一种高光谱成像SPR光电成像传感器

本发明属于光学传感领域，涉及一种高光谱成像spr光电成像传感器。

背景技术：

1、金属表面存在着大量的自由电子，在满足一定的耦合条件时，在金属-介质界面上可以激发出自由电子的集体耦合振荡，称之为表面等离激元共振（surface plasmonresonance，以下简称spr）。在通常情况下，入射光直接入射至金属表面无法激发等离子波，需要使用耦合棱镜提升入射光的波矢以激发spr效应。由于所激发的spr效应对金属表面样品的介电常数变化有很高的灵敏度，因此可以利用这个特性对样品的折射率进行高灵敏度的探测。

2、光谱探测在spr传感器中，指的是对折射率改变引起的共振波长的漂移进行探测。共振波长一般是关于界面折射率的特定函数，这与界面所支持的共振模式的色散关系有关。常用的光谱探测利用滤光片通过对入射光波长扫描的方式用ccd分别记录不同入射波长下的spr效应，受限于滤光片精度的影响且无法快速进行成像分析（chen, kaiqiang, etal. "fast spectral surface plasmon resonance imaging sensor for real-timehigh-throughputdetection of biomolecular interactions."  journal of biomedical  optics 21.12 (2016): 127003-127003.）。其他光谱传感系统，如偏振干涉光谱型spr传感方法（刘智毅，高通量表面等离子体共振传感方法及应用研究[d]，清华大学），利用线扫描方式显著提高了检测通量。但由于线扫描而非快照成像的方式，限制了重建时间。多通道光纤spr光谱成像系统（刘强，多通道光纤表面等离子体共振成像传感器的研究与应用[d]，大连理工大学，2018）利用成像光谱仪和面阵ccd并行采集多个独立检测通道完整的光谱信息。但是，通过多光纤实现多通道检测的方式不利于集成，需要开发新型的spr光电成像传感芯片；此外，它是通过转动光栅实现波长扫描，图像重建效率慢，检测时间长。凝视型快照高光谱成像是一种无创、快速的具光谱和成像双重功能的检测技术，在紫外、可见光、近红外和中红外区域获取许多非常窄且光谱连续的图像数据，为每个像元提供数十至数百个窄波段（通常波段宽度<10nm）光谱信息，可识别人眼看不到的物质属性和特征。利用凝视型快照高光谱成像仪可以实现快速且高精度的高光谱成像，通常高光谱成像仪光谱重建时间低于10ms。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提出了一种高光谱成像spr光电成像传感器，可以对多种样品进行快速实时、高灵敏度的检测。本发明在光谱探测spr传感装置中，引入凝视型快照高光谱成像技术，样品折射率变化引起的spr共振光谱的变化可以直接通过高光谱成像技术检测出，并具有实时高效、高灵敏度的特点。

2、一种高光谱成像spr光电成像传感器，包括spr激发宽带光源、准直器、起偏器、物镜、准直透镜、耦合棱镜、微纳金属传感芯片、微流控通道、高光谱成像仪；spr激发宽带光源发出宽带光作为系统入射光，依次经过准直器和起偏器，随后以起偏器所确定的偏振态通过物镜，再通过准直透镜形成平行宽光束；平行宽光束经过用于波矢匹配的耦合棱镜后，以固定激发角度入射至微纳金属传感芯片下表面产生spr效应，反射光成像至高光谱成像仪；微纳金属传感芯片的上表面与承载待测传感液体的微流控通道连接，微流控通道中液体折射率变化导致微纳金属传感芯片所产生的spr效应发生变化，进而导致高光谱成像仪得到的光谱信息发生变化。

3、所述的spr激发宽带光源，输出光谱带宽范围为420nm-750nm。

4、所述的系统入射光通过耦合棱镜提供的全反射结构产生倏逝波，激发微纳金属传感芯片产生spr效应。

5、所述的微纳金属传感芯片的上表面与承载待测传感液体的微流控通道连接：通过氧气等离子体清洗机，轰击微流控通道和微纳金属传感芯片表面，将表面的化学键打断，再将二者贴合形成新的化学键，从而实现二者的封合连接；所述的微纳金属传感芯片和微流控通道封合后再用折射率匹配液耦合在耦合棱镜上。

6、所述的高光谱成像仪的信号接收面与出射光方向垂直。

7、所述的高光谱成像仪采用凝视型快照成像，一次曝光，即可捕获微纳金属传感芯片所有通道的spr反射图谱信息；

8、所述的高光谱成像仪的光谱重建时间低于10ms。

9、所述的微流控多通道特异标记不同的靶向标志物，通过单次快照高光谱成像获取spr反射谱，实现多参数的同步快检。

10、所述的微纳金属传感芯片的上表面与承载不同折射率待测传感液体的微流控通道连接，实现多通道传感。

11、所述的微流控多通道是折射率随空间分布的物体，包括细胞或组织。

12、本发明的有益效果：本发明在光谱探测spr传感装置中，加入高光谱成像技术，因而由于样品折射率变化引起的spr共振光谱的变化可以直接通过高光谱成像技术检测出，与采取波长扫描式spr传感装置相比，本发明具有实时高效、高灵敏度的特点。

技术特征：

1.一种高光谱成像spr光电成像传感器，其特征在于：包括spr激发宽带光源（1）、准直器（2）、起偏器（3）、物镜（4）、准直透镜（5）、耦合棱镜（6）、微纳金属传感芯片（7）、微流控通道（8）、高光谱成像仪（9）；spr激发宽带光源（1）发出宽带光作为系统入射光，依次经过准直器（2）和起偏器（3），随后以起偏器（3）所确定的偏振态通过物镜（4），再通过准直透镜（5）形成平行宽光束；平行宽光束经过用于波矢匹配的耦合棱镜（6）后，以固定激发角度入射至微纳金属传感芯片（7）下表面产生spr效应，反射光成像至高光谱成像仪（9）；微纳金属传感芯片（7）的上表面与承载待测传感液体的微流控通道（8）连接，微流控通道（8）中液体折射率变化导致微纳金属传感芯片（7）所产生的spr效应发生变化，进而导致高光谱成像仪（9）得到的光谱信息发生变化。

2.根据权利要求1所述的高光谱成像spr光电成像传感器，其特征在于：所述的spr激发宽带光源，输出光谱带宽范围为420nm-750nm。

3.根据权利要求1所述的高光谱成像spr光电成像传感器，其特征在于：所述的系统入射光通过耦合棱镜（6）提供的全反射结构产生倏逝波，激发微纳金属传感芯片（7）产生spr效应。

4.根据权利要求1所述的高光谱成像spr光电成像传感器，其特征在于：所述的微纳金属传感芯片（7）的上表面与承载待测传感液体的微流控通道（8）连接：通过氧气等离子体清洗机，轰击微流控通道（8）和微纳金属传感芯片（7）表面，将表面的化学键打断，再将二者贴合形成新的化学键，从而实现二者的封合连接；所述的微纳金属传感芯片（7）和微流控通道（8）封合后再用折射率匹配液耦合在耦合棱镜（6）上。

5.根据权利要求1所述的高光谱成像spr光电成像传感器，其特征在于：所述的高光谱成像仪（9）的信号接收面与出射光方向垂直。

6.根据权利要求1所述的高光谱成像spr光电成像传感器，其特征在于：所述的高光谱成像仪（9）采用凝视型快照成像，一次曝光，即可捕获微纳金属传感芯片所有通道的spr反射图谱信息；

7.根据权利要求1所述的高光谱成像spr光电成像传感器，其特征在于：所述的微流控多通道（8）特异标记不同的靶向标志物，通过单次快照高光谱成像获取spr反射谱，实现多参数的同步快检。

8.根据权利要求1所述的高光谱成像spr光电成像传感器，其特征在于：所述的微纳金属传感芯片（7）的上表面与承载不同折射率待测传感液体的微流控通道（8）连接，实现多通道传感。

9.根据权利要求1所述的高光谱成像spr光电成像传感器，其特征在于：所述的微流控多通道（8）是折射率随空间分布的物体，包括细胞或组织。

技术总结本发明公开了一种高光谱成像SPR光电成像传感器，包括SPR激发宽带光源、准直器、起偏器、物镜、准直透镜、耦合棱镜、微纳金属传感芯片、微流控通道、高光谱成像仪；SPR激发宽带光源发出宽带光作为系统入射光，依次经过准直器和起偏器，随后以起偏器所确定的偏振态通过物镜，再通过准直透镜形成平行宽光束；平行宽光束经过用于波矢匹配的耦合棱镜后，以入射至微纳金属传感芯片下表面产生SPR效应，反射光成像至高光谱成像仪；微纳金属传感芯片的上表面与承载待测传感液体的微流控通道连接，微流控通道中液体折射率变化导致微纳金属传感芯片所产生的SPR效应发生变化，进而导致高光谱成像仪得到的光谱信息发生变化。本发明具有实时高效、高灵敏度的特点。技术研发人员：何赛灵受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12