一種spr檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于生物檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種SPR檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]SPR(Surface Plasmon Resonance，表面等離子體共振)技術(shù)可以用于分子識(shí)別，特異性反應(yīng)，分子間反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量等等，具有廣泛應(yīng)用。光譜診斷SPR技術(shù)具有大的動(dòng)態(tài)范圍、高靈敏度以及涉及的光機(jī)電設(shè)備成熟，因此，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究。但是，SPR共振波長(zhǎng)位置無(wú)法直接準(zhǔn)確測(cè)量，由于對(duì)應(yīng)強(qiáng)度理上可以等于零，在其附近的區(qū)域值基本淹沒在噪聲中，而且SPR技術(shù)的靈敏度對(duì)光譜分辨能力特別敏感，通常要求對(duì)光譜位置分辨能力達(dá)到0.0lnm。而且，隨著傳感表面分子間動(dòng)態(tài)的相互作用，共振波長(zhǎng)將發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)大小與反應(yīng)分子濃度和分子量大小有關(guān)，對(duì)于普通蛋白分子如IgG，濃度為5ug/ml，移動(dòng)范圍約2-3nm，反應(yīng)時(shí)間約5分鐘。為了測(cè)得共振波長(zhǎng)隨反應(yīng)時(shí)間變化曲線，S卩SPR光譜曲線，通常要求時(shí)間分辨率小于1秒。特別的，實(shí)際通常需要對(duì)整個(gè)二維傳感面進(jìn)行并行高通量測(cè)量，由于傳感面不同位置差異會(huì)導(dǎo)致各個(gè)位點(diǎn)的共振波長(zhǎng)不同，因此，如何在1秒內(nèi)能夠?qū)φ麄€(gè)傳感芯片的各個(gè)位點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行SPR共振波長(zhǎng)進(jìn)行快速診斷是光譜診斷SPR技術(shù)的瓶頸。
[0003]目前，有兩種SPR診斷方法，一種是犧牲時(shí)間，獲取高通量測(cè)量;另一種是犧牲測(cè)量通量，獲取高時(shí)間分辨。前者采用單色儀掃描入射光波長(zhǎng)，利用CCD相機(jī)等二維探測(cè)器同步記錄每個(gè)波長(zhǎng)下光強(qiáng)度，隨著入射波長(zhǎng)掃描，一系列強(qiáng)度圖被記錄，不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)，每幅圖像對(duì)應(yīng)一個(gè)波長(zhǎng)，每幅圖像的對(duì)應(yīng)像素構(gòu)成強(qiáng)度隨光譜變化的曲線，即對(duì)應(yīng)傳感面上某點(diǎn)的SPR光譜輪廓曲線，類推地，由所有像素按照上述方式構(gòu)成一系列SPR光譜輪廓曲線，每條曲線對(duì)應(yīng)SPR傳感面的一個(gè)像素點(diǎn)，每條SPR光譜輪廓線的最小值即為該像素點(diǎn)的共振光波長(zhǎng)，通過不斷反復(fù)在同一固定的光譜范圍內(nèi)獲取上述一系列SPR光譜輪廓曲線，監(jiān)測(cè)每條SPR光譜輪廓線的最小值的變化，可以獲得傳感器表面折射率變化，實(shí)現(xiàn)SPR傳感測(cè)量。由于單色儀中分光主要采用旋轉(zhuǎn)的光柵實(shí)現(xiàn)，為機(jī)械掃描方式，轉(zhuǎn)動(dòng)元件慣性等因素，無(wú)法快速周期掃描;而且，對(duì)于整個(gè)傳感面而言，由于傳感膜厚度、光線入射角不同(白光光源準(zhǔn)直性差，以及棱鏡色散等導(dǎo)致)和探針分子種類和濃度等因素導(dǎo)致的傳感芯片各點(diǎn)的共振光譜不一致，而且還是隨著分子間相互作用產(chǎn)生不一致的移動(dòng)，無(wú)法預(yù)先恰當(dāng)設(shè)定，因此，目前所報(bào)道的皆是在固定的整個(gè)工作光譜段進(jìn)行全譜線掃描，以免某些共振波長(zhǎng)在測(cè)量過程中移除掃描范圍，產(chǎn)生測(cè)量錯(cuò)誤。目前，報(bào)道最快的用于光譜診斷SPR的掃描速度為2s/波長(zhǎng)，所以獲得整個(gè)SPR光譜輪廓一次花費(fèi)的時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，無(wú)法滿足分子間相互作用的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
[0004]后者，利用光譜儀進(jìn)行反射光的光譜快速分析，具有足夠快的測(cè)量速度，為了提高測(cè)量通量，將傳感膜不同位置反射光分別導(dǎo)入不同的光譜儀，實(shí)現(xiàn)并行探測(cè)，但每個(gè)位置需要一個(gè)光譜儀，成本高，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)高密度傳感芯片監(jiān)測(cè)以及成像檢測(cè)。
[0005]綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在如下技術(shù)問題:沒有技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)二維傳感芯片的所有位點(diǎn)的SPR光譜曲線的并行快速掃描技術(shù)，不能快速獲取二維傳感芯片的所有位點(diǎn)的SPR光譜曲線，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)二維傳感芯片的所有位點(diǎn)的共振波長(zhǎng)快速并行監(jiān)測(cè)，而且現(xiàn)有技術(shù)還存在二維芯片各點(diǎn)傳感靈敏度一致性差的缺點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種SPR檢測(cè)系統(tǒng)及方法，其目的在于通過對(duì)共振光譜曲線在共振波長(zhǎng)附近進(jìn)行局部光譜掃錨，從而減小了掃描光譜范圍；并通過掃描光譜范圍反饋來(lái)實(shí)時(shí)追蹤共振光譜，提高共振波長(zhǎng)診斷速度;傳統(tǒng)的寬光譜范圍掃描整個(gè)SPR光譜曲線時(shí)間長(zhǎng)(獲得一條SPR光譜曲線至少是幾十秒)，而某些分子相互作用時(shí)間較短，傳統(tǒng)的寬光譜掃描不能滿足分子相互作用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問題，本技術(shù)旨在解決分子相互作用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問題。
[0007]本發(fā)明提供了一種SPR檢測(cè)系統(tǒng)，包括:光源，用于發(fā)射光譜連續(xù)的寬帶光;第一準(zhǔn)直透鏡組，用于對(duì)所述寬帶光進(jìn)行準(zhǔn)直后聚焦;多模光纖MF，其入射端設(shè)置在所述第一準(zhǔn)直透鏡組的輸出焦平面上，用于對(duì)經(jīng)過所述第一準(zhǔn)直透鏡組聚焦后的光進(jìn)行耦合;第二準(zhǔn)直透鏡組，其輸入焦平面上設(shè)置有所述多模光纖MF的出射端，用于對(duì)耦合后的光進(jìn)行準(zhǔn)直后聚焦;孔徑光闌DA，位于所述第二準(zhǔn)直透鏡組的輸出焦平面上，用于對(duì)經(jīng)所述第二準(zhǔn)直透鏡組聚焦后的光進(jìn)行空間濾波后獲得聚焦的光;透鏡L5，與所述第二準(zhǔn)直透鏡組共焦面設(shè)置，用于對(duì)所述聚焦光點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)直處理;液晶可調(diào)光學(xué)濾波器，用于對(duì)光源發(fā)出的寬帶光進(jìn)行濾波后獲得窄帶光;偏振片P1，用于對(duì)所述窄帶光進(jìn)行偏振作用，以獲得偏振態(tài)的入射光；SPR傳感單元，包括棱鏡、金膜和流通池;所述棱鏡對(duì)入射光進(jìn)行耦合后激發(fā)所述金膜表面的等離子體共振，由所述流通池使待測(cè)樣品通過所述金膜表面，從而進(jìn)行檢測(cè);透鏡L6，用于對(duì)經(jīng)所述SPR傳感單元的反射光進(jìn)行收集、準(zhǔn)直;檢偏器P2，用于消除反射光中的雜散光，提高信噪比;透鏡L7，用于將偏振光進(jìn)行匯聚;面陣探測(cè)器，置于所述透鏡L7的焦面，用于記錄匯聚后的光譜的強(qiáng)度;控制模塊，輸入端用于接收所述面陣探測(cè)器采集的光圖像，并對(duì)其進(jìn)行處理后輸出用于調(diào)整所述液晶可調(diào)光學(xué)濾波器的掃描光譜范圍的反饋控制信號(hào)。
[0008]更進(jìn)一步地，所述第一準(zhǔn)直透鏡組包括依次同軸設(shè)置的透鏡L1和透鏡L2。
[0009]更進(jìn)一步地，所述第二準(zhǔn)直透鏡組包括依次同軸設(shè)置的透鏡L3和透鏡L4。
[0010]更進(jìn)一步地，工作時(shí)，當(dāng)確定光譜掃描范圍后，所述液晶可調(diào)光學(xué)濾波器按照指定工作模式進(jìn)行光譜掃描輸出，由面陣探測(cè)器同時(shí)記錄每個(gè)輸出光譜對(duì)應(yīng)的SPR傳感單元反射的光強(qiáng)度，并獲得多個(gè)強(qiáng)度圖像，每個(gè)圖像的相同位置的像素組成強(qiáng)度隨光波長(zhǎng)變化曲線即為該位置的SPR光譜輪廓曲線。
[0011 ]本發(fā)明還提供了一種SPR檢測(cè)方法，包括下述步驟:
[0012](1)在整個(gè)工作光譜段上以等步長(zhǎng)方式并行掃描并記錄對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的傳感芯片的二維圖像；
[0013](2)根據(jù)所述二維圖像和與圖像對(duì)應(yīng)的像素獲得對(duì)應(yīng)傳感位置的共振波長(zhǎng)；
[0014](3)獲得所有共振波長(zhǎng)中的最大共振波長(zhǎng)和最小共振波長(zhǎng)；
[0015](4)通過將所述最大共振波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)第一距離后獲得下次掃描區(qū)域的波長(zhǎng)上限，通過將所述最小共振波長(zhǎng)向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)第二距離后獲得下次掃描區(qū)域的波長(zhǎng)下限，并根據(jù)所述波長(zhǎng)上限和所述波長(zhǎng)下限獲得下次掃描的波長(zhǎng)范圍；
[0016](5)確定掃描步長(zhǎng)；
[0017](6)在所述下次掃描的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，根據(jù)步驟(5)確定的掃描步長(zhǎng)，在該參數(shù)下對(duì)局部光譜區(qū)域進(jìn)行快速掃描并記錄該掃描光譜所對(duì)應(yīng)二維圖像；
[0018](7)對(duì)局部掃描圖像，重復(fù)執(zhí)行步驟(2)?(6)，獲得不同時(shí)刻的所有傳感位置的共振波長(zhǎng)，并獲得二維波長(zhǎng)敏感SPR傳感圖像。
[0019]更進(jìn)一步地，在步驟(1)與步驟(2)之間還包括如下步驟:獲得所述二維圖像中的局部臨近像素的平均值，并根據(jù)平均值獲得像素更少的新的二維圖像。
[0020]更進(jìn)一步地，步驟(2)具體為:
[0021]根據(jù)所述二維圖像和與圖像對(duì)應(yīng)的像素獲得SPR光譜曲線；
[0022]通過擬合和插值分別獲得每條SPR光譜曲線的強(qiáng)度最小值，即對(duì)應(yīng)傳感位置的共振波長(zhǎng)。
[0023]更進(jìn)一步地，步驟(4)中，所述第一距離和所述第二距離的范圍為3nm?50nm。
[0024]更進(jìn)一步地，步驟(5)中確定掃描步長(zhǎng)具體為:在最大共振波長(zhǎng)和最小共振波長(zhǎng)之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)步長(zhǎng)為小步長(zhǎng)，如0.01nm-2nm，在該區(qū)域以外采用大步長(zhǎng)，如3nm-