用于檢測樣本特性的光學傳感裝置和方法
【技術領域】
[0001]本申請涉及一種用于檢測樣本特性的光學傳感裝置和方法。
【背景技術】
[0002]經過三十多年的發展，表面等離子體共振(SPR)技術已成為用于雙分子相互作用的非標記特性描述的標準技術。其優點之一是SPR傳感器能夠通過觀察SPR影響的光的振幅、角反射率、光譜吸收凹陷或相應的相移提供實時定量測量(Ann.Phy s.(berlin)，524，637-662，2012)。最近的研究工作已經集中在具有寬動態范圍和高靈敏度的SPR傳感器的開發上。
[0003]許多所謂的寬動態范圍相位SPR傳感器已經得到了開發。Van WiRgeren等人在US7027676中提出了一種通過使用光學極化延遲單元和可調諧激光器來替代光學外差相位檢測方案的塞曼激光器(Zeeman’s laser)。隨著跨越光源頻率范圍進行掃描，在P極化光和s極化光之間發生了頻率偏移。通過P極化光和s極化光的干涉能夠產生調制光學檢測信號。迦等人在US 8169617中提出了一種結合相位檢測和角解調的新設計以同時實現高靈敏度和寬動態范圍。
[0004]后來，迦等人在US 13/113,837中提出了一種白光SPR干涉法方案以通過不同的機理實現兼備高靈敏度和寬動態范圍。在他們的方案中，采用邁克爾遜干涉儀(Michelsoninterferometer)作為對于p極化光和s極化光兩者的相位檢測器。本質上，該設計具有借助相同的路徑對P極化分量和s極化分量獨立起作用的兩個干涉儀。借助干涉儀的一個臂所帶有的SPR傳感頭，研究人員通過使用極化分離的沃拉斯頓棱鏡(Wollaston prism)分別測量P極化光和s極化光的相位而實現了微分SPR相位檢測。因為SPR效應只影響P極化而留下s極化不變，在從兩個極化測得的相位值之間的簡單減法會產生擺脫由環境變動或系統自身引起的任何干擾信號的真實的SPR相位。
【發明內容】
[0005]本申請提出了一種用于檢測樣本特性的光學傳感裝置和方法。
[0006]根據本申請實施方式，公開了一種光學傳感裝置。該裝置可包括寬帶光源、干涉儀、參考裝置、SPR傳感器以及檢測器。寬帶光源配置為產生包含P極化分量和s極化分量的第一光束。干涉儀配置為將P極化分量和s極化分量分別導向第一路徑和第二路徑。第一路徑具有不同于第二路徑的長度，以使P極化分量和s極化分量被反射并隨后重組以提供帶有P極化分量與s極化分量之間的干涉的第二光束。參考器件配置為接收第二光束的一部分以提取由第二光束的P極化分量與s極化分量之間的干涉引起的參考光學特性變化。SPR傳感器配置為接收第二光束的其他部分并將與樣本相關的SPR效應引入至第二光束，從而生成帶有由SPR效應引起的探測光學特性變化的第三光束。檢測器配置為接收第三光束以提取由SPR效應引起的探測光學特性變化并通過比較參考光學特性變化和探測光學特性變化以確定樣本特性。
[0007]根據本申請的其他實施方式，公開了一種用于檢測樣本特性的方法。該方法可包括:從寬帶光源生成包含P極化分量和S極化分量的第一光束；將P極化分量和S極化分量分別導向第一路徑和第二路徑，其中第一路徑具有不同于第二路徑的長度，以使P極化分量和S極化分量被反射并隨后重組，從而提供帶有P極化分量與S極化分量之間的干涉的第二光束；提取由第二光束的P極化分量與S極化分量之間的干涉引起的參考光學特性變化；將與樣本相關的SPR效應引入至第二光束，從而生成帶有由SPR效應引起的探測光學特性變化的第三光束；提取由第三光束的SPR效應引起的探測光學特性變化；并且比較參考光學特性變化和探測光學特性變化以確定樣本特性。
【附圖說明】
[0008]下面參照附圖描述了本發明的示例性非限制性實施方式。附圖是說明性的且一般不按照精確比例繪制。
[0009]圖1是示出了根據一些公開實施方式的光學傳感裝置的示意圖。
[0010]圖2是示出了根據一些公開實施方式的寬帶光源的示意圖。
[0011]圖3是示出了根據一些公開實施方式的干涉儀的示意圖。
[0012]圖4是示出了根據一些公開實施方式的光學傳感裝置的結構示意圖。
[0013]圖5是示出了根據一些公開實施方式的SPR傳感器的示意圖。
[0014]圖6是示出了根據一些公開實施方式的用于檢測樣本特性的方法的流程圖。
[0015]圖7是示出了根據一些公開實施方式的參考裝置的原始信號的曲線圖。
[0016]圖8是示出了根據一些公開實施方式的探測器件的原始信號的曲線圖。
[0017]圖9通過比較參考裝置和探測器件的信號示出了計算光譜和光譜相位信息。
[0018]圖10示出了從鹽和水的混合物獲得的寬動態范圍光譜相位靈敏SPR傳感器的實驗結果。
【具體實施方式】
[0019]現在將詳細參照示例性實施方式，其示例示出在附圖中。適當時，圖中各處使用的相同的參考數字指代相同或相似的部分。
[0020]圖1是示出了根據一些公開實施方式的光學傳感裝置1000的示意圖。如圖1所示，裝置1000可包括寬帶光源100、干涉儀200、SPR傳感器300、參考裝置400以及檢測器500。
[0021]根據一個實施方式，寬帶光源100可配置為產生包含P極化分量和s極化分量的第一光束。在另一實施方式中，寬帶光源100可通過串聯一個以上的單波長光源或多波長光源而制成，比如氣體激光器、固態激光器、激光二極管、發光二極管和任何其他合適的電磁輻射源。電磁輻射可為可見光、可見光至紅外光、紅外光、紫外光或紫外光至可見光。
[0022]根據一個實施方式，干涉儀200可配置為將P極化分量和s極化分量分別導向第一路徑和第二路徑。第一路徑具有不同于第二路徑的長度，以使P極化分量和s極化分量被反射并隨后重組以提供帶有P極化分量與s極化分量之間的干涉的第二光束。干涉儀200可為邁克爾遜干涉儀(Michelson interferometer)、馬赫_曾德爾干涉儀(Mach - Zehnderinterferometer)或任何其他合適的干涉儀。
[0023]在一個實施方式中，參考裝置400可配置為接收第二光束的一部分以提取由第二光束的P極化分量與s極化分量之間的干涉引起的參考光學特性變化。SPR傳感器300可配置為接收第二光束的其他部分并將與樣本相關的SPR效應引入至第二光束，以便產生帶有由SPR效應引起的探測光學特性變化的第三光束。檢測器500可配置為接收第三光束以提取由SPR效應引起的探測光學特性變化并比較參考光學特性變化和探測光學特性變化以確定樣本特性。
[0024]在該申請中，使用寬帶光源和干涉儀能夠提供關于SPR光譜的寬動態范圍和帶有高靈敏度的光譜相位。這還能夠提供與以前的SPR生物傳感器相比較為簡單的光學配置。
[0025]圖2是示出了根據一些公開實施方式的寬帶光源100的示意圖。如圖2所示，寬帶光源100可包括寬帶電磁輻射源101、校準器102、極化器103以及可變光圈104。
[0026]在該實施方式中，寬帶電磁福射源101可配置為發射包含P極化分量和s極化分量的寬帶光束。替代地或另外地，寬帶電磁輻射源101可為多波長電磁輻射源，比如發光二極管(LED)、鎢燈、鹵素燈、弧光放電燈、超輻射發光二極管(SLD)、熒光管、超連續激光器以及任何其他合適的多波長電磁輻射源。例如，采用帶有(例如)3瓦額定功率的固態WLED且其極化視為隨機。
[0027]校準器102可