一种表面等离子共振成像分析仪 【技术领域】
本发明涉及一种高通量生化分析测量设备，特别是关于一种表面等离子共振成像分析仪。
背景技术
表面等离子共振成像技术(Surface Plasmon Resonance Imaging，SPRI)是由表面等离子共振光谱技术发展而来的表面光学成像技术，其中的表面一般是固体和液体间的界面。表面等离子共振成像技术在具备表面等离子共振光谱技术(Surface Plasmon Resonance，SPR)的实时、高灵敏度的优点的同时，又克服了表面等离子共振光谱技术单一通道的缺点，凭借成像手段可以同时监测传感膜表面各处的信号变化。表面等离子共振成像技术与生物芯片技术相结合，将传感膜表面修饰不同探针分子阵列，实现对待测样品中的目标物进行高通量的检测或筛选。近年随着基因组学、蛋白质组学等各种生物分子组学的深入研究，表面等离子共振成像技术越来越受到科学家的重视，被认为是一种很有潜力的高通量生化分析方法。
如图1所示，目前的表面等离子共振成像分析仪器都是基于克莱舒曼(Kretschmann)结构来激发表面等离子共振。克莱舒曼(Kretschmann)结构中用到等腰棱镜1，其中金膜设置在等腰棱镜1的底面，光发射元件2位于等腰棱镜1的第一腰面一侧，从光发射元件2出射的平行光从等腰棱镜1的第一腰面射入棱镜，在底面上发生全反射并从第二腰面射出等腰棱镜1。光学检测元件3位于等腰棱镜1第二腰面一侧，光发射元件2与光学检测元件3的光轴相交于等腰棱镜1的底面的中心点处。进行入射角扫描时，光学检测元件3与光发射元件2同时绕等腰棱镜1的底面中心点相互反向转动。
如图2所示，中国专利“高通量多参数图像表面等离子体谐振测试仪”(专利号：200610066542.4)中描述了一种基于Kretschmann结构的表面等离子成像分析仪，其中用到中国专利“表面等离子体谐振测试仪”(专利号：ZL98102366.5)中的菱形扫描机构的原理。正三角棱镜4固定在光学平台5的一侧且与光学平台6的边沿平行，四根等长的臂首尾活动相连形成一个可活动的菱形连杆组7。本高通量多参数图像表面等离子体谐振测试仪的光学发射元件2和光学检测元件3分别固定在正三角棱镜4两侧的菱形连杆组7的左右臂上。系统光线入射角扫描时，菱形连杆组7的一节点沿中垂线上下移动，从而同时改变固定有光学发射元件2和光学检测元件3的菱形连杆组7左右臂的张角，实现入射角的改变并同时保证出射光被光学检测元件3接收。这种结构的缺点是主要光学部件都固定在可活动的悬臂上，这使得系统容易受到外界振动影响，同时为保证系统的调节准确性就要求更高的部分零件加工和装配精度，同时系统光线入射角扫描时螺杆反复转动必然引入回差，而光线入射角需要通过机械传动将螺杆转动量进行转化得到，这会进一步给入射角引入误差。
如图3所示，中国专利申请“采用表面等离子体谐振检测技术的测试分析仪器”(专利申请号：200810056116.1)中所述的测试分析仪器。其角度扫描机构类似于“高通量多参数图像表面等离子体谐振测试仪”(专利号：200610066542.4)所述的菱形扫描机构，光学发射元件2和光学检测元件3分别固定在菱形扫描机构的左悬臂8及右悬臂9上，其角度位移传感器10安装于以左右旋臂转动中心为圆心的圆周上。通过角度位移传感器10直接读取入射角数据从而避免了“高通量多参数图像表面等离子体谐振测试仪”(专利号：200610066542.4)中机械传动转换和螺杆回差引入的误差。但在系统光线入射角扫描时仍然涉及到主要光学系统的联动，所以不能避免外界振动的干扰，同时还需要较高的零件加工精度与装配工艺。
如图4所示，中国专利“自适应表面等离子体波气体折射率传感元件”(专利号：01134380.X)中描述了一种自适应角度扫描的SPR共振单元，由等腰三棱镜11和屋脊棱镜12组合成表面等离子共振单元，其中金膜设置在等腰三棱镜11的底面13，屋脊棱镜12的斜面通过折射率匹配介质贴于等腰三棱镜11的一等腰面。入射光从等腰三棱镜11的一等腰面14进入等腰三棱镜11，并在等腰三棱镜11的底面13发生全反射，然后依次经过屋脊棱镜12两直角面反射后再经等腰三棱镜11的底面13全反射，最后透出等腰三棱镜11，光线在棱镜内部经过相邻两直角面的反射后，出射光与入射光反向平行。然而该结构单元的缺点是其中用到了两个棱镜的组合，而且要求两个棱镜均具有较高的光学加工和装配精度。
如图5所示，中国专利申请“双通道自适应型表面等离子共振折射率光学元件”(专利申请号：200710053284.0)中所述的双通道自适应表面等离子共振光学单元，由一个小等腰直角三棱镜15与一个大等腰直角三棱镜16的直角面通过折射率油相贴组合而成，组合后两直角棱镜的斜面相互平行。金膜设置在两直角棱镜的斜面上，入射光从小等腰直角三棱镜外侧的直角面17进入棱镜，再依次被小等腰直角三棱镜和大等腰直角三棱镜的斜面全反射后，从大等腰直角三棱镜地直角面18射出棱镜，且出射光方向与入射光平行。但是本光学元件需要两个棱镜的组合使用，对两个棱镜的加工和装配都需要较高的精度。
【发明内容】
针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以保证光学系统的稳定，实现入射光的宽角度扫描，光学元件便于加工和装配，并具有恒温功能的表面等离子共振成像分析仪。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种表面等离子共振成像分析仪，其特征在于，它包括：一旋转扫描机构，其包括一可绕中心旋转的旋转平台、一可绕中心轴在所述旋转平台表面水平转动的棱镜固定架、至少两个底角不同的直角棱镜、一读出入射角度值的入射角读数器、与所述直角棱镜对应的定位槽、至少一个与所述定位槽配合以固定所述直角棱镜的活动定位销、一制动元件和一传送所述制动元件动力以驱动所述旋转平台转动的传动机构；其中，所述中心轴垂直固定在所述旋转平台上且不同于所述旋转轴；所述定位槽设置在所述旋转平台和棱镜固定架之一上，所述定位销相应地设置在所述棱镜固定架和旋转平台之一上；所述直角棱镜为上的一侧面为矩形且垂直于底面，与垂直的矩形侧面相对的侧面为斜面，该斜面与所述底面成的夹角为一锐角，与所述矩形侧面垂直的底面作为第一直角面且其外表面上设置有表面等离子共振传感器，所述矩形侧面作为第二直角面且其外表面上设置有增强反射涂层；各所述第一、二直角面同时垂直固定设置在所述棱镜固定架；所述直角棱镜固定时所述旋转平台的中心位于所述第一直角面内；一固定光学系统，其包括一光发射组件和一光接收组件，均设置在所述第一直角面法线的同一侧；所述光发射组件包括一光源，在所述光源光路上设置有偏光元件和光准直元件；所述光接收组件包括一检测器和成像元件组；一进样系统，其包括一样品流动池和一样品驱动机构；所述样品流动池与所述表面等离子共振传感器的表面紧密相贴，待测样品通过所述样品驱动机构泵入或泵出所述样品流动池；一电气控制系统，其同时电连接所述入射角读数器、制动元件、检测器、样品流动池和样品驱动机构；一上位机，其电连接所述电气控制系统，所述上位机内预设置有数据采集处理模块和设定有入射角、温度值预设值的系统控制模块；所述系统控制模块通过所述数据采集处理模块实时接收所述电气控制系统采集到的图像、入射角度和温度，并对采集到的数据进行图像处理和数据存储，同时对所述制动元件和样品驱动机构进行控制。
所述表面等离子共振传感器是一传感膜。
所述表面等离子共振传感器是由透明基片和传感膜组成，所述传感膜设置在所述透明基片的外表面上，所述传感膜与透明基片之间设置有与所述直角棱镜和透明基片折射率相同的折射率匹配介质。
所述直角棱镜和透明基片的材料为光学玻璃和光学聚合物之一。
所述固定光学系统中的光发射组件设置有一可变孔径空间光阑和一将光线导向的反射元件。
所述进样系统还包括放置至少一个样品瓶的样品切换机构，所述样品切换机构与所述样品驱动机构电连接，所述样品瓶中的待测样品被所述样品驱动机构通过样品导流管泵入或泵出所述样品流动池。
所述样品流动池通过可调节的螺栓设置在所述活动棱镜固定架上，所述样品流动池包括惰性隔层、温度传感器和电热模块，所述温度传感器和电热模块均与所述电气控制系统电连接，所述样品流动池通过一弹性密封垫圈紧贴于所述传感膜表面，在所述惰性隔层与传感膜之间构成一个密封的样品流动空间。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明的旋转扫描机构具有自匹配功能，在角度扫描时出射光线与入射光线方向始终平行，使得主要光学系统固定，仅通过旋转扫描机构的独立运动就可以实现角度扫描时图像信号的同步采集，免去了复杂的机械联动机构，因此可保证光学系统的稳定，实现高精度角度扫描(角度分辨率达到1×10-3度)以及图像的实时采集。2、本发明的棱镜切换机构能够同时固定多个直角棱角，可通过快速转换不同底角的棱镜实现光线入射角的大范围可调(40°～80°)，实现了入射光的宽角度扫描，从而扩大了分析样品范围。3、本发明的样品反应池带有温控系统，能够实现恒温控制，可为样品检测提供稳定的温控环境，同时还是一种可与SPR系统分离的模块化结构，便于清洗与维护。4、本发明的成像元件是一种可变焦的光学图像收集系统，可以根据用户需要连续调节成像视场，方便系统对于不同尺寸传感膜的兼容。5、本发明的SPR传感膜设置在可与棱镜分离的基片表面，基片可以直角棱镜分离，因此安装简单、便于更换，有效降低传感膜的使用成本。本发明的表面等离子共振成像分析仪可用于包括复杂生物样品在内的各种样品的微量高通分析，药物检测或筛选等工作环境。
【附图说明】
图1是Kretschmann结构的表面等离子成像示意图
图2是高通量多参数图像表面等离子体谐振测试仪结构示意图
图3是采用表面等离子体谐振检测技术的测试分析仪器结构示意图
图4是自适应表面等离子体波气体折射率传感元件结构示意图
图5是双通道自适应型表面等离子共振折射率光学元件结构示意图
图6是本发明的原理示意图
图7是本发明中部分设备的结构示意图
图8是本发明中旋转扫描机构的结构示意图
图9是本发明的直角棱镜的结构示意图
图10是本发明的直角棱镜的另一结构示意图
图11是本发明中固定光学系统的结构示意图
图12是本发明中固定光学系统的工作状态示意图
图13是本发明中进样系统的结构示意图
图14是本发明中进样系统的结构放大图
图15是为应用本发明的实施例得到的表面等离子共振图像
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图6～7所示，本发明包括一仪器底板19、一机箱外壳(图中未示出)、一旋转扫描机构20、一固定光学系统21、一进样系统22和一电气控制系统23。其中，旋转扫描机构20、固定光学系统21和进样系统22均固定在仪器底板19表面上并设置在机箱外壳内，仪器底板19表面为基本水平面。电气控制系统23设置在机箱外壳内，并分别与旋转扫描机构20、固定光学系统21、进样系统22电气连接，可以采集并控制固定光学系统21探测到的图像、旋转扫描机构20测量到的光入射角度、进样系统22中的温度等参数，同时电气控制系统23可以通过USB接口与上位机24连接。上位机24内预设置的数据采集处理模块和系统控制模块，系统控制模块内设定有入射角、温度值预设值，数据采集处理模块用于实时电气控制系统23采集到的图像、入射角度以及温度等参数；系统控制模块根据数据采集模块采集的参数信息，在上位机24上重绘图像或曲线，并对采集到的数据进行处理和存储，比如可以进行对动态图像进行多选区谱线分析、图像背景扣除、图像二维到三维转换、图像亮度对角度变化作图等处理。
如图8所示，旋转扫描机构20包括一旋转平台201、一可绕中心轴202在旋转平台201表面水平转动的活动棱镜固定架203、一入射角读数器204、一制动元件205、一传动机构和至少两个直角棱镜206。旋转平台201与仪器底板19平行，令旋转平台201的中心为P。中心轴202垂直固定在旋转平台201表面上，且不与中心P同心。入射角读数器204设置在旋转平台201上，并与电气控制系统23电连接，入射角读数器204将读取到的光线入射角度值输送给电气控制系统23，本实施例中，入射角读数器204采用的是圆光栅X和光栅读数头Y，圆光栅X的圆心与旋转平台201上的中心P同心，光栅读数头Y设置在旋转平台201的底座M上的任意位置，通过光栅读数头Y可以读取圆光栅X的角度值，底座M固定设置在仪器底板19上。本实施例中制动元件205可以采用一电机，机械传动机构使用了涡轮蜗杆传动结构，涡轮与旋转平台201同轴，蜗杆与制动元件205的转轴连接，当电气控制系统23接收到的入射角读数器204读出的入射角与设定入射角有差异时，电气控制系统23发送一指令给制动元件205，制动元件205将动力通过传动机构传递给旋转平台201，驱动旋转平台201绕旋转轴P做精密旋转。在棱镜固定架203上通过支架2031固定有两个或两个以上底角不同的直角棱镜206，棱镜固定架203的底部设置有分别与各直角棱镜206对应的定位槽，该定位槽可以与固定设置在旋转平台201上的活动定位销配合，活动定位销的数目可为一个或一个以上。定位槽也可以设置在旋转平台201上，此时活动定位销对应设置在棱镜固定架203上。本实施例中，棱镜固定架203可以由金属合金或工程塑料等通过机械加工得到，其优选材料为铝合金，棱镜固定架203与中心轴202为间隙配合。直角棱镜206上的的支架2031可以与棱镜固定架203为一体结构。
如图9～10所示，直角棱镜206的形状为一直四棱台。直四棱台形状的直角棱镜206的一个侧面为矩形且垂直于上、下底面，与垂直的矩形侧面相对的侧面为斜面，该斜面与上、下底面成一定角度，剩下的两个侧面为相互平行的直角梯形，面积较大的底面为上底面，面积较小的底面为下底面。其中，定义上底面为第一直角面ABCD，矩形侧面为第二直角面CDEF，第一直角面ABCD与第二直角面CDEF相互垂直，斜面ABGH与第一直角面ABCD所成的锐角夹角为底角α。
直角棱镜206上的第一直角面ABCD上设置表面等离子共振传感器207，与第一直角面ABCD相对应，第二直角面CDEF外表面上设置增强反射涂层，可以增强光线在其内表面的反射率。斜面ABGH外表面上可以设置有增透膜，可以增强光线的透过率。表面等离子共振传感器207表面可以通过化学修饰方法设置用于识别待测样品的探针分子点阵。表面等离子共振传感器207可以是一单独的传感膜208，也可以由透明基片209和传感膜208组成，其中传感膜208通过透明基片209设置在直角棱镜206上，传感膜208设置在透明基片209的外表面，透明基片209的内表面通过折射率匹配介质贴附于直角棱镜的第一直角面ABCD上。
上述实施例中，直角棱镜206可以由光学玻璃制成，也可以由聚丙烯酸酯等光学聚合物等透明材料制成。本实施例中，直角棱镜206是由硼硅酸盐光学玻璃制成，光学玻璃的型号优选BK7，直角棱镜可以通过光学加工领域的一般加工手段研磨得到。表面等离子共振传感器207由可以激发SPR的金、银、铝等金属或其它材料制成，相当于现有技术中的金膜。表面等离子共振传感器207表面的探针分子阵列可以根据待测样品组分进行选择，也可以同时设置成百上千种探针分子，从而可实现高通量筛选和模式识别。本实施例中的传感膜208为厚度为50nm的金膜。增强反射涂层可以是银、铝、金等金属或介质，本实施例中使用金属银涂层，增强反射涂层可以通过真空蒸镀法或离子溅射镀膜法得到。透明基片209可以由光学玻璃制成，也可以由聚丙烯酸酯等光学聚合物等透明材料制成，本实施例中，透明基片209由厚度为0.2mm硼硅酸盐光学玻璃制成，光学玻璃的型号优选BK7，也可以选用聚碳酸酯等其它可与直角棱镜的折射率相匹配的光学透明材料。透明基片209与直角棱镜206之间的折射率匹配介质的折射率与透明基片209和直角棱镜206相同，其材料可以为液体和凝胶等，如松柏油和有机硅凝胶，本实施例中优选松柏油。安装透明基片209时，首先在透明基片209未镀传感膜208的一面中心位置滴加数微升松柏油，然后从底边开始逐渐将透明基片209与直角棱镜206的第一直角面ABCD贴在一起。实验结束后，透明基片209和直角棱镜206可以进行物理分离，从而便于更换表面的传感膜208。
为满足不同入射角范围的测试需要，可以通过切换不同大小底角的直角棱镜206来实现宽范围寻角，由此满足宽入射角范围的成像测试需要，本实施例中为两直角棱镜206，比如图8中的直角棱镜一Q和直角棱镜二G。直角棱镜一Q和直角棱镜二G的两直角面(包括第一直角面ABCD与第二直角面CDEF)垂直于旋转平台201的表面。当直角棱镜206被定位槽和定位销固定不动时，旋转平台201中心P位于设置有传感膜208的第一直角面ABCD内，此时系统进入工作状态。这样就可以保证在旋转平台201旋转时，表面等离子共振传感器207的面心落在出射光光轴附近的范围内，使得图像不至于偏离视场。在外力的作用下，棱镜固定架203可以绕中心轴202转动，使活动定位销从直角棱镜一Q对应的定位槽中脱出。当棱镜固定架203旋转使活动定位销与直角棱镜二G对应的定位槽配合时，系统便进入工作状态。如直角棱镜一Q的底角α为50°，直角棱镜二G的底角α为70°，运用直角棱镜一Q和直角棱镜二G的切换，可以实现入射角从40°到80°的宽范围成像测试的需要。
直角棱镜一Q与直角棱镜二G可以随旋转平台201绕中心P同步转动，平行偏振光在垂直于第二直角面CDEF的平面内，以固定方向从斜面ABGH射入直角棱镜206，平行偏振光在直角棱镜206中的反射法平面与第二直角面CDEF垂直。平行偏振光经过第二直角面CDEF反射至第一直角面ABCD，再经第一直角面ABCD全反射，由斜面ABGH透出直角棱镜206，出射光与入射的平行偏振光的方向反向平行，第一直角面ABCD绕中心轴202的精密旋转便能实现角度精密扫描的目的。平行偏振光从斜面ABGH射入也可以先经第一直角面ABCD的全反射，再被第二直角面CDEF反射，由斜面ABGH透出直角棱镜206。
如图11所示，固定光学系统21包括一光发射组件211和一光接收组件212。其中，光发射组件211包括一光源213、一由偏光元件、光准直元件和可变孔径空间光阑构成第一光学元件组214、一将光线导向的反射元件215；光接收组件212包括一成像元件组216和一检测器217。光源213可以采用窄带光源，也可以采用激光器或半导体发光二极管等。偏振元件214对光源213发出的光进行偏振，其可以采用线性聚合物高分子偏振镜和电致液晶偏振镜等。光准直元件215优选曲面透镜组，也可以采用使用曲面反射镜组。平行偏振光的孔径可以通过可变孔径空间光阑进行调节，可变孔径空间光阑可以是圆形或方形，由于传感膜208实现SPRI成像的先决条件是传感膜208表面的所有区域均能发生SPR现象，因此所选平行偏振光的孔径由直角棱镜206的第一直角面ABCD上的传感膜208的大小决定，本实施例中传感膜208尺寸为20mm×20mm，所用平行偏振光的孔径为40mm。成像元件组216可以采用至少两组位置可调的曲面透镜组单元组成的变焦成像系统，也可以采用非变焦成像系统。成像元件组216采用变焦成像系统时，是通过调节曲面透镜组单元的位置，实现物象共轭距离不变条件下的变焦成像。具体为通过调节透镜组单元的位置，改变传感膜208在检测器表面成像的大小，从而实现对不同尺寸的传感膜208的成像分析。本实施例中的成像元件组216采用的变焦成像系统为等效焦距为75mm与50mm的两组透镜组单元，具有4倍的放大倍率。检测器217可以是阵列电荷耦合器件(CCD)、阵列互补金属氧化物半导体(CMOS)或阵列光电二极管等。如图12所示，在工作状态中，光发射组件211与光接收组件212的位置可通过设置反射镜等元件进行改变，本实施例中光发射组件211与光接收组件212设置在直角棱镜第一直角面ABCD法线的同一侧。由光发射组件211发射的平行偏振光从斜面ABGH射入直角棱镜，在由斜面ABGH透出直角棱镜。出射光由光接收组件212接收，通过变焦成像单元将传感膜208共振图像成像于检测器217表面。
如图13、图14所示，进样系统22包括样品流动池221、样品切换机构222和样品驱动机构223。样品切换机构222中可以同时放置多个样品瓶H，通过手动或自动选择，将装有所需样品的样品瓶H与样品驱动机构223连接。样品切换机构222中的待测样品被样品驱动机构223通过样品导流管224泵入或泵出样品流动池221。本实施例中样品驱动机构223选用是气压驱动，通过高精密比例电磁阀来控制样品的进样速度，但也可以使用注射泵等其它驱动方式。样品流动池221通过可调节的螺栓225设置在棱镜固定架203上，样品流动池221的凸底正好与棱镜固定架203上凹槽吻合。与传感膜208表面借助弹性密封垫圈226紧密相贴。样品流动池221包括惰性隔层227、温度传感器228和电热模块229，用于控制样品的温度以及使样品保持恒温。
样品流动池221的密封垫圈226与透明基片209外表面的传感膜208接触，通过调节穿过样品流动池221两侧的螺栓225与棱镜固定架203之间的配合，使样品流动池221紧贴于传感膜208表面，在惰性隔层227与传感膜208之间构成一个密封的样品流动空间。惰性隔层227用于将待测样品与电热模块229隔开，避免电热模块229被待测样品腐蚀，惰性隔层227可以为薄玻璃和全氟聚合物涂层等，本发明优选薄玻璃。密封垫圈226具体而言是具有弹性的耐腐蚀材料，本实施例中优选有机硅橡胶，也可以使用氟橡胶等材料。样品流动池221的体积由密封垫圈226的厚度决定，本实施例中密封垫圈226的厚度为0.5mm。样品流动池221至少包括两个样品导流管224作为待测样品的进口和出口。电热模块229紧贴于惰性隔层227，用来对样品流动池221加热或制冷，电热模块229优选半导体电热器件(TEC)，还可以使用热管和压缩机等。温度传感器228设置在电热模块229与惰性隔层227之间，用于测量样品流动池221的温度，温度传感器228可以为热电偶或热电阻，本实施例使用热电阻(Pt100)。温度传感器228和电热模块229与电气控制系统23相连，电气控制系统23可以比较温度传感器228的温度与温度设定值之间的差别，并控制电热模块229进行加热或制冷，以此来控制样品流动池221内的温度。
上述各实施例中，本发明的各所有透光表面均可以设置增透膜。
如图15所示，利用本发明得到的蛋白质阵列点的SPR图像，图中点间距为250μm，根据得到的图像可以看到，本实施例的空间分辨率优于150μm。
以上所述，仅为本发明的一种较佳实施方式，本领域技术人员可依据本发明说明书、权利要求书与附图进行修改与等效变换，这样的修改与变换均不应排除在本发明的范围之外。