CN101620063A - 串联分布式棱镜spr传感器系统 - Google Patents
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Abstract
一种串联分布式棱镜SPR传感器系统，由宽带光源(1)、多模光纤(2)、P型偏振分光棱镜(3)、串联分布式棱镜SPR传感器组(4)、聚焦透镜(5)、多模光纤耦合器(6)、光谱仪(7)、USB数据线(8)、计算机(9)组成。其特征在于：上述分布式棱镜SPR传感器(4)由多个分立的等腰棱镜依次按照正立－倒置形式，以特定比例间距串联排布组成。该方法使棱镜SPR传感器能同时检测多种液体折射率，相对于传统单通道棱镜SPR传感器提高了检测效率，具有加工方便、可置换性强等特点。
Description
技术领域
本发明属于表面等离子体波传感器技术领域，具体为串联分布式棱镜型表面等离子体波传感器。
背景技术
表面等离子体波共振(以下简称SPR)效应是一种发生在金属与电介质界面上的物理光学现象，它对附着在金属表面电介质的折射率变化非常敏感。自从1983年瑞典人Liedberg首次将SPR效应应用于IgG蛋白质与其抗原的相互作用反应的测定，基于SPR效应的传感器已在环境监测、生化检测以及食品科学等多个领域得到各国科研人员的极大重视。
棱镜SPR传感器是其中发展最为成熟，应用最为广泛的一类，并主要基于角度调制型和相位调制型检测方法。这两种方法虽然检测精度高，但是结构复杂、仪器笨重、价格昂贵，于是逐渐发展出了波长调制型检测系统。该方法检测精度略低，但结构简单易操作，价格便宜，适用于大规模配置在恶劣的检测环境中。美国热电公司子光谱部以其10年傅立叶变换红外技术经验结合最新的SPR技术研制了单通道波长调制型棱镜SPR传感器检测模块-SPR100，其典型结构依次由宽带光源、多膜光纤、P型偏振分光棱镜、单个棱镜SPR传感器、聚焦透镜、多模光纤耦合器、光谱仪、USB数据线和计算机组成。
在实际测量环境中，被测参量往往呈现一定空间分布，或者是多个被测参量共存于同一环境，而单通道波长调制型棱镜SPR传感器检测系统一次只能检测一个目标参量，无法实现有效、快捷的检测。所以，为获得这一类实测对象比较完整的信息，实现同时检测多个检测环境或同一环境的多个目标参量，需研制具备高集成度、高通量、多组分和多位点同时测定能力的新型分布式SPR检测系统。
美国华盛顿大学Jiri Homola等人2001年在《Sensors and Actuators B》期刊上发表题为“A novel multichannel surface plasmon resonance biosensor”的文章，提出了双通道棱镜SPR传感器结构，其示意图如图1所示。在SF14玻璃制成的等腰直角棱镜底部先增镀一层金属膜，然后在金属膜的一半面积上蒸镀调制层，从而形成两个分别基于Kretschmann三层模型和四层模型的独立传感区域。当不同的液体分别与两传感区接触时，通过棱镜入射到底面上的光可同时激发两次SPR效应，表现在反射率光谱上就是在宽带光源带宽范围内同时出现两个共振波谷，每一个共振波谷分别对应一种待测液体。计算共振波谷对应的共振波长即可实现对待测液体性质的检测。这种结构的缺点是当目标参量增加时需要增加镀膜层数，膜系结构更加复杂，对镀膜工艺要求更高。同时也不便于通过改变自身参数来及时适应更高的检测分辨率要求。
南京航空航天大学曹振武等人2007年在《压电与声光》期刊上发表“基于四棱镜结构的分布式SPR传感器研究”一文，提出了一种三通道分布式棱镜SPR传感器，其结构如图2所示。通过在四棱镜的三个面上增镀金属薄膜，构造了三个传感区域。当光线从棱镜下底面以一定角度入射时，可分别在三个面上激发SPR效应，在宽带光源带宽范围内观察到三个共振波谷，实现三通道分布式测量。但是这种结构需要在三个相交的面上镀膜，不容易控制镀膜厚度和镀膜夹具角度。而且需要通过在五棱镜、六棱镜等更复杂的棱镜面上镀膜来实现更高的通道数，对镀膜工艺要求较高。此外，不便于通过改变自身结构参数来适应更高的检测分辨率要求。
发明内容
本发明的目的在于研制一种便于加工、便于通过改变自身结构适应更多检测参数和更高检测分辨率要求的分布式SPR传感器检测系统，从而提出了串联分布式棱镜SPR传感器系统。该系统结构简单，制作方便，当检测精度或检测分辨率要求提高时，容易通过将单个棱镜SPR传感器置换为不同调制层厚度、同样尺寸的其他棱镜SPR传感器适应要求变化。
一种串联分布式棱镜SPR传感器系统，依次由宽带光源、多模光纤、P型偏振分光棱镜、棱镜SPR传感器、聚焦透镜、多模光纤耦合器、光谱仪、USB数据线、计算机组成；其特征在于：上述棱镜SPR传感器由多个完全相同的单通道等腰直角棱镜SPR传感器依次按照正立-倒置的方式等间距串联排布，且该间距大于0，小于等于1/3等腰直角棱镜腰长。
本发明的分布式棱镜SPR传感系统工作原理是：宽带光源发出的光通过多模光纤入射到偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜分光得到的P偏振光以一定的角度入射到串联分布式棱镜SPR传感器组上，并在每个单通道棱镜SPR传感器底面上都激发出SPR效应。此时入射光中P偏振光分量的大部分能量耦合到表面等离子体波中，导致某些特定波段的光子能量因满足共振条件而发生能量衰减，于是在宽带光源带宽范围内形成多个SPR共振波谷。
共振波谷个数的主要影响因素是串联分布式棱镜SPR传感器组所使用的单通道棱镜SPR传感器个数n，而在宽带光源带宽范围内所能检测到的共振波谷个数主要由各个单通道棱镜SPR传感器调制层材料和厚度决定，这也决定了系统的检测分辨率。
P偏振光和S偏振光：入射光波的电场可分解成两个相互正交的偏振光分量：把平行于入射面，与界面垂直的波称为P偏振波；把垂直于入射面、与界面平行的波称为S偏振波。S偏振光的电场与界面平行，不会激励起表面等离子体波。当P偏振光以金反射临界角从光密媒质入射到光疏媒质时，光疏媒质中的折射光波将沿着平行于界面传播形成倏逝波，激起表面电子密度起伏并形成局限于金属表面的表面等离子体波。
共振波长：利用入射光中的P偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射时渗透到金属薄膜内的消失波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体共振。当发生共振时界面处的全反射条件将被破坏，入射光能量被金属表面电子吸收，使反射光能量急剧下降，表现在反射光谱中出现一个波谷，此波谷对应的波长即为共振波长。
本发明的有益效果是：
1.加工多个单通道棱镜SPR传感器，制备过程中只需按照传统分立棱镜型SPR传感器的加工工艺进行加工，并不增加加工难度，这与已有多通道分布式SPR传感器相比，简化了制备工艺简化，降低了加工成本；
2.把多个单通道棱镜SPR传感器按照正立-倒置的形式进行排布，得到多通道串联分布式SPR传感器组，可同时实现对多个目标参量的测量，提高了检测效率。
3.当检目标数或检测分辨率要求提高时，可方便的通过增加单通道棱镜SPR传感器的数量和置换某几个单通道棱镜SPR传感器为同等尺寸不同调制层厚度的其他单通道棱镜SPR传感器来实现，灵活的满足检测要求。
附图说明：
图1是双通道棱镜SPR传感器结构示意图
图2是基于四棱镜结构的棱镜SPR传感器结构示意图
图3是串联分布式棱镜型SPR传感器系统组成示意图
图4是分立棱镜SPR传感器组成示意图
图5是串联分布式棱镜SPR传感器组示意图
图6是五通道串联分布式棱镜SPR传感器系统光谱仿真图
图7是未经调制层调节的六通道串联分布式棱镜SPR传感器系统光谱仿真图
图8是经调制层厚度调节后的六通道串联分布式棱镜SPR传感器系统光谱仿真图
图9是经调制层材料调节后的六通道串联分布式棱镜SPR传感器系统光谱仿真图
上述图中的标号名称：1.等腰直角棱镜，2.金属膜，3.调制层，4.四棱镜，5.金属膜，6.宽带光源，7.多模光纤，8.P型偏振分光棱镜，9.串联分布式棱镜SPR传感器组，10.聚焦透镜，11.多模光纤，12.光谱仪，13.USB数据线，14.计算机，15.等腰直角棱镜，16.金属膜，17.调制层，18.样品池，19.第一棱镜SPR传感器，20.第二棱镜SPR传感器，21.第三棱镜SPR传感器，22.棱镜SPR传感器n。
具体实施方式
本发明利用SPR效应对环境介质折射率变化分辨率高、响应快、高通量、敏感、特异、简便、对样品本身无损伤等优点，实现对生物、化学、生命科学、环境等领域的监测研究，并可获得许多其他方法难以获得的动力学数据；同时采用分布式的特点，实现对多个检测环境或同一检测环境的多个目标参量实时高通量测定，提高检测效率。
由图3可知，本发明的串联分布式棱镜SPR传感系统具体组成是，宽带光源1(可用HL-2000卤钨宽带光源)发出的光经多模光纤2进入3，经3后将S偏振光滤去，仅使P偏振光入射到基于Kretschmann模型的串联分布式棱镜SPR传感器组4上，与待测样本产生表面等离子波共振效应后的透射光经聚焦透镜5耦合入多模光纤6并传入光谱仪7(可用USB2000型光谱仪)上，上述光谱仪7通过USB数据线8与计算机9相连，通过9输出反射光强度与入射光波长之间的关系曲线，即可实现对待测样本的测量。
图4是棱镜SPR传感器组成示意图。它包括等腰直角棱镜10、金属膜11(如金、银等)、调制层12(如Ta2O5、TiO2等)和固连在棱镜上的样品池13。样品池主要用来盛装待测电介质样品，保证样品与金属膜贴合。发明中考虑到只在棱镜基底镀金属膜不利于传感器的重复使用，而且检测共振波长带宽不便于调节，所以在金属膜外侧增镀调制层。一方面保护金膜表面的光洁度，另一方面便于调节共振波长检测带宽，有灵活的置换性。
图5是串联分布式棱镜SPR传感器组示意图。将单独的多个棱镜型SPR传感器按照正立-倒置方式交替进行串联组合，引入更多的SPR传感面，实现多通道的同时检测。按照一定的比例间距调整各个分立棱镜SPR传感器之间的距离，即可使一束入射光依次通过折射和反射遍历所有棱镜，而且在每个传感面上都以相同入射角激发SPR效应。在调整时，保证每个棱镜的传感面保持平行，而且为保证光线在每两个棱镜间能有效传播，最好保证棱镜间径向间距与棱镜腰长之比小于1/3。采用检测归一化光强的波长调制检测技术，当不同的待测液体分别流经每个棱镜的传感面时，可以发现在一定范围内依次激发出多个SPR共振波谷。
图6是串联分布式棱镜SPR传感器检测系统检测波形模拟仿真图。横坐标是入射光波长，纵坐标是反射率。仿真时采用波长范围为400～1000nm的宽带光源，分光范围为500～900nm的偏振分光棱镜。单通道棱镜SPR传感器的棱镜材料为SF14，腰长为18mm。金属膜是厚度为55nm的金，调制层是厚度为15nm的Ta2O5(折射率2.1)，光线入射角为64°。采用5个单通道棱镜SPR传感器串联，间隙为5mm。分别检测折射率为1.31、1.33、1.35、1.37、1.39的五种液体。从图中可看出，新型系统同时激发了5个共振波谷，能同时对5种目标参量进行检测。
图7是未经调制层调节的六通道串联分布式棱镜SPR传感器系统光谱仿真图.采用与图6相同的各个参数，将单通道棱镜SPR传感器的个数n增加到6个，另外增加一个折射率为1.41的待测液体。从图中可以看出，由于检测要求的提高，未经调制层调节时，在宽带光源带宽范围内只显示了5个共振波谷，造成了折射率为1.41的待测液体信息的丢失。
图8是经调制层厚度调节后的六通道串联分布式棱镜SPR传感器系统光谱仿真图。通过将第六个单通道棱镜SPR传感器置换成尺寸相同、调制层厚度为5nm的单通道棱镜SPR传感器，成功在宽带光源带宽范围内显示了六个共振波谷，真正实现了六通道分布式检测。
图9是经调制层材料调节后的六通道串联分布式棱镜SPR传感器系统光谱仿真图。通过将第六个单通道棱镜SPR传感器置换成尺寸相同、调制层材料为Al2O3(折射率1.63)的单通道棱镜SPR传感器，成功在宽带光源带宽范围内显示了六个共振波谷，真正实现了六通道分布式检测。
Claims (2)
1.一种串联分布式棱镜SPR传感器系统，可对多个检测环境或同一检测环境的多个目标参量实现实时检测，该系统依次由宽带光源(1)、多模光纤(2)、P型偏振分光棱镜(3)、棱镜SPR传感器、聚焦透镜(5)、多模光纤耦合器(6)、光谱仪(7)、USB数据线(8)、计算机(9)组成；其特征在于：
上述棱镜SPR传感器为串联分布式棱镜SPR传感器组(4)，即由多个完全相同的单通道等腰直角棱镜SPR传感器依次按照正立-倒置的方式等间距串联排布，且该间距大于0，小于等于1/3等腰直角棱镜腰长。
2、根据权利要求1所述的串联分布式棱镜SPR传感器系统，其特征在于：所述的单通道等腰直角棱镜SPR传感器在其金属膜(11)与样品池(13)之间增覆有用于调节共振波长检测带宽的调制层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20120516 Termination date: 20180527 |