CN101324523B - 表面等离子体共振光谱传感器 - Google Patents

表面等离子体共振光谱传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种表面等离子体共振光谱传感器。现有技术采用角度扫描进行测量，存在机械运动部件和用于调控角度扫描的部件，结构较复杂。本发明沿宽波段光源的发射光路依次设置有光束整形器、起偏器和表面等离子体共振器。表面等离子体共振器是截面为等腰直角三角形的柱形棱镜，其斜边底面镀有金属反射膜构成传感平面。入射光束与表面等离子体共振器的直角边入射面垂直，在传感平面发生内全反射后由直角边出射面出射。出射光束方向上依次设置有检偏器、括束镜和反射式闪耀光栅。线阵光电传感器设置在反射式闪耀光栅衍射光束出射方向上，并与衍射光发散方向平行。本发明无机械运动部件，具有结构简单、稳定性高等特点。

Description

表面等离子体共振光谱传感器
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种表面等离子体共振传感器，特别是一种表面等离子体共振光谱传感器，主要用于食品安全、环境监测、生物、化学及医学等领域的痕量物质检测。
技术背景
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，简称SPR)是一种物理光学现象，在上世纪初被Wood发现。60年代，德国科学家Otto和Kretchmann分别独立发明了用可见光激发表面等离子体的方法。80年代，瑞典科学家Liedberg将这一技术用于生物大分子相互作用的检测。之后，表面等离子体共振传感技术迅速发展，发展成为十分有用的检测技术。表面等离子体共振传感技术可广泛应用到食品安全、环境监测、生物、化学及医学等领域。在食品安全领域主要应用包括：农、兽药残留量的检测，食品中微生物污染检测，生物毒素的检测等等。在环境监测领域，表面等离子体共振检测技术可以检测多环芳烃类、多氯联苯类、酚类、烷烃、芳香族化合物和重金属离子等有毒有污染物质。在生物学以及相关领域，基于表面等离子体共振的生物传感技术，通过分析生物分子如蛋白质-蛋白质、药物-蛋白质、蛋白质-核酸、核酸-核酸之间的相互作用，得到相应组分的痕量浓度以及有关性质。
由于对检测灵敏度的要求越来越高，高灵敏度表面等离子体共振传感系统成为痕量物质测量技术发展趋势之一。目前的技术中，有表面等离子体传感系统，例如一种表面等离子体传感系统(参见中国发明专利“角度扫描表面等离子体共振测量系统”，专利申请号：200510108184.4)，以及著名表面等离子体共振分析仪BioCore系列产品和SPR-Navi系列产品。该类表面等离子体共振传感系统具有相当的优点，但是仍然存在不足，采用角度扫描进行测量，存在机械运动部件和用于调控角度扫描的部件，系统结构以及测量分析与控制复杂，降低系统稳定性，影响系统的工作特性。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种表面等离子体共振光谱传感器，具有无机械运动部件、系统结构简单、稳定性高等特点。
本发明的基本构思是：将光谱思想应用到表面等离子体共振传感，采用宽光谱光源，经过表面等离子体共振传感部件后，入射到反射式闪耀光栅进行分光，探测器采用线阵光电探测器，线阵探测器得到不同波长光强度分布，即为表面等离子体共振吸收峰信号，此表面等离子体共振光谱传感器中无机械运动部件、系统结构简单。
本发明包括宽波段光源、光束整形器、起偏器、表面等离子体共振器、检偏器、扩束镜、反射式闪耀光栅和线阵光电传感器。表面等离子体共振器是截面为等腰直角三角形的柱形棱镜，其斜边底面镀有金属反射膜构成传感平面。沿宽波段光源的发射光路依次设置有光束整形器、起偏器和表面等离子体共振器，入射光束与表面等离子体共振器的直角边入射面垂直，在传感平面发生内全反射后由直角边出射面出射，出射光束方向上依次设置有检偏器、扩束镜和反射式闪耀光栅，线阵光电传感器设置在反射式闪耀光栅衍射光束出射方向上，并与衍射光发散方向平行。
所述的宽波段光源为宽波段非相干光源、宽波段激光光源的一种。
所述的光束整形器为准直扩束镜组、准直镜、空间光调制器的一种。
所述的线阵光电传感器为线阵电荷耦合器件、线阵CMOS器件的一种。
本发明的工作过程为：宽波段光源发出光束，经过光束整形器和起偏器，形成线偏振光束，垂直入射到表面等离子体共振器的直角边入射面，在斜边底面发生内全反射，被测物质置于传感平面上的全反射区域，反射光经过直角边出射面出射后，经过检偏器、扩束镜和反射式闪耀光栅，扩束镜对光束进行扩束，光束入射到反射式闪耀光栅发生衍射，不同波长光的衍射角不同，从而沿不同方向反射，形成发散带状光束，达到线阵光电传感器上，从而线阵光电传感器得到传感平面发生全反射的反射光强度随波长的光谱信息，在共振波长时，传感平面上发生等离子体共振，形成共振吸收峰。发生全反射区域为接触被测物质区域。共振吸收峰幅值和共振波长与传感平面全反射区域附近物质特性有关，从而可以得到被测物质信息，例如，折射率，浓度等。通过改变检偏器检偏方向，可以得到不同光束出射面出射的不同偏振方向光束的表面等离子体共振吸收峰幅值和共振波长的变化，从而可以得到被测物质影响光束偏振的特性测量。
与现有技术相比，本发明的优点：
1)无机械运动部件；
2)模块化程度高、系统简单；
3)结构简单稳定，对机械定位要求低；
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本实施例的一种表面等离子体共振光谱传感器具体结构如图1所示，包括宽波段光源1、光束整形器2、起偏器3、表面等离子体共振器4、检偏器5、扩束镜6、反射式闪耀光栅7，和线阵光电传感器8。表面等离子体共振器4为柱形棱镜，其横截面为等腰直角三角形，表面等离子体共振器斜边底面镀有金属反射膜构成传感平面402。宽波段光源1发射光路依次设置有光束整形器2、起偏器3和表面等离子体共振器4，入射光束与表面等离子体共振器4的直角边入射面401垂直，在传感平面402发生内全反射后由直角边直角边出射面403出射，出射光束方向上依次设置有检偏器5、扩束镜6和反射式闪耀光栅7，线阵光电传感器8设置在反射式闪耀光栅7衍射光束出射方向上，并与衍射光发散方向平行。
宽波段光源1为宽波段钨灯光源，表面等离子体共振器4的斜边底面金属反射膜为厚度为50nm的金薄膜，线阵光电传感器8采用线阵电荷藕和器件，被测样品选择醇类。
工作中，宽波段光源1发出光束，经过光束整形器2和起偏器3，形成线偏振光束，垂直入射到表面等离子体共振器4的直角边入射面401，在斜边底面402发生内全反射，被测物质置于传感平面402上的全反射区域，反射光经过直角边出射面403出射后，经过检偏器5、扩束镜6和反射式闪耀光栅7，扩束镜6对光束进行扩束，光束入射到反射式闪耀光栅7发生衍射，不同波长光的衍射角不同，从而沿不同方向反射，形成发散带状光束，达到线阵光电传感器8上，从而，线阵光电传感器8得到传感平面402发生全反射的反射光强度随波长的光谱信息，在共振波长时，传感平面上发生等离子体共振，形成共振吸收峰。发生全反射区域为接触被测物质区域。共振吸收峰幅值和共振波长与传感平面全反射区域附近物质特性有关，从而可以得到被测物质信息，例如，折射率，浓度等。通过改变检偏器检偏方向，可以得到不同光束出射面出射的不同偏振方向光束的表面等离子体共振吸收峰幅值和共振波长的变化，从而可以得到被测物质影响光束偏振的特性测量。此表面等离子体共振光谱传感器中无机械运动部件、系统结构简单。

Claims (4)

1.表面等离子体共振光谱传感器，包括宽波段光源、光束整形器、起偏器、表面等离子体共振器、检偏器、扩束镜、反射式闪耀光栅和线阵光电传感器，其特征在于：沿宽波段光源的发射光路依次设置有光束整形器、起偏器和表面等离子体共振器；所述的表面等离子体共振器是截面为等腰直角三角形的柱形棱镜，其斜边底面镀有金属反射膜构成传感平面；入射光束与表面等离子体共振器的直角边入射面垂直，在传感平面发生内全反射后由直角边出射面出射；出射光束方向上依次设置有检偏器、扩束镜和反射式闪耀光栅，线阵光电传感器设置在反射式闪耀光栅衍射光束出射方向上，并与衍射光发散方向平行。
2.如权利要求1所述的表面等离子体共振光谱传感器，其特征在于：所述的宽波段光源为宽波段非相干光源、宽波段激光光源的一种。
3.如权利要求1所述的表面等离子体共振光谱传感器，其特征在于：所述的光束整形器为准直扩束镜组、准直镜、空间光调制器的一种。
4.如权利要求1所述的表面等离子体共振光谱传感器，其特征在于：所述的线阵光电传感器为线阵电荷耦合器件、线阵CMOS器件的一种。
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