑与激发光23打在待测物质18上的光斑都正好位于椭球反射镜的一个焦点上，此时，该焦点可视作反射光15，信号光16，信号光M的出射点，而接收装置又位于椭球反射镜的另一焦点上，那么根据费马原理和椭球反射镜的特点，反射光15，信号光16和信号光M经椭球反射镜反射后都将进入位于另一焦点处的接收装置17或25内。图6中，26为几十纳米厚的金属薄膜，27为空气层或其他介质，玻璃观可以是半球也可以是等腰三角形。Otto结构与Kretschmarm结构的区别在于Otto结构中玻璃与金属薄膜挨着足够近，但并不直接接触，而Kretschmarm结构中，金属薄膜是蒸发后直接沉积在玻璃上。金属薄膜沈，玻璃观都在椭球反射镜33内，椭球反射镜33上开有窗口四。激发光30经窗口四打到玻璃观内后发生全反射，发生全反射的位置正好位于椭球反射镜的一个焦点上，反射光31经椭球反射镜33反射后进入位于椭球反射镜33另一个焦点处的探测器32。Otto结构目前多用于表面等离子共振检测，不用于表面等离子共振增强的拉曼光与荧光分析。
图1是SPR-SEF原理示意图[3]图2是SPR-SEF信号光分布示意图[3]图3是传统SPR检测原理示意图[3]图4是基于椭球反射镜的KR结构SPR、SPR-SERS与SPR-SEF装置示意5是基于椭球反射镜的RK结构SPR、SPR-SERS与SPR-SEF装置示意6是基于椭球反射镜的Otto结构SI3R检测装置示意7是椭球反射镜原理示意图[3] Joseph R. Lakowi cz, Radiative decay engineering 3. Surfaceplasmon-coupled directional emission, Analytical Biochemistry 324 (2004) 153-169
具体实施例方式下面结合说明书示意图对本发明进行详细叙述。如附图4所示，基于椭球反射镜光收集结构的装置的实施方式是激发光14的波长与金属薄膜10的性质以及待测物质9的种类和数量共同决定了表面等离子共振角(Sra Angel)，本设计通过检测不同入射角度下，反射光15的强度来确定表面等离子共振角。具体来说，改变激发光14的入射角度，反射光15的强度将发生变化， 由于荧光的中心波长与激发光的波长并不相同，而拉曼散射光谱中最为重要的部分是激发光波长两侧的谱线，即斯托克斯线与反斯托克斯线，因此只需要读取探测器17中激发光波段的强度即可知道反射光15的强度。反射光15的强度最小时，说明sra的效率最高，激发光14的入射角即为表面等离子共振角(sra Angle)。本发明只需要改变激发光14的入射角，而无需如传统装置那样同步改变接收装置的接收角，大大降低了检测装置的机械复杂度与成本。在测得表面等离子共振角后，激发光14以表面等离子共振角入射到金属薄膜10 上，其光斑正好位于椭球反射镜12的一个焦点上，此时反射光15强度最小，因此接收装置 17收到的主要是信号光16，分析后即可得到相应的SPR-SERS或SPR-SEF光谱。这里可以看出本设计的接收装置17位置无需随着拉曼散射光或荧光的特征波长的改变而改变，只要选用合适参数的椭球反射镜12，就可以将各种待测物质、不同波长的SERS或SEF的特征光谱都反射到位于椭球反射镜的另一个焦点上的固定的接收装置17中。采用这种方式，收集到的信号光是整个圆锥角圆环上的信号光，并非只收集到如传统装置上圆锥角圆环上的部分信号光，因此收集效率大大提高。相同灵敏度时，检测所需的样本量和激发光的强度也随之降低。本发明的装置也较传统装置简洁，稳定。附图5中的实施方法与附图4中的实施方法类似。不同的是待测物质18并非被渐失波所激发，而是被激发光23直接激发，处于激发态的待测物质与金属表面产生的等离子体耦合，并在SERS与SEF的发射波长对应的共振角处产生信号光。因此该方案无需找出特定的表面等离子体共振角即可对待测物质进行检测，还降低了激发光对信号光的干扰。附图6中的只适用于Sra检测，激发光30的入射角度不同，探测器32测得强度也不同，当探测器32测得强度最小时，对应激发光的入射角为SI^R角，并由此推测出吸附在金属薄膜沈上的生物分子的特征。
权利要求
1.一种基于椭球反射镜光收集结构的表面等离子体共振光检测装置。
2.权利要求1中所述的基于椭球反射镜光收集结构的表面等离子体共振光检测装置包含分别以Kretschmann结构、Reverse Kretschmann结构和Otto结构为基础的所有设计。
3.权利要求2中所述以Kretschmarm结构为基础的基于椭球反射镜光收集结构的表面等离子体共振光检测装置包含一个侧面开有入射窗口的椭球反射镜，固定在椭球反射镜内的一个焦点上的待测物质、金属薄膜、玻璃，以及固定在椭球反射镜的另一个焦点上的探测器或光传导装置。该结构可用于SPR，SPR-SEF, SPR-SERS检测分析。
4.权利要求2中所述以ReverseKretschmarm结构为基础的基于椭球反射镜光收集结构的表面等离子体共振光检测装置包含一个在椭球镜底部开有入射窗口的椭球反射镜， 固定在椭球反射镜内的一个焦点上的待测物质、金属薄膜、玻璃，以及固定在椭球反射镜的另一个焦点上的探测器或光传导装置。该结构可用于SPR-SEF，SPR-SERS检测分析。
5.权利要求2中所述Otto结构为基础的基于椭球反射镜光收集结构的表面等离子体共振光检测装置包含一个侧面开有入射窗口的椭球反射镜，固定在椭球反射镜内的一个焦点上的金属薄膜，玻璃，以及固定在椭球反射镜的另一个焦点上的探测器或光传导装置。 该结构可用于sra检测。
6.权利要求1，2，3，4，5中所述椭球反射镜的作用是将位于椭球反射镜内的一个焦点上的待测物质发出的、由表面等离子体共振增强后的各种信号光反射并导向位于椭球反射镜的另一个焦点上的整形，滤波光路以及探测器。
全文摘要
本发明的基于椭球反射镜光收集结构的表面等离子体共振光检测装置涉及分析设备领域。克服了探测器需要频繁改变接收角度的问题，探测器收集效率较低的问题，以及检测装置过于复杂的问题。可用于SPR，SPR-SERS与SPR-SEF的检测分析。本发明中，待测物质9，金属薄膜10与玻璃11置于开有窗口13的椭球反射镜12内。激发光14以SPR角打到玻璃11与金属薄膜10的界面上，其光斑位于椭球反射镜12的一个焦点处，激发光14一部分成为反射光15，经椭球反射镜12反射进入位于椭球反射镜另一个焦点处的接收装置17中。由于表面等离子共振耦合的作用，待测物质9的信号光16经椭球反射镜12反射也进入接收装置17中。
文档编号G01N21/55GK102243175SQ201110167970
公开日2011年11月16日 申请日期2011年6月21日 优先权日2011年6月21日
发明者刘建胜, 李凌, 李昕, 郑铮 申请人:北京航空航天大学