專利名稱：一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熒光檢測裝置，尤其是涉及一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置。
背景技術(shù)：
由于熒光技術(shù)具有靈敏度高和方法多樣等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種分析表征過程， 特別是在生物科學(xué)領(lǐng)域中，包括基因表達(dá)、藥物診斷和生物危害檢測等。金屬表面上熒光團(tuán) 具有獨(dú)特?zé)晒庑再|(zhì)，具有提高熒光強(qiáng)度、量子產(chǎn)率和光穩(wěn)定性等特點(diǎn)。目前有許多研究方向 是集中在金屬與熒光團(tuán)的近場相互作用，特別是表面等離子體耦合發(fā)射熒光法(Surface Plasmon Coupled Emission, SPCE)的研究。SPCE是利用在納米金屬表面200 nm內(nèi)的激發(fā)態(tài)熒 光團(tuán)與納米金屬膜的近場相互作用。在光滑金屬薄膜表面，如果以某一合適角度入射(即& )， 發(fā)生表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)，入射光被吸收，其反射率急劇減 少。在原理上，SPCE是SPR的逆過程。光滑金屬薄膜表面的激發(fā)態(tài)熒光團(tuán)與金屬表面自由電 子產(chǎn)生的表面等離子體子耦合，以熒光發(fā)射波長對應(yīng)的SPCE角(即&^ )進(jìn)入棱鏡基體輻射。 SPCE作為一種新型熒光技術(shù)展現(xiàn)出其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如高度的角度定向發(fā)射、唯一的熒光發(fā)射 偏振、波長可分辨性和有效的背景信號抑制等，必將在生物傳感、界面分析等領(lǐng)域中得到廣 泛應(yīng)用。
在以往的報(bào)道中，SPCE的光致發(fā)光體系裝置主要包括激光光源、激發(fā)光纖、陷波濾光片、 雙臺面精密旋轉(zhuǎn)臺、樣品架、耦合器件、濾光片組、收集光纖、單色儀和檢測器組成的激發(fā) 光路以及熒光發(fā)射光路。其基本工作過程為激光發(fā)出的激光束經(jīng)過陷波濾光片進(jìn)入激發(fā)光 纖，以一定合適角度照射到耦合器件的樣品膜，激發(fā)金屬薄膜表面的熒光團(tuán)。定向發(fā)射的熒 光信號經(jīng)過濾光片組、收集光纖、單色儀和檢測器，最終被轉(zhuǎn)換成與熒光強(qiáng)度成正比的電信 號。為了獲得表面等離子體耦合定向發(fā)射熒光信號，激發(fā)光纖和發(fā)射光纖需要分別固定于雙 臺面精密旋轉(zhuǎn)臺上，方能實(shí)現(xiàn)分別以任意角度照射和任意角度收集。該雙臺面精密旋轉(zhuǎn)臺是 特制的，兩個臺面為同軸中空，可以分別繞軸旋轉(zhuǎn)360°。樣品架安裝在旋轉(zhuǎn)臺中空軸心位置。 該裝置的不足之處是1、體積大，功耗高。這是因?yàn)樗捎玫募す馄鳛闅怏w激光器(如Ar十 離子激光器)或固體激光器，其體積大，價(jià)格昂貴，使用壽命較短，操作嚴(yán)格，工作時(shí)發(fā)熱 量大，需要強(qiáng)制冷卻，不利于儀器的小型化。近來有些研究采用新型光源發(fā)光二極管(LightEmitting Diodes, LEDs)作為SPCE法的光源。雖然LED具有體積小、能耗低、價(jià)格便宜等優(yōu) 點(diǎn)，但是由于LED為非相干光源，其亮度低、單色性差、響應(yīng)速度低，并且其光束的發(fā)散角 大，易造成較大的背景噪音，因此需要一套復(fù)雜的光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)。2、結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 操作繁瑣。為了獲得定向發(fā)射信號，要求兩條光纖分別固定在特制復(fù)雜的雙臺面旋轉(zhuǎn)臺，分 別作任意角度的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。整個裝置易產(chǎn)生失調(diào)和離焦等問題，因此影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。 3、制造成本高，不利于推廣使用。光源作為熒光檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，常常是該系統(tǒng)最昂貴 的耗件之一，常規(guī)實(shí)驗(yàn)室不可能配置齊全各種昂貴的激光器。雙臺面旋轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在 普通光電產(chǎn)品制造公司購買不到，只能按照特殊規(guī)格設(shè)計(jì)在專業(yè)加工公司定制，限制SPCE方 法在常規(guī)實(shí)驗(yàn)室的推廣和應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、檢測準(zhǔn)確性高的表面等離子體耦 合熒光檢測裝置。
本發(fā)明設(shè)有光源、光源架、旋轉(zhuǎn)臺、樣品架、耦合器件、單色儀、檢測器和控制處理器。 光源設(shè)于光源架上，光源架設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺上，樣品架設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺上，耦合器件設(shè)于樣品架上， 單色儀設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺側(cè)方，單色儀接受熒光信號，單色儀與檢測器連接，檢測器與控制處理器 連接。
所述的光源可采用市售激光筆，如采用波長為405 nm、 473 nm、 532nm、 593.5 nm、 808nm、 980nm、 1064 nm或1342 nm，功率為0.6 500 mW的激光筆。 所述的光源架最好設(shè)有可調(diào)節(jié)高度和仰度的調(diào)節(jié)件。 所述的光源架可為激光筆套，激光筆套通過緊固件固于旋轉(zhuǎn)臺。 所述的旋轉(zhuǎn)臺最好為繞其軸心轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)臺。
所述的樣品架可為塑料固定架，塑料固定架通過緊固件固于旋轉(zhuǎn)臺。 所述的耦合器件包括棱鏡、納米級金屬薄膜和樣品膜，棱鏡設(shè)于樣品架上，在棱鏡上可
設(shè)有基底，納米級金屬薄膜附于基底表面，基底最好為石英或玻璃基底，樣品膜為熒光傳感
膜，熒光傳感膜附于納米級金屬薄膜表面。
所述的單色儀可為單光柵式單色儀，如北京卓立漢光儀器有限公司的SSM30K SAP301
單色儀。
所述的檢測器可根據(jù)需要選擇市購，如濱松光子技術(shù)股份有限公司的1P28、R928或CR131 等的光電倍增管或CCD檢測器。
由于本發(fā)明所采用的光源為激光光源，具有輸出功率穩(wěn)定、單色性強(qiáng)、聚光效率高(光斑 的直徑約為1 mm)及平行性好等特點(diǎn)，因此適用于界面熒光分析的點(diǎn)光源要求，可有效地減少背景雜散光干擾，可采用激光筆，價(jià)格僅為幾元或幾十元人民幣，方便易購。目前激光筆 的輸出波長幾乎覆蓋了可見光至紅外光的各個波段，近紫外的激光筆也已投入市場，可以方 便地選擇不同波長的激光筆以適應(yīng)成熟的各種熒光探針，更好地滿足熒光檢測的不同要求。 而且激光筆的結(jié)構(gòu)簡單、體積小(僅為50 mmX 013 nim)，非常適于微型化的熒光檢測系統(tǒng)。 由于光源可以隨旋轉(zhuǎn)臺任意旋轉(zhuǎn)，并可進(jìn)行高度和仰度調(diào)節(jié)，因此可控制光束以垂直角度或 其它所需角度照射到附于金屬薄膜表面的樣品膜上，從而激發(fā)金屬薄膜表面的熒光團(tuán)，構(gòu)成 激發(fā)光路。激發(fā)光路可以隨著旋轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)360。旋轉(zhuǎn)，這樣一來，單色儀就可接受定向發(fā)射的 熒光信號，熒光信號可以一定角度選擇性地通過單色儀而進(jìn)入檢測器，最終被轉(zhuǎn)換成與熒光 強(qiáng)度成正比的電信號，從而獲得表面等離子體耦合定向發(fā)射熒光信號?？刂铺幚砥骺蓪π盘?進(jìn)行調(diào)控，達(dá)到所需檢測要求，而且現(xiàn)有的控制處理器已經(jīng)十分成熟，其檢測準(zhǔn)確性較高。
由此可見，與現(xiàn)有表面等離子體耦合熒光檢測裝置比較，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點(diǎn)和顯 著效果
具有結(jié)構(gòu)緊湊和便于微型化的特點(diǎn)?？刹捎眉す夤P作為光源，體積小，能量強(qiáng)，結(jié)合微 型單色儀即可實(shí)現(xiàn)儀器微型化。旋轉(zhuǎn)平臺上的負(fù)載小，可以采用體積小的電動旋轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)快 速全自動操作。結(jié)構(gòu)簡單，易于制造。除旋轉(zhuǎn)臺做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動外，其它部件均不動，可有效防 止部件位置偏移而引起信號改變。若要替換不同波長的光源，也十分方便。本裝置采用價(jià)廉 的激光筆和簡易的旋轉(zhuǎn)臺，成本低，有利推廣SPCE新型熒光法。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。 圖2為圖1中的光源架結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3為圖2的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為羅丹明樣品膜(RB-PVA膜)熒光發(fā)射光譜。在圖4中，橫坐標(biāo)為波長Wavelength/nm， 縱坐標(biāo)為相對熒光強(qiáng)度Fluorescence Intensity。
圖5為在激發(fā)波長為532 nm，發(fā)射波長為590 nm狀態(tài)下的熒光強(qiáng)度角分布極坐標(biāo)圖。 在圖5中，橫坐標(biāo)為熒光檢測角度，縱坐標(biāo)為相對熒光強(qiáng)度Fluorescence Intensity,圖中Exc. 表示激發(fā)波長(532nm);檢測角度ej^為5r。
圖6為羅丹明樣品膜(RB-PVA膜)在不同偏振激發(fā)和不同偏振發(fā)射下的熒光光譜圖。 在圖6中，橫坐標(biāo)為波長Wavelength/nm，縱坐標(biāo)為相對熒光強(qiáng)度Fluorescence Intensity;在 譜圖中，曲線a為在水平偏振激發(fā)和水平偏振發(fā)射下的光譜圖；曲線b為在垂直偏振激發(fā)和 水平偏振發(fā)射下的光譜圖；曲線c為在水平偏振激發(fā)和垂直偏振發(fā)射下的光譜圖；曲線d為 在垂直偏振激發(fā)和垂直偏振發(fā)射下的光譜圖。
5圖7為羅丹明樣品膜(RB-PVA膜)的SPCE信號穩(wěn)定性檢測圖。在圖7中，橫坐標(biāo)為 時(shí)間Time/s，縱坐標(biāo)為相對熒光強(qiáng)度Fluorescence lntensity。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
如圖l所示，本發(fā)明設(shè)有激光筆l (光源)、光源架2、旋轉(zhuǎn)臺3、樣品架4、耦合器件(由 棱鏡5、納米級光滑金屬薄膜6和樣品膜7構(gòu)成)、單色儀8、檢測器9和控制處理器10。圖 2和3中的其余標(biāo)號表示ll為激光筆套管，12為2個固定螺絲，13為2個高度調(diào)節(jié)螺絲， 14為2個支架螺絲。
參見圖1 3，激光筆1安裝于光源架2上，光源架2設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺3上，樣品架4設(shè)于旋 轉(zhuǎn)臺3上，耦合器件設(shè)有半圓棒式棱鏡5、納米級光滑金屬薄膜6和樣品膜7，棱鏡5設(shè)于樣 品架4上，納米級光滑金屬薄膜6附于玻璃基底表面，基底設(shè)于棱鏡5上，通過光學(xué)常數(shù)匹 配的溶液(如甘油)粘附在棱鏡5，樣品膜7為熒光傳感膜，熒光傳感膜7附于納米級光滑 金屬薄膜6表面。
單色儀8位于旋轉(zhuǎn)臺3側(cè)方，可接受熒光信號，單色儀8與檢測器9連接，檢測器9與控制處 理器10電連接。
光源1采用市售波長為532 nm、功率為5 mW的激光筆，(也可采用波長為405 nm、 473 nm、 593.5 nm、 808nm、 980nm、 1064 nm或1342 nm，功率為0.6 mW~500 mW的激光筆)。
光源架2通過2個調(diào)節(jié)螺絲13可調(diào)節(jié)激光筆1的高度和仰角，2個調(diào)節(jié)螺絲13穿過光源架2， 其上端定在激光筆底部，旋轉(zhuǎn)螺絲13可使激光筆上下移動或左右擺動，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)激光筆l 的高度和仰度。
所述的光源架2為激光筆套，激光筆套2通過兩個緊固螺絲14固于旋轉(zhuǎn)臺3。激光筆套2用 于激光筆l安裝。
所述的旋轉(zhuǎn)臺3為繞軸心轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)臺。
所述的樣品架4為自制塑料固定架，樣品架4通過緊固螺絲固于旋轉(zhuǎn)臺3上。 所述的單色儀8為單光柵式單色儀，如北京卓立漢光儀器有限公司的SSM301、 SAP301單 色儀。
所述的檢測器9為市購的濱松光子技術(shù)股份有限公司的R928光電倍增管(也可為其他市 購的光電倍增管，如型號為1P28、 CR131等的光電倍增管，或者CCD檢測器。
所述的控制處理器10由控制器、信號放大與積分模塊、A/D轉(zhuǎn)換卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。 可通過蒸汽沉積、化學(xué)鍍膜、化學(xué)氣相沉積、光還原、真空濺射等方法在玻璃載波片上 鍍上納米級光滑金屬薄膜6。上述的金屬薄膜6可以是金、銀、鋁、銅等金屬，厚度控制在50nrn左右。本實(shí)施例中采用真空濺射法得到50 nm光滑金屬薄膜6。
上述的樣品膜7為可采用滴涂法、旋涂法、化學(xué)鍵合法或LB法等方法在金屬表面形成 的熒光傳感膜。本實(shí)施例中采用旋涂法，在光滑金屬薄膜旋轉(zhuǎn)鍍膜6上含有羅丹明B的PVA 膜。
該系統(tǒng)首先將鍍有樣品膜7的載波片用光學(xué)常數(shù)匹配的溶液(如甘油)粘附在半圓柱棱 鏡5上，然后固定在樣品架4上。將激光筆1作為激發(fā)光源固定在旋轉(zhuǎn)臺3,其光束直接照 射到樣品膜7上，激發(fā)金屬薄膜6上的熒光團(tuán)。通過轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)臺3，使得檢測器9能夠以不 同檢測角度選擇性地收集定向熒光信號。激光筆1的激發(fā)光束，以垂直角度照射到達(dá)樣品的 玻璃基底表面，玻璃基底的表面上濺射有Au膜，Au膜上固定有熒光層。入射光束激發(fā)熒光 團(tuán)，激發(fā)態(tài)的熒光團(tuán)與Au膜上的表面等離子體發(fā)生耦合共振現(xiàn)象，以表面等離子角度定向 發(fā)射熒光信號，信號進(jìn)入單色儀8，經(jīng)檢測器9的光電轉(zhuǎn)化器件將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?信號發(fā)送至控制處理器10。
本發(fā)明利用羅丹明樣品膜(RB-PVA膜)為標(biāo)樣評價(jià)了該檢測裝置，通過考察其信號角度 分布和熒光偏振性，在檢測角度為51°測得其角度高度定向、唯一的p偏振SPCE穩(wěn)定信號。證 明了該裝置可以實(shí)現(xiàn)SPCE檢測，完全能夠滿足一般的測試要求。圖4給出羅丹明樣品膜 (RB-PVA膜)熒光發(fā)射光譜，圖5給出在激發(fā)波長為532nm，發(fā)射波長為590 nm狀態(tài)下的熒 光強(qiáng)度角分布極坐標(biāo)圖，激發(fā)波長為532nm，檢測角度9F為51。。圖6給出羅丹明樣品膜(RB-PVA 膜)在不同偏振激發(fā)和不同偏振發(fā)射下的熒光光譜圖，在譜圖中，曲線a為在水平偏振激發(fā)和 水平偏振發(fā)射下的光譜圖；曲線b為在垂直偏振激發(fā)和水平偏振發(fā)射下的光譜圖；曲線c為在 水平偏振激發(fā)和垂直偏振發(fā)射下的光譜圖；曲線d為在垂直偏振激發(fā)和垂直偏振發(fā)射下的光譜 圖。圖7給出羅丹明樣品膜(RB-PVA膜)的SPCE信號穩(wěn)定性檢測圖。
權(quán)利要求
1.一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置，其特征在于設(shè)有光源、光源架、旋轉(zhuǎn)臺、樣品架、耦合器件、單色儀、檢測器和控制處理器，光源設(shè)于光源架上，光源架設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺上，樣品架設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺上，耦合器件設(shè)于樣品架上，單色儀設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺側(cè)方，單色儀接受熒光信號，單色儀與檢測器連接，檢測器與控制處理器連接。
2. 如權(quán)利要求l所述的一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置，其特征在于所述的光源采 用激光筆，所述激光筆選用波長為405 nm、 473 nm、 532nm、 593.5 nm、 808nm、 980nm、 1064 nm或1342nm，功率為0.6 500 mW的激光筆。
3. 如權(quán)利要求l所述的一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置，其特征在于所述的光源架 設(shè)有可調(diào)節(jié)高度和仰度的調(diào)節(jié)件。
4. 如權(quán)利要求1或3所述的一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置，其特征在于所述的光源 架為激光筆套，激光筆套通過緊固件固于旋轉(zhuǎn)臺。
5. 如權(quán)利要求l所述的一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置，其特征在于所述的旋轉(zhuǎn)臺 為繞其軸心轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)臺。
6. 如權(quán)利要求l所述的一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置，其特征在于所述的樣品架 為自制的塑料固定架，塑料固定架通過緊固件固于旋轉(zhuǎn)臺。
7. 如權(quán)利要求l所述的一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置，其特征在于所述的耦合器 件包括棱鏡、納米級金屬薄膜和樣品膜，棱鏡設(shè)于樣品架上，在棱鏡上設(shè)有基底，納米級金 屬薄膜附于基底表面，樣品膜為熒光傳感膜，熒光傳感膜附于納米級金屬薄膜表面。
8. 如權(quán)利要求l所述的一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置，其特征在于所述的單色儀 為單光柵式單色儀。
9. 如權(quán)利要求l所述的一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置，其特征在于所述的檢測器 為光電倍增管或CCD檢測器。
10. 如權(quán)利要求l所述的一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置，其特征在于所述的控制處 理器包括控制器、信號放大與積分模塊、A/D轉(zhuǎn)換卡和計(jì)算機(jī)。
全文摘要
一種表面等離子體耦合熒光檢測裝置，涉及一種熒光檢測裝置。提供一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、檢測準(zhǔn)確性高的表面等離子體耦合熒光檢測裝置。設(shè)有光源、光源架、旋轉(zhuǎn)臺、樣品架、耦合器件、單色儀、檢測器和控制處理器。光源設(shè)于光源架上，光源架設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺上，樣品架設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺上，耦合器件設(shè)于樣品架上，單色儀設(shè)于旋轉(zhuǎn)臺側(cè)方，單色儀接受熒光信號，單色儀與檢測器連接，檢測器與控制處理器連接。具有結(jié)構(gòu)緊湊和便于微型化的特點(diǎn)?？刹捎眉す夤P作為光源，體積小，能量強(qiáng)，結(jié)合微型單色儀即可實(shí)現(xiàn)儀器微型化。
文檔編號G01N21/64GK101566568SQ20091011188
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者李耀群, 蔡偉鵬, 謝堂堂 申請人:廈門大學(xué)