本發(fā)明涉及圖像成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于4f系統(tǒng)的新型角度調(diào)制spr成像系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

表面等離子共振(surfaceplasmonresonance，spr)以其高靈敏、高通量、免標(biāo)記、快速檢測(cè)等諸多優(yōu)勢(shì)已經(jīng)應(yīng)用于生物檢測(cè)、藥品分析、分子識(shí)別等諸多生物化學(xué)領(lǐng)域，近二十年來(lái)得到了快速的發(fā)展，已經(jīng)成為一種重要的監(jiān)測(cè)工具。

kretschmann棱鏡結(jié)構(gòu)是目前spr傳感器最常用的耦合結(jié)構(gòu)，基于該結(jié)構(gòu)主要有四種檢測(cè)模式，分別是強(qiáng)度調(diào)制型、角度調(diào)制型、波長(zhǎng)調(diào)制型及相位調(diào)制型。其中，強(qiáng)度調(diào)制spr技術(shù)需要工作在固定的激發(fā)波長(zhǎng)和入射角度，對(duì)于多種分子同時(shí)檢測(cè)(高通量檢測(cè))的應(yīng)用，各傳感位點(diǎn)的相應(yīng)靈敏度不同，spr信號(hào)響應(yīng)一致性查，導(dǎo)致誤檢或漏檢，且該技術(shù)對(duì)傳感芯片要求高，導(dǎo)致使用費(fèi)用高。而角度調(diào)制spr具有更大的動(dòng)態(tài)范圍，能夠降低對(duì)傳感芯片的要求，大幅降低使用成本。但是角度調(diào)制spr需要機(jī)械掃描入臂和探測(cè)臂，對(duì)儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求非常高，而且需要笨重的掃描機(jī)械裝置，由于存在大質(zhì)量的機(jī)械部件移動(dòng)掃描，導(dǎo)致檢測(cè)速度慢、角度分辨率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和穩(wěn)定性差，無(wú)法滿足快速過程的高靈敏檢測(cè)的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于4f系統(tǒng)的新型角度調(diào)制spr成像系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中檢測(cè)速度慢、靈敏度低和穩(wěn)定性差的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供一種基于4f系統(tǒng)的新型角度調(diào)制spr成像系統(tǒng)，包括入射光路、傳感模塊及反射光路；

所述入射光路包括：光源模塊、起偏器、掃描振鏡及第一4f系統(tǒng)；

所述傳感模塊包括棱鏡、傳感膜及流通池，所述流通池用于將待測(cè)試樣品流過所述傳感膜；

所述反射光路包括第二4f系統(tǒng)及接收器；

所述光源模塊發(fā)出準(zhǔn)直光經(jīng)過所述起偏器，形成p偏振光，所述p偏振光入射至所述掃描振鏡發(fā)生反射，反射的p偏振光入射至所述第一4f系統(tǒng)，由所述第一4f系統(tǒng)出射后經(jīng)所述棱鏡耦合，且入射到棱鏡表面的傳感膜激發(fā)spr現(xiàn)象，所述傳感膜將反射p偏振光，反射的p偏振光入射至所述第二4f系統(tǒng)，由所述第二4f系統(tǒng)出射至所述接收器，由所述接收器形成所有傳感位點(diǎn)的spr角譜曲線，并反饋給終端設(shè)備，所述終端設(shè)備利用所述spr角譜曲線生成spr圖像。

進(jìn)一步的，所述第一4f系統(tǒng)包含第一透鏡與第二透鏡，所述掃描振鏡反射的p偏振光從所述第一透鏡入射并從所述第二透鏡射出。

進(jìn)一步的，所述第二4f系統(tǒng)包含第三透鏡與第四透鏡，且所述傳感膜反射的p偏振光從所述第三透鏡入射并從所述第四透鏡射出。

進(jìn)一步的，所述系統(tǒng)還包括檢偏器，所述檢偏器位于所述第三透鏡與所述第四透鏡之間，用于抑制散射過程中產(chǎn)生的s偏振光。

進(jìn)一步的，所述掃描振鏡按照預(yù)置的步長(zhǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變?nèi)肷渲了龅谝?f系統(tǒng)的p偏振光的入射方向，所述入射方向的范圍為[-θ，+θ]。

進(jìn)一步的，所述接收器為陣列探測(cè)器。

進(jìn)一步的，所述陣列探測(cè)器為電子ccd或cmos探測(cè)器或陣列光電探測(cè)器。

進(jìn)一步的，所述光源模塊為可調(diào)波長(zhǎng)光源模塊。

進(jìn)一步的，所述光源模塊包括寬帶光源及濾波器；所述寬帶光源發(fā)射波束之后經(jīng)過所述濾波器濾波，得到所述準(zhǔn)直光并入射所述起偏器；

所述寬帶光源為相干寬帶光源，非相干寬帶光源或者部分相干寬帶光源，所述濾波器為液晶濾波器、聲光濾波器或者由多組濾光片構(gòu)成的濾波器。

進(jìn)一步的，所述光源模塊由至少兩個(gè)獨(dú)立的不同波長(zhǎng)的光源構(gòu)成。

本發(fā)明提供一種基于4f系統(tǒng)的新型角度調(diào)制spr成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括入射光路、傳感模塊及反射光路，該入射光路包括光源模塊，起偏器、掃描振鏡及第一4f系統(tǒng)，該傳感模塊包括棱鏡、傳感膜及流通池，該傳感膜位于流通池與棱鏡之間，該流通池用于將待測(cè)試樣品流過所述傳感膜，所述反射光路包括第二4f系統(tǒng)及接收器。在該系統(tǒng)中，光源模塊發(fā)出準(zhǔn)直光經(jīng)過起偏器，形成p偏振光，p偏振光入射至掃描振鏡發(fā)生發(fā)射，反射的p偏振光入射至第一4f系統(tǒng)，由第一4f系統(tǒng)出射后經(jīng)過棱鏡耦合，且入射到棱鏡表面的傳感膜激發(fā)spr現(xiàn)象，該傳感膜將發(fā)射p偏振光，反射的p偏振光入射至第二4f系統(tǒng)，由第二4f系統(tǒng)出射至接收器，由該接收器形成所有傳感位點(diǎn)的spr角譜曲線，并反饋給終端設(shè)備，該終端設(shè)備利用所有傳感位點(diǎn)的spr角譜曲線生成spr圖像。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，當(dāng)掃描振鏡進(jìn)行角度掃描時(shí)，入射至第一4f系統(tǒng)的p偏振光將保持平行的入射和出射，無(wú)論入射光的角度如何改變，照射到傳感膜上形成的光斑位置始終保持不變，且在反射光路中加入第二4f系統(tǒng)，確保了在不同的角度下，接收器的成像位置不發(fā)生移動(dòng)，穩(wěn)定性好且成像質(zhì)量高，從而保證掃描過程中spr激發(fā)與探測(cè)區(qū)域始終相同且不變，能夠增加傳感膜上的傳感區(qū)域，且使得傳感面具有良好的傳感一致性，能夠有效實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，且滿足快速檢測(cè)過程的高靈敏檢測(cè)的要求。進(jìn)一步的，上述系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中基于4f系統(tǒng)的新型角度調(diào)制spr成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中光源模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為不同折射率時(shí)的spr角譜曲線的示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中spr信號(hào)處理原理圖；

圖5為蛋白相互作用過程中的spr信號(hào)曲線；

圖6為蛋白相互作用形成的spr圖像的示意圖。

具體實(shí)施方式

為使得本發(fā)明的發(fā)明目的、特征、優(yōu)點(diǎn)能夠更加的明顯和易懂，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而非全部實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

由于現(xiàn)有技術(shù)中角度調(diào)制spr存在檢測(cè)速度慢，靈敏度低和穩(wěn)定性差等技術(shù)問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于4f系統(tǒng)的新型角度調(diào)制spr成像系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中設(shè)置第一4f系統(tǒng)和第二4f系統(tǒng)，當(dāng)掃描振鏡進(jìn)行角度掃描時(shí)，入射至第一4f系統(tǒng)的p偏振光將保持平行的入射和出射，無(wú)論入射光的角度如何改變，照射到傳感膜上形成的光斑位置始終保持不變，且在反射光路中加入第二4f系統(tǒng)，確保了在不同的角度下，接收器的成像位置不發(fā)生移動(dòng)，穩(wěn)定性好且成像質(zhì)量高，從而保證掃描過程中spr激發(fā)與探測(cè)區(qū)域始終相同且不變，能夠增加傳感膜上的傳感區(qū)域，且使得傳感面具有良好的傳感一致性，能夠有效實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)，且滿足快速檢測(cè)過程的高靈敏檢測(cè)的要求。進(jìn)一步的，上述系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

請(qǐng)參閱圖1，為本發(fā)明第一實(shí)施例中基于4f系統(tǒng)的新型角度調(diào)制spr成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：

入射光路、傳感模塊及反射光路；

入射光路包括：光源模塊1、起偏器2、掃描振鏡3及第一4f系統(tǒng)；其中，第一4f系統(tǒng)包含第一透鏡4和第二透鏡5；

傳感模塊包括棱鏡6、傳感膜7及流通池8，傳感膜7位于流通池8與棱鏡6之間，流通池8用于將待測(cè)試樣品流過傳感膜7；

反射光路包括第二4f系統(tǒng)及接收器12；其中，第二4f系統(tǒng)包括第三透鏡9和第四透鏡11。

進(jìn)一步的，上述的系統(tǒng)還包括檢偏器10，檢偏器10位于第三透鏡與第四透鏡之間，用于抑制散射過程中產(chǎn)生的s偏振光，以去除散射產(chǎn)生的s偏振光帶來(lái)的影響。

其中，光源模塊1為可調(diào)波長(zhǎng)光源模塊，能夠發(fā)出不同波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光至起偏器2，使得對(duì)各種待測(cè)試的樣品都能夠選擇相應(yīng)的輸出波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)最佳激發(fā)。

如圖2所述，為光源模塊1的結(jié)構(gòu)示意圖，該光源模塊1包括寬帶光源1-1及濾波器1-2；該寬帶光源1-1發(fā)射光波之后經(jīng)過濾波器1-2濾波，得到準(zhǔn)直光并入射起偏器2，該準(zhǔn)直光可以為窄帶準(zhǔn)直光。其中，該寬帶光源1-1為相干寬帶光源，非相干寬帶光源或者部分相干寬帶光源，該濾波器1-2為液晶濾波器、聲光濾波器或者由多組濾光片構(gòu)成的濾波器?；蛘撸摴庠茨K1還可以由至少兩個(gè)獨(dú)立的不同波長(zhǎng)的光源構(gòu)成。例如不同波長(zhǎng)的ld光源、led光源等等。

其中，起偏器2用于對(duì)光源模塊1輸出的準(zhǔn)直光進(jìn)行濾波，得到p偏振光。

其中，接收器12可以是陣列探測(cè)器，具體可以是電子ccd或者coms探測(cè)器或者陣列光電探測(cè)器，用于收集反射光光強(qiáng)。

其中，流通池8與傳感膜7構(gòu)成密封室，且待測(cè)樣品從流通池8的入口(samplein)流入，出口(sampleout)流出，在流通池8下的傳感膜7的表面流過，同時(shí)待測(cè)樣品的待測(cè)分子與探針分子結(jié)合反應(yīng)，使傳感膜表面附近折射率發(fā)生變化，入射的p偏振光在棱鏡6表面產(chǎn)生倏逝波激發(fā)傳感膜7中的金屬膜內(nèi)自由電子產(chǎn)生等離子體波并產(chǎn)生共振吸收，即為在傳感膜7激發(fā)spr現(xiàn)象。其中，當(dāng)傳感膜7表面附近折射率發(fā)生變化時(shí)，共振角也將隨之發(fā)生變化，通過得到spr角譜曲線即可得到該角度變化，使得能夠利用該spr共振角變化獲得待測(cè)樣品的濃度等信息。

請(qǐng)參閱圖3，不同折射率時(shí)的spr角譜曲線的示意圖，其中，樣品的折射率變化分別為1.333、1.336、1.339，其對(duì)應(yīng)的共振角分別為θ1,θ2,θ3。由圖3可知，當(dāng)樣品的折射率發(fā)生變化時(shí)，共振角也將發(fā)生變化，通過監(jiān)測(cè)共振角的變化，就可以監(jiān)測(cè)到樣品折射率的變化或者分子相互作用的情況，得到樣品的相關(guān)信息。

可以理解的是，本發(fā)明實(shí)施中通過在入射光路和反射光路中分別設(shè)置第一4f系統(tǒng)和第二4f系統(tǒng)，能夠始終保持平行光入射至傳感膜7的傳感面，并以平行光反射離開該傳感面，同時(shí)成正立圖像，而且在相同通光口徑下，掃描角度能夠達(dá)到2f系統(tǒng)的2倍，具有角度分辨率高，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。

下面將基于上述的基于4f系統(tǒng)的新型角度調(diào)制spr成像系統(tǒng)介紹在該系統(tǒng)中，光路的傳輸路徑及成像過程，如下：

光源模塊1發(fā)出準(zhǔn)直光經(jīng)過起偏器2，形成p偏振光，p偏振光入射至掃描振鏡3發(fā)生反射，其中，該掃描振鏡3位于第一4f系統(tǒng)的第一透鏡4的前焦面，且該掃描振鏡3按照預(yù)設(shè)的步長(zhǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以改變?nèi)肷渲恋谝?f系統(tǒng)的第一透鏡4的p偏振光的入射方向，其中，入射至第一透鏡4的p偏振光的入射方向的范圍為[-θ，+θ]，且步長(zhǎng)為△θ。

不同入射角度的p偏振光入射至第一4f系統(tǒng)中的第一透鏡4，且從第二透鏡5出射后經(jīng)棱鏡6耦合，且入射到棱鏡6表面的傳感膜7激發(fā)spr現(xiàn)象。

其中，傳感膜7位于第二4f系統(tǒng)中的第三透鏡9的前焦面，接收器12位于第二4f系統(tǒng)中的第四透鏡11的后焦面，傳感膜7將反射p偏振光，反射的p偏振光入射至第二4f系統(tǒng)的第三透鏡9，由第三透鏡9收集，由于檢偏器10位于第三透鏡9與第四透鏡11之間，檢偏器10將抑制s偏振光，消除s偏振光對(duì)系統(tǒng)的干擾，提高信噪比，抑制s偏振光后的p偏振光再由第四透鏡11耦合到接收器12，由接收器12形成所有傳感位點(diǎn)的spr角譜曲線，并反饋給終端設(shè)備，終端設(shè)備利用spr角譜曲線生成spr圖像。

其中，掃描振鏡3每改變一次入射至第一4f系統(tǒng)的p偏振光的入射方向，該p偏振光在傳感膜7的入射角度就改變一次，接收器12記錄一幅傳感膜7的反射光強(qiáng)度圖像，且由于掃描振鏡3規(guī)律性的改變?nèi)肷渲恋谝?f系統(tǒng)的p偏振光的入射方向，p偏振光在傳感膜7的入射角度也將規(guī)律性的改變，接收器12相應(yīng)的規(guī)律性的記錄一系列傳感膜7的反射光強(qiáng)度圖像，即每個(gè)入射角度對(duì)應(yīng)一幅傳感膜7的反射光強(qiáng)度圖像。理論上傳感膜7的反射光強(qiáng)度圖像的每個(gè)像素點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著傳感膜上的一個(gè)傳感位點(diǎn)，而且圖像的相同位置的像素的強(qiáng)度值與對(duì)應(yīng)的入射角度構(gòu)成一條強(qiáng)度隨入射角度變化的曲線，即該位置的spr角譜曲線，由于接收器12是二維探測(cè)器，因此，將形成一系列強(qiáng)度隨入射角度變化曲線，即所有傳感位點(diǎn)的spr角譜曲線。

通過上述方式，掃描振鏡3每完成一次掃描，將并行獲得傳感膜7的整個(gè)傳感區(qū)域的全部傳感位點(diǎn)的spr角譜曲線，且接收器12將獲得的spr角譜曲線發(fā)送給終端設(shè)備，終端設(shè)備利用軟件識(shí)別每條spr角譜曲線的共振角，即曲線的強(qiáng)度的有效最小值，將這些共振角作為圖像的灰度值，形成spr共振角圖像，并通過掃描過程中或者掃描結(jié)束后的spr共振角圖像與基準(zhǔn)spr共振角圖像做比較運(yùn)算，將其差值構(gòu)成spr圖像。

為了更好的理解本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將詳細(xì)描述終端設(shè)備在得到所有傳感位點(diǎn)的spr角譜曲線之后，通過軟件處理得到spr圖像的過程，如下：

1)掃描波長(zhǎng)確定并設(shè)置光源模塊1的輸出波長(zhǎng)。該光源模塊1的輸出波長(zhǎng)的確定可以通過以下方式實(shí)現(xiàn)：通過對(duì)入射光源進(jìn)行光譜掃描，可以利用液晶可調(diào)濾波器、聲光濾波器或?yàn)V光片轉(zhuǎn)輪等手段，記錄目標(biāo)點(diǎn)處輸出光波長(zhǎng)與灰度關(guān)系曲線，即spr光譜曲線，經(jīng)過擬合、插值等算法處理，得到其對(duì)應(yīng)的共振波長(zhǎng)，將該共振波長(zhǎng)作為光源模塊1的輸出波長(zhǎng)。

2)基于上述實(shí)施例中的系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)中的掃描振鏡3對(duì)入射角度進(jìn)行掃描，并由接收器12同步記錄相應(yīng)反射光強(qiáng)度圖像，獲得一組不同角度下傳感面的灰度圖像。

3)從獲得的這組灰度圖像提取對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值構(gòu)成角度-強(qiáng)度曲線，即spr角譜曲線。由于接收器12是二維的，理論上，傳感位點(diǎn)與接收器像素存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此每個(gè)像素在該組灰度圖像中的灰度值都會(huì)構(gòu)成一條spr角譜曲線，所以會(huì)構(gòu)成一系列spr角譜曲線。例如，若該組灰度圖像有100幅，且對(duì)于像素點(diǎn)i，該像素點(diǎn)i在該100幅灰度圖像中都具有灰度值，共有100個(gè)灰度值，由于每一幅灰度圖像都對(duì)應(yīng)一個(gè)角度，則由該100個(gè)灰度值及每個(gè)灰度值的對(duì)應(yīng)的角度就能夠構(gòu)成一個(gè)角度-強(qiáng)度曲線，即spr角譜曲線。當(dāng)然，我們也可以對(duì)這一系列灰度圖像進(jìn)行區(qū)域像素平均，構(gòu)成平均灰度圖像，有利于減小系統(tǒng)噪聲。例如，若這組灰度圖像中的每幅圖像有1024*1024個(gè)像素點(diǎn)，且共有100幅灰度圖像，則能夠形成1024條spr角譜曲線，每條曲線上有100個(gè)灰度值，將該灰度圖像通過區(qū)域平均壓縮像素，即將1024*1024壓縮成256*256，則可得到256條spr角譜曲線，每條100個(gè)灰度值。

4)將獲得的spr角譜曲線進(jìn)行擬合、差值等數(shù)學(xué)處理，提高角度分辨率，并且提取spr角譜曲線的強(qiáng)度最小處對(duì)應(yīng)的角度值，即該像素對(duì)應(yīng)的傳感位點(diǎn)的spr共振角，每條曲線都對(duì)應(yīng)有各自的spr共振角，進(jìn)一步的，還可利用所有曲線的spr共振角作為圖像的灰度值，形成spr共振角圖像。

5)重復(fù)上述的步驟2至4，獲得不同時(shí)刻所有傳感位點(diǎn)的共振角，形成共振角隨時(shí)間變化的曲線，也可以將每個(gè)傳感位點(diǎn)的spr共振角變化轉(zhuǎn)化為灰度值，形成spr圖像。

請(qǐng)參閱圖4，為本發(fā)明實(shí)施例中的spr信號(hào)處理原理圖，掃描振鏡3每改變一次入射至第一4f系統(tǒng)的p偏振光的入射角度，就對(duì)傳感膜7的整個(gè)傳感區(qū)域進(jìn)行一次成像，當(dāng)入射角度為θn時(shí)，對(duì)應(yīng)采集第n幅圖像，每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值代表著該像素記錄的反射光的強(qiáng)度值，當(dāng)角度從θ1到θn勻速變化時(shí)，會(huì)得到每個(gè)像素點(diǎn)的角度-強(qiáng)度曲線，即spr角譜曲線，并可利用spr角譜曲線得到spr共振角，并重構(gòu)出二維的spr共振角圖像。將任意時(shí)刻的spr共振角圖像與基線spr共振角圖像進(jìn)行比較，即可得到spr圖像。

在本發(fā)明實(shí)施例中，通過設(shè)置第一4f系統(tǒng)和第二4f系統(tǒng)與掃描振鏡結(jié)合，使得能夠快速進(jìn)行spr共振角診斷并成像，同時(shí)以高靈敏度、高一致性和快速的檢測(cè)分子相互作用，從而可以大幅度降低對(duì)傳感膜的要求。

請(qǐng)參閱圖5，為蛋白相互作用過程中的spr角譜曲線，圖6是蛋白相互作用形成的spr圖像的示意圖，灰度值代表反應(yīng)前后共振角變化量。

在上述實(shí)施例中，對(duì)各個(gè)實(shí)施例的描述都各有側(cè)重，某個(gè)實(shí)施例中沒有詳述的部分，可以參見其它實(shí)施例的相關(guān)描述。

以上為對(duì)本發(fā)明所提供的一種基于4f系統(tǒng)的新型角度調(diào)制spr成像系統(tǒng)的描述，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的思想，在具體實(shí)施方式及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上，本說(shuō)明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。