專利名稱：一種表面等離子共振成像分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高通量生化分析測量設(shè)備，特別是關(guān)于一種表面等離子共振成像
分析儀。
背景技術(shù)：
表面等離子共振成像技術(shù)(Surface Plasmon Resonance Imaging, SPRI)是由 表面等離子共振光譜技術(shù)發(fā)展而來的表面光學(xué)成像技術(shù)，其中的表面一般是固體和液體 間的界面。表面等離子共振成像技術(shù)在具備表面等離子共振光譜技術(shù)(Surface Plasmon Resonance, SPR)的實時、高靈敏度的優(yōu)點的同時，又克服了表面等離子共振光譜技術(shù)單一 通道的缺點，憑借成像手段可以同時監(jiān)測傳感膜表面各處的信號變化。表面等離子共振成 像技術(shù)與生物芯片技術(shù)相結(jié)合，將傳感膜表面修飾不同探針分子陣列，實現(xiàn)對待測樣品中 的目標(biāo)物進(jìn)行高通量的檢測或篩選。近年隨著基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等各種生物分子組學(xué) 的深入研究，表面等離子共振成像技術(shù)越來越受到科學(xué)家的重視，被認(rèn)為是一種很有潛力 的高通量生化分析方法。 如圖l所示，目前的表面等離子共振成像分析儀器都是基于克萊舒曼 (Kretschma皿)結(jié)構(gòu)來激發(fā)表面等離子共振?？巳R舒曼(Kretschma皿)結(jié)構(gòu)中用到等腰棱 鏡l，其中金膜設(shè)置在等腰棱鏡1的底面，光發(fā)射元件2位于等腰棱鏡1的第一腰面一側(cè)， 從光發(fā)射元件2出射的平行光從等腰棱鏡1的第一腰面射入棱鏡，在底面上發(fā)生全反射并 從第二腰面射出等腰棱鏡1。光學(xué)檢測元件3位于等腰棱鏡1第二腰面一側(cè)，光發(fā)射元件2 與光學(xué)檢測元件3的光軸相交于等腰棱鏡1的底面的中心點處。進(jìn)行入射角掃描時，光學(xué) 檢測元件3與光發(fā)射元件2同時繞等腰棱鏡1的底面中心點相互反向轉(zhuǎn)動。
如圖2所示，中國專利"高通量多參數(shù)圖像表面等離子體諧振測試儀"(專利號 200610066542. 4)中描述了一種基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的表面等離子成像分析儀，其中用 到中國專利"表面等離子體諧振測試儀"(專利號ZL98102366. 5)中的菱形掃描機(jī)構(gòu)的原 理。正三角棱鏡4固定在光學(xué)平臺5的一側(cè)且與光學(xué)平臺6的邊沿平行，四根等長的臂首尾 活動相連形成一個可活動的菱形連桿組7。本高通量多參數(shù)圖像表面等離子體諧振測試儀 的光學(xué)發(fā)射元件2和光學(xué)檢測元件3分別固定在正三角棱鏡4兩側(cè)的菱形連桿組7的左右 臂上。系統(tǒng)光線入射角掃描時，菱形連桿組7的一節(jié)點沿中垂線上下移動，從而同時改變固 定有光學(xué)發(fā)射元件2和光學(xué)檢測元件3的菱形連桿組7左右臂的張角，實現(xiàn)入射角的改變 并同時保證出射光被光學(xué)檢測元件3接收。這種結(jié)構(gòu)的缺點是主要光學(xué)部件都固定在可活 動的懸臂上，這使得系統(tǒng)容易受到外界振動影響，同時為保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性就要求更 高的部分零件加工和裝配精度，同時系統(tǒng)光線入射角掃描時螺桿反復(fù)轉(zhuǎn)動必然引入回差， 而光線入射角需要通過機(jī)械傳動將螺桿轉(zhuǎn)動量進(jìn)行轉(zhuǎn)化得到，這會進(jìn)一步給入射角引入誤 差。 如圖3所示，中國專利申請"采用表面等離子體諧振檢測技術(shù)的測試分析儀 器"(專利申請?zhí)?00810056116. 1)中所述的測試分析儀器。其角度掃描機(jī)構(gòu)類似于"高通量多參數(shù)圖像表面等離子體諧振測試儀"(專利號200610066542. 4)所述的菱形掃描機(jī) 構(gòu)，光學(xué)發(fā)射元件2和光學(xué)檢測元件3分別固定在菱形掃描機(jī)構(gòu)的左懸臂8及右懸臂9上， 其角度位移傳感器10安裝于以左右旋臂轉(zhuǎn)動中心為圓心的圓周上。通過角度位移傳感器 10直接讀取入射角數(shù)據(jù)從而避免了 "高通量多參數(shù)圖像表面等離子體諧振測試儀"(專利 號200610066542.4)中機(jī)械傳動轉(zhuǎn)換和螺桿回差引入的誤差。但在系統(tǒng)光線入射角掃描 時仍然涉及到主要光學(xué)系統(tǒng)的聯(lián)動，所以不能避免外界振動的干擾，同時還需要較高的零 件加工精度與裝配工藝。 如圖4所示，中國專利"自適應(yīng)表面等離子體波氣體折射率傳感元件"(專利號 01134380.X)中描述了一種自適應(yīng)角度掃描的SPR共振單元，由等腰三棱鏡11和屋脊棱鏡 12組合成表面等離子共振單元，其中金膜設(shè)置在等腰三棱鏡11的底面13，屋脊棱鏡12的 斜面通過折射率匹配介質(zhì)貼于等腰三棱鏡11的一等腰面。入射光從等腰三棱鏡11的一 等腰面14進(jìn)入等腰三棱鏡ll，并在等腰三棱鏡11的底面13發(fā)生全反射，然后依次經(jīng)過屋 脊棱鏡12兩直角面反射后再經(jīng)等腰三棱鏡11的底面13全反射，最后透出等腰三棱鏡11， 光線在棱鏡內(nèi)部經(jīng)過相鄰兩直角面的反射后，出射光與入射光反向平行。然而該結(jié)構(gòu)單元 的缺點是其中用到了兩個棱鏡的組合，而且要求兩個棱鏡均具有較高的光學(xué)加工和裝配精 度。 如圖5所示，中國專利申請"雙通道自適應(yīng)型表面等離子共振折射率光學(xué)元 件"(專利申請?zhí)?00710053284. 0)中所述的雙通道自適應(yīng)表面等離子共振光學(xué)單元，由 一個小等腰直角三棱鏡15與一個大等腰直角三棱鏡16的直角面通過折射率油相貼組合而 成，組合后兩直角棱鏡的斜面相互平行。金膜設(shè)置在兩直角棱鏡的斜面上，入射光從小等 腰直角三棱鏡外側(cè)的直角面17進(jìn)入棱鏡，再依次被小等腰直角三棱鏡和大等腰直角三棱 鏡的斜面全反射后，從大等腰直角三棱鏡的直角面18射出棱鏡，且出射光方向與入射光平 行。但是本光學(xué)元件需要兩個棱鏡的組合使用，對兩個棱鏡的加工和裝配都需要較高的精 度。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種可以保證光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定，實現(xiàn)入射光 的寬角度掃描，光學(xué)元件便于加工和裝配，并具有恒溫功能的表面等離子共振成像分析儀。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種表面等離子共振成像分析儀，其 特征在于，它包括一旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)，其包括一可繞中心旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)平臺、一可繞中心軸在 所述旋轉(zhuǎn)平臺表面水平轉(zhuǎn)動的棱鏡固定架、至少兩個底角不同的直角棱鏡、一讀出入射角 度值的入射角讀數(shù)器、與所述直角棱鏡對應(yīng)的定位槽、至少一個與所述定位槽配合以固定 所述直角棱鏡的活動定位銷、一制動元件和一傳送所述制動元件動力以驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)平臺 轉(zhuǎn)動的傳動機(jī)構(gòu)；其中，所述中心軸垂直固定在所述旋轉(zhuǎn)平臺上且不同于所述旋轉(zhuǎn)軸；所 述定位槽設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)平臺和棱鏡固定架之一上，所述定位銷相應(yīng)地設(shè)置在所述棱鏡固 定架和旋轉(zhuǎn)平臺之一上；所述直角棱鏡為上的一側(cè)面為矩形且垂直于底面，與垂直的矩形 側(cè)面相對的側(cè)面為斜面，該斜面與所述底面成的夾角為一銳角，與所述矩形側(cè)面垂直的底 面作為第一直角面且其外表面上設(shè)置有表面等離子共振傳感器，所述矩形側(cè)面作為第二直 角面且其外表面上設(shè)置有增強(qiáng)反射涂層；各所述第一、二直角面同時垂直固定設(shè)置在所述棱鏡固定架；所述直角棱鏡固定時所述旋轉(zhuǎn)平臺的中心位于所述第一直角面內(nèi)；一固定光 學(xué)系統(tǒng)，其包括一光發(fā)射組件和一光接收組件，均設(shè)置在所述第一直角面法線的同一側(cè)；所 述光發(fā)射組件包括一光源，在所述光源光路上設(shè)置有偏光元件和光準(zhǔn)直元件；所述光接收 組件包括一檢測器和成像元件組；一進(jìn)樣系統(tǒng)，其包括一樣品流動池和一樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)； 所述樣品流動池與所述表面等離子共振傳感器的表面緊密相貼，待測樣品通過所述樣品驅(qū) 動機(jī)構(gòu)泵入或泵出所述樣品流動池；一電氣控制系統(tǒng)，其同時電連接所述入射角讀數(shù)器、制 動元件、檢測器、樣品流動池和樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)；一上位機(jī)，其電連接所述電氣控制系統(tǒng)，所述 上位機(jī)內(nèi)預(yù)設(shè)置有數(shù)據(jù)采集處理模塊和設(shè)定有入射角、溫度值預(yù)設(shè)值的系統(tǒng)控制模塊；所 述系統(tǒng)控制模塊通過所述數(shù)據(jù)采集處理模塊實時接收所述電氣控制系統(tǒng)采集到的圖像、入 射角度和溫度，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)存儲，同時對所述制動元件和樣品 驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。 所述表面等離子共振傳感器是一傳感膜。 所述表面等離子共振傳感器是由透明基片和傳感膜組成，所述傳感膜設(shè)置在所述 透明基片的外表面上，所述傳感膜與透明基片之間設(shè)置有與所述直角棱鏡和透明基片折射 率相同的折射率匹配介質(zhì)。 所述直角棱鏡和透明基片的材料為光學(xué)玻璃和光學(xué)聚合物之一。 所述固定光學(xué)系統(tǒng)中的光發(fā)射組件設(shè)置有一可變孔徑空間光闌和一將光線導(dǎo)向
的反射元件。 所述進(jìn)樣系統(tǒng)還包括放置至少一個樣品瓶的樣品切換機(jī)構(gòu)，所述樣品切換機(jī)構(gòu)與 所述樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)電連接，所述樣品瓶中的待測樣品被所述樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過樣品導(dǎo)流管 泵入或泵出所述樣品流動池。 所述樣品流動池通過可調(diào)節(jié)的螺栓設(shè)置在所述活動棱鏡固定架上，所述樣品流動 池包括惰性隔層、溫度傳感器和電熱模塊，所述溫度傳感器和電熱模塊均與所述電氣控制 系統(tǒng)電連接，所述樣品流動池通過一彈性密封墊圈緊貼于所述傳感膜表面，在所述惰性隔 層與傳感膜之間構(gòu)成一個密封的樣品流動空間。 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)具有 自匹配功能，在角度掃描時出射光線與入射光線方向始終平行，使得主要光學(xué)系統(tǒng)固定， 僅通過旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)的獨(dú)立運(yùn)動就可以實現(xiàn)角度掃描時圖像信號的同步采集，免去了復(fù) 雜的機(jī)械聯(lián)動機(jī)構(gòu)，因此可保證光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定，實現(xiàn)高精度角度掃描(角度分辨率達(dá)到 1X10—3度)以及圖像的實時采集。2、本發(fā)明的棱鏡切換機(jī)構(gòu)能夠同時固定多個直角棱角， 可通過快速轉(zhuǎn)換不同底角的棱鏡實現(xiàn)光線入射角的大范圍可調(diào)(40° 80° )，實現(xiàn)了入 射光的寬角度掃描，從而擴(kuò)大了分析樣品范圍。3、本發(fā)明的樣品反應(yīng)池帶有溫控系統(tǒng)，能 夠?qū)崿F(xiàn)恒溫控制，可為樣品檢測提供穩(wěn)定的溫控環(huán)境，同時還是一種可與SPR系統(tǒng)分離的 模塊化結(jié)構(gòu)，便于清洗與維護(hù)。4、本發(fā)明的成像元件是一種可變焦的光學(xué)圖像收集系統(tǒng)， 可以根據(jù)用戶需要連續(xù)調(diào)節(jié)成像視場，方便系統(tǒng)對于不同尺寸傳感膜的兼容。5、本發(fā)明的 SPR傳感膜設(shè)置在可與棱鏡分離的基片表面，基片可以直角棱鏡分離，因此安裝簡單、便于 更換，有效降低傳感膜的使用成本。本發(fā)明的表面等離子共振成像分析儀可用于包括復(fù)雜 生物樣品在內(nèi)的各種樣品的微量高通分析，藥物檢測或篩選等工作環(huán)境。


圖1是Kretschmann結(jié)構(gòu)的表面等離子成像示意圖 圖2是高通量多參數(shù)圖像表面等離子體諧振測試儀結(jié)構(gòu)示意圖 圖3是采用表面等離子體諧振檢測技術(shù)的測試分析儀器結(jié)構(gòu)示意圖 圖4是自適應(yīng)表面等離子體波氣體折射率傳感元件結(jié)構(gòu)示意圖 圖5是雙通道自適應(yīng)型表面等離子共振折射率光學(xué)元件結(jié)構(gòu)示意圖 圖6是本發(fā)明的原理示意圖 圖7是本發(fā)明中部分設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖 圖8是本發(fā)明中旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖9是本發(fā)明的直角棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖 圖10是本發(fā)明的直角棱鏡的另一結(jié)構(gòu)示意圖 圖11是本發(fā)明中固定光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖12是本發(fā)明中固定光學(xué)系統(tǒng)的工作狀態(tài)示意圖 圖13是本發(fā)明中進(jìn)樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 圖14是本發(fā)明中進(jìn)樣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)放大圖 圖15是為應(yīng)用本發(fā)明的實施例得到的表面等離子共振圖像
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。 如圖6 7所示，本發(fā)明包括一儀器底板19、一機(jī)箱外殼(圖中未示出)、一旋轉(zhuǎn) 掃描機(jī)構(gòu)20、一固定光學(xué)系統(tǒng)21、一進(jìn)樣系統(tǒng)22和一電氣控制系統(tǒng)23。其中，旋轉(zhuǎn)掃描機(jī) 構(gòu)20、固定光學(xué)系統(tǒng)21和進(jìn)樣系統(tǒng)22均固定在儀器底板19表面上并設(shè)置在機(jī)箱外殼內(nèi)， 儀器底板19表面為基本水平面。電氣控制系統(tǒng)23設(shè)置在機(jī)箱外殼內(nèi)，并分別與旋轉(zhuǎn)掃描機(jī) 構(gòu)20、固定光學(xué)系統(tǒng)21、進(jìn)樣系統(tǒng)22電氣連接，可以采集并控制固定光學(xué)系統(tǒng)21探測到的 圖像、旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)20測量到的光入射角度、進(jìn)樣系統(tǒng)22中的溫度等參數(shù)，同時電氣控制 系統(tǒng)23可以通過USB接口與上位機(jī)24連接。上位機(jī)24內(nèi)預(yù)設(shè)置的數(shù)據(jù)采集處理模塊和 系統(tǒng)控制模塊，系統(tǒng)控制模塊內(nèi)設(shè)定有入射角、溫度值預(yù)設(shè)值，數(shù)據(jù)采集處理模塊用于實時 電氣控制系統(tǒng)23采集到的圖像、入射角度以及溫度等參數(shù)；系統(tǒng)控制模塊根據(jù)數(shù)據(jù)采集模 塊采集的參數(shù)信息，在上位機(jī)24上重繪圖像或曲線，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲， 比如可以進(jìn)行對動態(tài)圖像進(jìn)行多選區(qū)譜線分析、圖像背景扣除、圖像二維到三維轉(zhuǎn)換、圖像 亮度對角度變化作圖等處理。 如圖8所示，旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)20包括一旋轉(zhuǎn)平臺201、一可繞中心軸202在旋轉(zhuǎn)平 臺201表面水平轉(zhuǎn)動的活動棱鏡固定架203、一入射角讀數(shù)器204、一制動元件205、一傳動 機(jī)構(gòu)和至少兩個直角棱鏡206。旋轉(zhuǎn)平臺201與儀器底板19平行，令旋轉(zhuǎn)平臺201的中心 為P。中心軸202垂直固定在旋轉(zhuǎn)平臺201表面上，且不與中心P同心。入射角讀數(shù)器204 設(shè)置在旋轉(zhuǎn)平臺201上，并與電氣控制系統(tǒng)23電連接，入射角讀數(shù)器204將讀取到的光線 入射角度值輸送給電氣控制系統(tǒng)23，本實施例中，入射角讀數(shù)器204采用的是圓光柵X和 光柵讀數(shù)頭Y，圓光柵X的圓心與旋轉(zhuǎn)平臺201上的中心P同心，光柵讀數(shù)頭Y設(shè)置在旋轉(zhuǎn) 平臺201的底座M上的任意位置，通過光柵讀數(shù)頭Y可以讀取圓光柵X的角度值，底座M固定設(shè)置在儀器底板19上。本實施例中制動元件205可以采用一電機(jī)，機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)使用了 渦輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)，渦輪與旋轉(zhuǎn)平臺201同軸，蝸桿與制動元件205的轉(zhuǎn)軸連接，當(dāng)電氣控 制系統(tǒng)23接收到的入射角讀數(shù)器204讀出的入射角與設(shè)定入射角有差異時，電氣控制系統(tǒng) 23發(fā)送一指令給制動元件205，制動元件205將動力通過傳動機(jī)構(gòu)傳遞給旋轉(zhuǎn)平臺201，驅(qū) 動旋轉(zhuǎn)平臺201繞旋轉(zhuǎn)軸P做精密旋轉(zhuǎn)。在棱鏡固定架203上通過支架2031固定有兩個 或兩個以上底角不同的直角棱鏡206，棱鏡固定架203的底部設(shè)置有分別與各直角棱鏡206 對應(yīng)的定位槽，該定位槽可以與固定設(shè)置在旋轉(zhuǎn)平臺201上的活動定位銷配合，活動定位 銷的數(shù)目可為一個或一個以上。定位槽也可以設(shè)置在旋轉(zhuǎn)平臺201上，此時活動定位銷對 應(yīng)設(shè)置在棱鏡固定架203上。本實施例中，棱鏡固定架203可以由金屬合金或工程塑料等 通過機(jī)械加工得到，其優(yōu)選材料為鋁合金，棱鏡固定架203與中心軸202為間隙配合。直角 棱鏡206上的的支架2031可以與棱鏡固定架203為一體結(jié)構(gòu)。 如圖9 10所示，直角棱鏡206的形狀為一直四棱臺。直四棱臺形狀的直角棱鏡 206的一個側(cè)面為矩形且垂直于上、下底面，與垂直的矩形側(cè)面相對的側(cè)面為斜面，該斜面 與上、下底面成一定角度，剩下的兩個側(cè)面為相互平行的直角梯形，面積較大的底面為上底 面，面積較小的底面為下底面。其中，定義上底面為第一直角面ABCD，矩形側(cè)面為第二直角 面CDEF，第一直角面ABCD與第二直角面CDEF相互垂直，斜面ABGH與第一直角面ABCD所成 的銳角夾角為底角a 。 直角棱鏡206上的第一直角面ABCD上設(shè)置表面等離子共振傳感器207，與第一直 角面ABCD相對應(yīng)，第二直角面CDEF外表面上設(shè)置增強(qiáng)反射涂層，可以增強(qiáng)光線在其內(nèi)表面 的反射率。斜面ABGH外表面上可以設(shè)置有增透膜，可以增強(qiáng)光線的透過率。表面等離子共 振傳感器207表面可以通過化學(xué)修飾方法設(shè)置用于識別待測樣品的探針分子點陣。表面等 離子共振傳感器207可以是一單獨(dú)的傳感膜208，也可以由透明基片209和傳感膜208組 成，其中傳感膜208通過透明基片209設(shè)置在直角棱鏡206上，傳感膜208設(shè)置在透明基片 209的外表面，透明基片209的內(nèi)表面通過折射率匹配介質(zhì)貼附于直角棱鏡的第一直角面 ABCD上。 上述實施例中，直角棱鏡206可以由光學(xué)玻璃制成，也可以由聚丙烯酸酯等光學(xué) 聚合物等透明材料制成。本實施例中，直角棱鏡206是由硼硅酸鹽光學(xué)玻璃制成，光學(xué)玻璃 的型號優(yōu)選BK7，直角棱鏡可以通過光學(xué)加工領(lǐng)域的一般加工手段研磨得到。表面等離子共 振傳感器207由可以激發(fā)SPR的金、銀、鋁等金屬或其它材料制成，相當(dāng)于現(xiàn)有技術(shù)中的金 膜。表面等離子共振傳感器207表面的探針分子陣列可以根據(jù)待測樣品組分進(jìn)行選擇，也 可以同時設(shè)置成百上千種探針分子，從而可實現(xiàn)高通量篩選和模式識別。本實施例中的傳 感膜208為厚度為50nm的金膜。增強(qiáng)反射涂層可以是銀、鋁、金等金屬或介質(zhì)，本實施例中 使用金屬銀涂層，增強(qiáng)反射涂層可以通過真空蒸鍍法或離子濺射鍍膜法得到。透明基片209 可以由光學(xué)玻璃制成，也可以由聚丙烯酸酯等光學(xué)聚合物等透明材料制成，本實施例中，透 明基片209由厚度為0. 2mm硼硅酸鹽光學(xué)玻璃制成，光學(xué)玻璃的型號優(yōu)選BK7，也可以選用 聚碳酸酯等其它可與直角棱鏡的折射率相匹配的光學(xué)透明材料。透明基片209與直角棱鏡 206之間的折射率匹配介質(zhì)的折射率與透明基片209和直角棱鏡206相同，其材料可以為液 體和凝膠等，如松柏油和有機(jī)硅凝膠，本實施例中優(yōu)選松柏油。安裝透明 片209時，首先 在透明基片209未鍍傳感膜208的一面中心位置滴加數(shù)微升松柏油，然后從底邊開始逐漸將透明基片209與直角棱鏡206的第一直角面ABCD貼在一起。實驗結(jié)束后，透明基片209 和直角棱鏡206可以進(jìn)行物理分離，從而便于更換表面的傳感膜208。 為滿足不同入射角范圍的測試需要，可以通過切換不同大小底角的直角棱鏡206 來實現(xiàn)寬范圍尋角，由此滿足寬入射角范圍的成像測試需要，本實施例中為兩直角棱鏡 206，比如圖8中的直角棱鏡一 Q和直角棱鏡二 G。直角棱鏡一 Q和直角棱鏡二 G的兩直角 面(包括第一直角面ABCD與第二直角面CDEF)垂直于旋轉(zhuǎn)平臺201的表面。當(dāng)直角棱鏡 206被定位槽和定位銷固定不動時，旋轉(zhuǎn)平臺201中心P位于設(shè)置有傳感膜208的第一直角 面ABCD內(nèi)，此時系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)。這樣就可以保證在旋轉(zhuǎn)平臺201旋轉(zhuǎn)時，表面等離子 共振傳感器207的面心落在出射光光軸附近的范圍內(nèi)，使得圖像不至于偏離視場。在外力 的作用下，棱鏡固定架203可以繞中心軸202轉(zhuǎn)動，使活動定位銷從直角棱鏡一 Q對應(yīng)的定 位槽中脫出。當(dāng)棱鏡固定架203旋轉(zhuǎn)使活動定位銷與直角棱鏡二G對應(yīng)的定位槽配合時，系 統(tǒng)便進(jìn)入工作狀態(tài)。如直角棱鏡一Q的底角a為50° ，直角棱鏡二G的底角a為70° ， 運(yùn)用直角棱鏡一Q和直角棱鏡二G的切換，可以實現(xiàn)入射角從40。到80°的寬范圍成像測 試的需要。 直角棱鏡一Q與直角棱鏡二G可以隨旋轉(zhuǎn)平臺201繞中心P同步轉(zhuǎn)動，平行偏振 光在垂直于第二直角面CDEF的平面內(nèi)，以固定方向從斜面ABGH射入直角棱鏡206，平行偏 振光在直角棱鏡206中的反射法平面與第二直角面CDEF垂直。平行偏振光經(jīng)過第二直角 面CDEF反射至第一直角面ABCD，再經(jīng)第一直角面ABCD全反射，由斜面ABGH透出直角棱鏡 206，出射光與入射的平行偏振光的方向反向平行，第一直角面ABCD繞中心軸202的精密 旋轉(zhuǎn)便能實現(xiàn)角度精密掃描的目的。平行偏振光從斜面ABGH射入也可以先經(jīng)第一直角面 ABCD的全反射，再被第二直角面CDEF反射，由斜面ABGH透出直角棱鏡206。
如圖11所示，固定光學(xué)系統(tǒng)21包括一光發(fā)射組件211和一光接收組件212。其 中，光發(fā)射組件211包括一光源213、一由偏光元件、光準(zhǔn)直元件和可變孔徑空間光闌構(gòu)成 第一光學(xué)元件組214、一將光線導(dǎo)向的反射元件215 ;光接收組件212包括一成像元件組 216和一檢測器217。光源213可以采用窄帶光源，也可以采用激光器或半導(dǎo)體發(fā)光二極管 等。偏振元件214對光源213發(fā)出的光進(jìn)行偏振，其可以采用線性聚合物高分子偏振鏡和 電致液晶偏振鏡等。光準(zhǔn)直元件215優(yōu)選曲面透鏡組，也可以采用使用曲面反射鏡組。平 行偏振光的孔徑可以通過可變孔徑空間光闌進(jìn)行調(diào)節(jié)，可變孔徑空間光闌可以是圓形或方 形，由于傳感膜208實現(xiàn)SPRI成像的先決條件是傳感膜208表面的所有區(qū)域均能發(fā)生SPR 現(xiàn)象，因此所選平行偏振光的孔徑由直角棱鏡206的第一直角面ABCD上的傳感膜208的大 小決定，本實施例中傳感膜208尺寸為20mmX20mm，所用平行偏振光的孔徑為40mm。成像 元件組216可以采用至少兩組位置可調(diào)的曲面透鏡組單元組成的變焦成像系統(tǒng)，也可以采 用非變焦成像系統(tǒng)。成像元件組216采用變焦成像系統(tǒng)時，是通過調(diào)節(jié)曲面透鏡組單元的 位置，實現(xiàn)物象共軛距離不變條件下的變焦成像。具體為通過調(diào)節(jié)透鏡組單元的位置，改變 傳感膜208在檢測器表面成像的大小，從而實現(xiàn)對不同尺寸的傳感膜208的成像分析。本 實施例中的成像元件組216采用的變焦成像系統(tǒng)為等效焦距為75mm與50mm的兩組透鏡組 單元，具有4倍的放大倍率。檢測器217可以是陣列電荷耦合器件(CCD)、陣列互補(bǔ)金屬氧 化物半導(dǎo)體(CMOS)或陣列光電二極管等。如圖12所示，在工作狀態(tài)中，光發(fā)射組件211與 光接收組件212的位置可通過設(shè)置反射鏡等元件進(jìn)行改變，本實施例中光發(fā)射組件211與
9光接收組件212設(shè)置在直角棱鏡第一直角面ABCD法線的同一側(cè)。由光發(fā)射組件211發(fā)射 的平行偏振光從斜面ABGH射入直角棱鏡，在由斜面ABGH透出直角棱鏡。出射光由光接收 組件212接收，通過變焦成像單元將傳感膜208共振圖像成像于檢測器217表面。
如圖13、圖14所示，進(jìn)樣系統(tǒng)22包括樣品流動池221、樣品切換機(jī)構(gòu)222和樣品驅(qū) 動機(jī)構(gòu)223。樣品切換機(jī)構(gòu)222中可以同時放置多個樣品瓶H，通過手動或自動選擇，將裝 有所需樣品的樣品瓶H與樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)223連接。樣品切換機(jī)構(gòu)222中的待測樣品被樣品 驅(qū)動機(jī)構(gòu)223通過樣品導(dǎo)流管224泵入或泵出樣品流動池221。本實施例中樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu) 223選用是氣壓驅(qū)動，通過高精密比例電磁閥來控制樣品的進(jìn)樣速度，但也可以使用注射泵 等其它驅(qū)動方式。樣品流動池221通過可調(diào)節(jié)的螺栓225設(shè)置在棱鏡固定架203上，樣品 流動池221的凸底正好與棱鏡固定架203上凹槽吻合。與傳感膜208表面借助彈性密封墊 圈226緊密相貼。樣品流動池221包括惰性隔層227、溫度傳感器228和電熱模塊229，用 于控制樣品的溫度以及使樣品保持恒溫。 樣品流動池221的密封墊圈226與透明基片209外表面的傳感膜208接觸，通過 調(diào)節(jié)穿過樣品流動池221兩側(cè)的螺栓225與棱鏡固定架203之間的配合，使樣品流動池221 緊貼于傳感膜208表面，在惰性隔層227與傳感膜208之間構(gòu)成一個密封的樣品流動空間。 惰性隔層227用于將待測樣品與電熱模塊229隔開，避免電熱模塊229被待測樣品腐蝕，惰 性隔層227可以為薄玻璃和全氟聚合物涂層等，本發(fā)明優(yōu)選薄玻璃。密封墊圈226具體而 言是具有彈性的耐腐蝕材料，本實施例中優(yōu)選有機(jī)硅橡膠，也可以使用氟橡膠等材料。樣品 流動池221的體積由密封墊圈226的厚度決定，本實施例中密封墊圈226的厚度為0. 5mm。 樣品流動池221至少包括兩個樣品導(dǎo)流管224作為待測樣品的進(jìn)口和出口 。電熱模塊229 緊貼于惰性隔層227，用來對樣品流動池221加熱或制冷，電熱模塊229優(yōu)選半導(dǎo)體電熱器 件(TEC)，還可以使用熱管和壓縮機(jī)等。溫度傳感器228設(shè)置在電熱模塊229與惰性隔層 227之間，用于測量樣品流動池221的溫度，溫度傳感器228可以為熱電偶或熱電阻，本實施 例使用熱電阻(Pt100)。溫度傳感器228和電熱模塊229與電氣控制系統(tǒng)23相連，電氣控 制系統(tǒng)23可以比較溫度傳感器228的溫度與溫度設(shè)定值之間的差別，并控制電熱模塊229 進(jìn)行加熱或制冷，以此來控制樣品流動池221內(nèi)的溫度。
上述各實施例中，本發(fā)明的各所有透光表面均可以設(shè)置增透膜。
如圖15所示，利用本發(fā)明得到的蛋白質(zhì)陣列點的SPR圖像，圖中點間距為250iim， 根據(jù)得到的圖像可以看到，本實施例的空間分辨率優(yōu)于150 ym。 以上所述，僅為本發(fā)明的一種較佳實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可依據(jù)本發(fā)明說明 書、權(quán)利要求書與附圖進(jìn)行修改與等效變換，這樣的修改與變換均不應(yīng)排除在本發(fā)明的范 圍之外。
權(quán)利要求
一種表面等離子共振成像分析儀，其特征在于，它包括一旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)，其包括一可繞中心旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)平臺、一可繞中心軸在所述旋轉(zhuǎn)平臺表面水平轉(zhuǎn)動的棱鏡固定架、至少兩個底角不同的直角棱鏡、一讀出入射角度值的入射角讀數(shù)器、與所述直角棱鏡對應(yīng)的定位槽、至少一個與所述定位槽配合以固定所述直角棱鏡的活動定位銷、一制動元件和一傳送所述制動元件動力以驅(qū)動所述旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動的傳動機(jī)構(gòu)；其中，所述中心軸垂直固定在所述旋轉(zhuǎn)平臺上且不同于所述旋轉(zhuǎn)軸；所述定位槽設(shè)置在所述旋轉(zhuǎn)平臺和棱鏡固定架之一上，所述定位銷相應(yīng)地設(shè)置在所述棱鏡固定架和旋轉(zhuǎn)平臺之一上；所述直角棱鏡為上的一側(cè)面為矩形且垂直于底面，與垂直的矩形側(cè)面相對的側(cè)面為斜面，該斜面與所述底面成的夾角為一銳角，與所述矩形側(cè)面垂直的底面作為第一直角面且其外表面上設(shè)置有表面等離子共振傳感器，所述矩形側(cè)面作為第二直角面且其外表面上設(shè)置有增強(qiáng)反射涂層；各所述第一、二直角面同時垂直固定設(shè)置在所述棱鏡固定架；所述直角棱鏡固定時所述旋轉(zhuǎn)平臺的中心位于所述第一直角面內(nèi)；一固定光學(xué)系統(tǒng)，其包括一光發(fā)射組件和一光接收組件，均設(shè)置在所述第一直角面法線的同一側(cè)；所述光發(fā)射組件包括一光源，在所述光源光路上設(shè)置有偏光元件和光準(zhǔn)直元件；所述光接收組件包括一檢測器和成像元件組；一進(jìn)樣系統(tǒng)，其包括一樣品流動池和一樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)；所述樣品流動池與所述表面等離子共振傳感器的表面緊密相貼，待測樣品通過所述樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)泵入或泵出所述樣品流動池；一電氣控制系統(tǒng)，其同時電連接所述入射角讀數(shù)器、制動元件、檢測器、樣品流動池和樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)；一上位機(jī)，其電連接所述電氣控制系統(tǒng)，所述上位機(jī)內(nèi)預(yù)設(shè)置有數(shù)據(jù)采集處理模塊和設(shè)定有入射角、溫度值預(yù)設(shè)值的系統(tǒng)控制模塊；所述系統(tǒng)控制模塊通過所述數(shù)據(jù)采集處理模塊實時接收所述電氣控制系統(tǒng)采集到的圖像、入射角度和溫度，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)存儲，同時對所述制動元件和樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種表面等離子共振成像分析儀，其特征在于，所述表面等離 子共振傳感器是一傳感膜。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種表面等離子共振成像分析儀，其特征在于，所述表面等離 子共振傳感器是由透明基片和傳感膜組成，所述傳感膜設(shè)置在所述透明基片的外表面上， 所述傳感膜與透明基片之間設(shè)置有與所述直角棱鏡和透明基片折射率相同的折射率匹配 介質(zhì)。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種表面等離子共振成像分析儀，其特征在于，所述直角棱鏡 和透明基片的材料為光學(xué)玻璃和光學(xué)聚合物之一。
5. 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種表面等離子共振成像分析儀，其特征在于所 述固定光學(xué)系統(tǒng)中的光發(fā)射組件設(shè)置有一可變孔徑空間光闌和一將光線導(dǎo)向的反射元件。
6. 如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種表面等離子共振成像分析儀，其特征在于 所述進(jìn)樣系統(tǒng)還包括放置至少一個樣品瓶的樣品切換機(jī)構(gòu)，所述樣品切換機(jī)構(gòu)與所述樣品 驅(qū)動機(jī)構(gòu)電連接，所述樣品瓶中的待測樣品被所述樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過樣品導(dǎo)流管泵入或泵 出所述樣品流動池。
7. 如權(quán)利要求5所述的一種表面等離子共振成像分析儀，其特征在于所述進(jìn)樣系統(tǒng)還包括放置至少一個樣品瓶的樣品切換機(jī)構(gòu)，所述樣品切換機(jī)構(gòu)與所述樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)電連接，所述樣品瓶中的待測樣品被所述樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過樣品導(dǎo)流管泵入或泵出所述樣品流動池。
8. 如權(quán)利要求1或2或3或4或7所述的一種表面等離子共振成像分析儀，其特征在于所述樣品流動池通過可調(diào)節(jié)的螺栓設(shè)置在所述活動棱鏡固定架上，所述樣品流動池包括惰性隔層、溫度傳感器和電熱模塊，所述溫度傳感器和電熱模塊均與所述電氣控制系統(tǒng)電連接，所述樣品流動池通過一彈性密封墊圈緊貼于所述傳感膜表面，在所述惰性隔層與傳感膜之間構(gòu)成一個密封的樣品流動空間。
9. 如權(quán)利要求5所述的一種表面等離子共振成像分析儀，其特征在于所述樣品流動池通過可調(diào)節(jié)的螺栓設(shè)置在所述活動棱鏡固定架上，所述樣品流動池包括惰性隔層、溫度傳感器和電熱模塊，所述溫度傳感器和電熱模塊均與所述電氣控制系統(tǒng)電連接，所述樣品流動池通過一彈性密封墊圈緊貼于所述傳感膜表面，在所述惰性隔層與傳感膜之間構(gòu)成一個密封的樣品流動空間。
10. 如權(quán)利要求6所述的一種表面等離子共振成像分析儀，其特征在于所述樣品流動池通過可調(diào)節(jié)的螺栓設(shè)置在所述活動棱鏡固定架上，所述樣品流動池包括惰性隔層、溫度傳感器和電熱模塊，所述溫度傳感器和電熱模塊均與所述電氣控制系統(tǒng)電連接，所述樣品流動池通過一彈性密封墊圈緊貼于所述傳感膜表面，在所述惰性隔層與傳感膜之間構(gòu)成一個密封的樣品流動空間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種表面等離子共振成像分析儀，它包括一旋轉(zhuǎn)掃描機(jī)構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)平臺、棱鏡固定架、至少兩個底角不同的直角棱鏡、入射角讀數(shù)器、定位槽、至少一個活動定位銷、制動元件和傳動機(jī)構(gòu)；一固定光學(xué)系統(tǒng)包括光發(fā)射組件和光接收組件，均設(shè)置在所述第一直角面法線的同一側(cè)；光發(fā)射組件包括一光源，在光源光路上設(shè)置有偏光元件和光準(zhǔn)直元件；光接收組件包括檢測器和成像元件組；一進(jìn)樣系統(tǒng)包括樣品流動池和樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)；一電氣控制系統(tǒng)電連接所述入射角讀數(shù)器、制動元件、檢測器、樣品流動池和樣品驅(qū)動機(jī)構(gòu)；一上位機(jī)采集圖像、入射角度和溫度，并通過電氣控制系統(tǒng)控制其它設(shè)備。本發(fā)明保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)了入射光的寬角度掃描，可用于包括復(fù)雜生物樣品在內(nèi)的各種樣品的微量高通分析，藥物檢測或篩選等工作環(huán)境中。
文檔編號G01N21/41GK101694464SQ20091023577
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者張軼鳴, 許吉英, 陳義 申請人:中國科學(xué)院化學(xué)研究所;