CN102721668A

CN102721668A - 基于波长调制型spr技术折射率在线测定装置及测定方法

Info

Publication number: CN102721668A
Application number: CN2012101991680A
Authority: CN
Inventors: 刘宪华; 石潇漩
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明涉及一种波长调制型SPR技术的折射率在线测定装置及测定方法，包括光源，光路系统，进样系统，SPR传感器，光谱仪与计算机；进样池与SPR传感器紧密贴合在一起，构建成一个密闭的空间；微型进样池的出口与废液缸相通；光谱仪与计算机连接，实现对共振波长的在线监测。由光源-卤钨灯发出的光经过光路系统后得到p偏振平行光，得到的光束以固定入射角入射到棱镜及SPR芯片表面，反射的平行光由光纤接受传送到光谱仪中，得到待测物体的共振波长和折射率；通过微量注射泵和六通阀将待测物体按既定流速注入到微型进样池中，达到在线监测。本发明避免了传统角度调制型复杂的角度调制装置以及带来的噪音，检测迅速灵敏，过程简单有效，实现装置的小型化。

Description

基于波长调制型SPR技术折射率在线测定装置及测定方法

技术领域

本发明涉及一种波长调制型SPR技术的折射率在线测定装置及测定方法，主要应用于环境检测，生化等技术领域。

背景技术

表面等离子体共振（surface plasmon resonance，以下简称SPR）是一种物理光学现象。wood在1902年时首次发现表面等离子体共振效应，1957年ritchie从理论上解释了界面能量损失，并提出了金属界面固有的plasmon振荡模型；1959年powell和swan用实验验证了Ritchie理论的正确性，1968年德国kretschman和otto各自采用ATR方法实现了SPR的光学激发，使得用简单的光路组合设计SPR的研究成为可能。这两个模型的提出为SPR传感器的产生和应用提供了广阔的前景。1980年Gordon等首次采用SPR方法研究电化学界面的性质，1982年nylander和liedberg等首次将SPR技术应用于化学传感器领域，并成功研制出第一台SPR传感器，1989-1990年biosensorAB公司开发出了第一台商业化的SPR生物传感器，从此SPR传感器的研究全面展开并不断深入，应用范围也不断扩大，以其灵敏度高，所需试剂少，药品无需标记以及检测速度快等优点并广泛应用于生化，医疗，食品，环境等检测领域，称为传感器研究领域的热点

在金属表面由于电子的横向运动，形成了电子浓度地梯度分布，由此形成表面等离子体。当光在金属与棱镜表面发生全反射时会产生倏逝波，当表面等离子体和倏逝波的频率和波矢相同时两者就会产生共振，此时界面处全反射条件将被破坏，入射光与表面等离子体耦合共振，反射光的强度急剧降低，并出现最小值，呈现衰减全反射现象。表面等离子体共振对金属薄膜表面待测物体的折射率非常敏感，通过对SPR反射光强特性的改变就可以确定折射率的变化。

折射率是透明材料的一个重要光学参数，目前测定折射率的方法很多，主要有全反射法和最小偏向角法，最小偏向角法测量时被测材料要制成棱镜，并且对棱镜的技术要求条件很高，不便快速测量，全反射法随方面快捷，但测量准确度不高，根据全反射法原理制成的阿贝折射仪其折射率的测量分辨率为10^-4-10^-5折射率单位，而且要求在测量时不能出现变化，在实时在线监测微量和低浓度时的效果不好，SPR灵敏度可达到10^-6RIU（折射率单位），并可实时在线监测，当折射率发生微小变化时立即便可监测出来。

目前国内外研制的SPR仪器基本上都是大型的专业化仪器，结构复杂，体积大，零件精密难以更换，价格昂贵等缺点，从而限制了该仪器的推广使用。

发明内容

本发明提供了一种通用性强，测量精度高，小型价廉的基于波长调制型表面等离子体共振技术的折射率在线测定装置

本发明的技术方案如下：

一种基于波长调制型SPR技术折射率在线测定装置，包括光源，光路系统，进样系统，SPR传感器，光谱仪与计算机；进样池与SPR传感器紧密贴合在一起，构建成一个密闭的空间；微型进样池的出口与废液缸相通；光谱仪与计算机连接，实现对共振波长的在线监测。

基于波长调制型SPR技术折射率在线测定方法，其特征是由光源-卤钨灯发出的光经过光路系统后得到p偏振平行光，得到的光束以固定入射角入射到棱镜及SPR芯片表面，反射的平行光由光纤接受传送到光谱仪中，得到待测物体的共振波长和折射率；通过微量注射泵和六通阀将待测物体按既定流速注入到微型进样池中，达到在线监测。

该测定装置包括光源，光路系统，进样系统，SPR传感器，光谱仪与计算机；由光源-卤钨灯发出的光经过光路系统后得到p偏振平行光，得到的光束以固定入射角入射到棱镜及SPR芯片表面，反射的平行光由光纤接受传送到光谱仪中，得到待测物体的共振波长和折射率。通过微量注射泵和六通阀将待测物体按既定流速注入到微型进样池中，达到在线监测的目的。六通阀与微型进样池相连，微量进样池与SPR传感器紧密贴合在一起，构建成一个密闭的空间。微型进样池的出口与废液缸相通。光源系统发出的光通过平行光管和偏振片后得到p偏振平行光，以固定的角度照射到SPR传感器上，在反射光处通过光纤将反射光引入到光谱仪中。光谱仪与计算机连接，实现对共振波长的在线监测。达到检测待测物体折射率的作用。

本发明结构简单，操作迅捷，操作人员无需专业培训即可完成。分辨率高，采用波长调制型进行SPR检测，可以避免了传统角度调制型复杂的角度调制装置以及带来的噪音。而且检测迅速灵敏，测定过程简单有效，并可以实现装置的小型化。

附图说明

图1波长调制型SPR折射率在线测定装置图；

图2微型进样池结构示意图；

图3元件框架的结构示意图；

图4SPR传感器及进样系统示意图图。

具体实施方式

如图1所示，该发明包括光源-卤钨灯（1），光入射系统（2,3），SPR传感装置及进样系统（4），光谱仪（5），计算机(6)组成,光源1发出的光由塑料光纤引出，经过平行光管（2），偏振片（3）后变成p偏振平行光，平行光管通过元件框架左侧的圆孔固定在框架上，以固定角度照射到SPR芯片中央，反射后的光由光纤引入到光谱仪中。通过USB接口，光谱仪与电脑连接，得到共振波长以及被测物质的折射率。

图1中光谱仪为美国ocean optics公司生产的usb-4000光谱仪，体积小，重量轻，通过光纤直接与待测光源连接。检测波长范围大，积分时间可随周围环境的变化进行调节。并且具有极高的信噪比，可通过即插即用型插口与电脑相连，不需要外部供电，灵敏度高，最低可分辨0.3个nm的波长变化，从而大大提高了该装置的灵敏度，待测液体折射率的微小变化也可检测出来。

图2为微型进样池示意图。该发明设计了一种既与SPR芯片密封，又容易注入排出待测液体的进样池，根据芯片尺寸大小（20*12mm），将进样池设计成跑道形状，在芯片的连接处用“O”橡胶圈密封，并在柱体上部左右两边各打一个小孔（直径为1mm）作为进（出）样孔，为使样品进入微型进样池内能够完全充满整个空间而不会有气泡产生，将小孔一个设计在检测池的左下角，一个位于右上角。整个进样池的体积为25-35ul，即使少量样品仍可准确测量样品的折射率。

图3为元件框架的结构示意图，元件框架用来固定和保护棱镜，并在本发明中还起到固定入射角的作用，装置中框架俯视图为等腰直角三角形，在框架左侧的侧面有两个直径为6mm的圆孔，用来固定平行光管，圆孔圆心所在的直线通过棱镜和SPR芯片的中心，并与芯片所在的平面成45°和70°夹角，通过该设计可以使入射光与芯片成45°或70°的夹角，便于通过共振波长测定折射率。此外在框架内部直角处有一个直径为1mm的圆孔，避免框架损伤棱镜.

图4为SPR传感器结构及进样系统示意图示意图。SPR传感装置由镀有SPR芯片的棱镜（1），微型进样池（2），带螺纹贴片（3）组成。进样系统由微细管路，六通阀（5），微型进样池，微量注射泵（6），废液缸（8）组成。棱镜斜面镀有SPR芯片，微型进样池与芯片紧密结合在一起，构成一个密闭的空间，此为检测样品的场所。六通阀的出样口与微型进样池左侧入口相连，进样口与微量注射泵相连，由微量注射泵起到调节流量的作用，微型进样池右侧的出口与废液缸连在一块，构成一个完整的回路：待测样品（7）首先经过微量注射泵，以固定的速度通过六通阀，通过微型进样池左侧的进样孔流通到微型进样池内部，此时得到的反射光通过光纤接收到光谱仪中，即时得到待测物体在45°或70°入射角时的共振波长，从而得出待测物体的折射率。待测物体通过出样孔进入到废液缸中进行后续处理

在斜边镀有SPR 芯片（2）的棱镜装入元件框架后，棱镜（1），微量进样池（3），带螺纹贴片（4）依次紧密贴在一块，带螺纹贴片左右各有一个直径3mm打穿的小孔，并打有螺纹，可以通过左右各一个M3螺丝上紧，将棱镜，进样池，贴片牢牢固定在棱镜框架中。不会产生滑动，保证芯片和进样池紧密结合，并不会损坏芯片。

其中，图四中的微量注射泵采用pump p-500，流速可在16.7ul-16.65ml/min范围内进行调节，使样品通过芯片表面，微量注射泵可用于待测物体折射率在进样池内发生变化的情况。当待测物体折射率不会变化时可通过静态进样，如使用微量注射器通过进样孔注射到进样池中进行检测，从而实现静态和动态检测的有效结合。

本发明的操作流程如下：

1按照如图1所示的装置图将各部分连接在一块，将本设置的光源系统-卤钨灯打开，在没有通入任何物体时，可得到空气的共振波长，并得到空气的折射率

2将微量注射泵打开，待测物体缓缓进入注射泵后，按照既定速度推出注射泵，通过六通阀后入射到微型进样池内，待待测物体充满微量进样池后，即可读出共振波长及折射率。

Claims

1.一种基于波长调制型SPR技术折射率在线测定装置，包括光源，光路系统，进样系统，SPR传感器，光谱仪与计算机；其特征是进样池与SPR传感器紧密贴合在一起，构建成一个密闭的空间；微型进样池的出口与废液缸相通；光谱仪与计算机连接，实现对共振波长的在线监测。

2.基于波长调制型SPR技术折射率在线测定方法，其特征是由光源-卤钨灯发出的光经过光路系统后得到p偏振平行光，得到的光束以固定入射角入射到棱镜及SPR芯片表面，反射的平行光由光纤接受传送到光谱仪中，得到待测物体的共振波长和折射率；通过微量注射泵和六通阀将待测物体按既定流速注入到微型进样池中，达到在线监测。