CN104792738A - 表面等离子体共振透明液体折射率检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面等离子体共振透明液体折射率检测系统及检测方法，它包括：激光光源；偏振棱镜，所述偏振棱镜与所述激光光源相配合设置，用于将所述激光光源发射的光线转换成向下垂直入射的P偏振光；样品盒，所述样品盒安装在所述偏振棱镜的下方，用于盛放待测透明液体并将所述P偏振光反射成与其相平行的第一出射光；所述P偏振光在所述样品盒内的入射点位置固定；半透半反镜；透镜；探测器，所述探测器安装在所述透镜的焦点处；转台；控制器；计算机。通过将激光光源、偏振棱镜、样品盒、半透半反镜等进行有机地组合，克服了传统棱镜型结构除转动平台外还需加入光源或者探测器的运动机械装置的弊端，简化了系统。

Description

表面等离子体共振透明液体折射率检测系统及检测方法

技术领域

 本发明属于光学检测领域，涉及一种透明液体折射率检测系统，具体涉及一种表面等离子体共振透明液体折射率检测系统及检测方法。

背景技术

表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）传感技术是一种新兴的检测技术。SPR传感技术基于一种名为表面等离子体共振的物理光学现象。当光线由光密介质照射到光疏介质，其入射角大于某个特定角度时，会发生全反射现象。如果在两种介质的界面之间，存在一层合适厚度的金属膜，在发生全反射的条件下，入射光线P偏振分量产生的消逝波将穿透导电金属层，并与金属层中的自由电子相互作用，激发出沿金属导体表面传播的表面等离子体波。适当改变入射光的入射角度或者波长，当入射光波矢在介质与金属界面方向上的分量同表面等离子体波的固有传播波矢满足匹配时发生共振。共振时入射光的大部分能量被表面等离子体波吸收，使得反射光能量急剧下降，从而出现共振吸收峰。理论计算表明当金属膜两侧介质折射率发生极细微的变化时，将会相应地改变谐振吸收峰的位置。SPR传感技术就是利用上述原理对附着金属表面的待分析物进行检测的。

扫描SPR的设备分为角度扫描、波长扫描两种。扫描装置一般分为棱镜型、光纤型、波导型和光栅型，其中棱镜型应用较为广泛。在棱镜型角度扫描装置中，根据几何原理，棱镜转动致使出射光出射角度的变化是入射光入射角度变化的2倍，这就要求有相应的设备去满足角度匹配。目前比较普遍的技术有内盘外盘读数法、连杆读数法、椭球读数法等。内盘外盘读数法，外盘的转速是内盘的2倍，棱镜放置在内盘，探测器放置于外盘。连杆测量法（专利号98102366.5），光源和探测器放置于同轴的连杆上，角度同时变化。椭球读数法（专利号200910071979.0），棱镜和探测器位于同一椭圆的两个焦点处，转动棱镜可以无误差接收反射光。可见，现有这些方法需要附属设备来满足角度匹配，增加了表面等离子体共振检测系统的复杂性。此外，目前的棱镜结构多采用三角棱镜或半圆柱棱镜结构，在棱镜底面镀金属膜，待测样品直接接触金属膜，以此测量待测样品的折射率；这样由于金属膜清洗困难，增加了金属膜重复使用的难度。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种表面等离子体共振透明液体折射率检测系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种表面等离子体共振透明液体折射率检测系统，它包括：

激光光源，所述激光光源用于发射光线；

偏振棱镜，所述偏振棱镜与所述激光光源相配合设置，用于将所述激光光源发射的光线转换成向下垂直入射的P偏振光；

样品盒，所述样品盒安装在所述偏振棱镜的下方，用于盛放待测透明液体并将所述P偏振光反射成与其相平行的第一出射光；所述P偏振光在所述样品盒内的入射点位置固定；

半透半反镜，所述半透半反镜对应设置在所述样品盒的上方，用于将所述第一出射光反射成第二出射光；

透镜，所述透镜用于汇聚所述第二出射光；

探测器，所述探测器安装在所述透镜的焦点处；

转台，所述转台用于固定所述样品盒并带动其与所述P偏振光形成不同度数的入射角；

控制器，所述控制器与所述转台相电连接；

计算机，所述计算机分别与所述探测器、所述控制器相通讯。

优化地，所述样品盒包括对应设置在所述偏振棱镜下方的金属膜基片、对应设置于所述半透半反镜下方的全反射镜，所述全反射镜和所述金属膜基片形成夹角为直角的V形结构且侧边密封。

优化地，所述样品盒通过连接件固定在所述转台上。

进一步地，所述金属膜基片为外表面镀金属膜的透明薄片。

进一步地，所述透明薄片的材质为玻璃或硅，所述金属膜的材质为金、银或铝。

进一步地，所述透明薄片厚度为0.01~100毫米，所述金属膜厚度为10~500纳米。

本发明的又一目的在于提供一种表面等离子体共振透明液体折射率检测方法，使用上述的表面等离子体共振透明液体折射率检测系统，包括以下步骤：

（a）向样品盒中加入待测透明液体；

（b）在计算机中输入入射角度，利用控制器控制转台转动至对应角度；

（c）打开激光光源发射光线，使光线依次通过偏振棱镜、样品盒、半透半反镜、透镜，随后利用探测器将探测到的信号输送给计算机处理，得到样品盒的反射率；

（d）重复步骤和步骤多次，利用计算机将输入的不同信号处理后形成样品盒的反射率角谱；

（e）根据所述反射率角谱确定待测透明液体的折射率。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明表面等离子体共振透明液体折射率检测系统，通过将激光光源、偏振棱镜、样品盒、半透半反镜等进行有机地组合，这样当样品盒在竖直平面内的转动时，P偏振光的入射点和第一出射光的出射方向不变，从而最终可以利用半透半反镜间接实现向计算机发送不同强度的信号，克服了传统棱镜型结构除转动平台外还需加入光源或者探测器的运动机械装置的弊端，简化了系统。

附图说明

附图1为本发明表面等离子体共振透明液体折射率检测系统的结构示意图；

附图2为本发明表面等离子体共振透明液体折射率检测系统样品盒的示意图；

附图3为利用本发明表面等离子体共振透明液体折射率检测方法测得的体积比1:1的乙醇/水混合溶液反射率角谱；

其中，1、激光光源；2、偏振棱镜；3、半透半反镜；4、样品盒；41、全反射镜；42、金属膜基片；43、入射点；44、待测透明液体；45、液面；5、透镜；6、探测器；7、计算机；8、控制器；9、转台；10、连接件。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明优选实施方案进行详细说明：

如图1所示的表面等离子体共振透明液体折射率检测系统，主要包括激光光源1、偏振棱镜2、半透半反镜3、样品盒4、透镜5、计算机7和转台9等部件。

其中，激光光源1用于产生并发射光线；偏振棱镜2与激光光源1相配合设置（在本实施例中，偏振棱镜2对应设置于所述激光光源1的正下方），用于将激光光源1发射的光线转换成向下垂直入射的P偏振光。

样品盒4安装在偏振棱镜2的下方，在本实施例中，如图2所示，样品盒4包括全反射镜41和金属膜基片42，金属膜基片42设置在偏振棱镜2的下方，用于将P偏振光反射至全反射镜41上，定义P偏振光与金属膜基片42的交点为入射点43，该入射点43在金属膜基片42的位置保持不变；全反射镜41对应设置于半透半反镜3的下方，它与金属膜基片42形成夹角为直角的V形结构并且侧边密封（即全反射镜41的底边与金属膜基片42的底边密封连接，而它们与底边相邻的侧边也通过其它部件密封连接，从而形成纵切面为直角三角形的容器结构），用于将从全反射镜41反射来的光线反射成与P偏振光相平行但方向相反的第一出射光。在本实施例中，定义金属膜基片42与全反射镜41相向的一面为内表面，它与全反射镜41相背的一面为外表面，则金属膜基片42为外表面镀金属膜的透明薄片；透明薄片的材质为玻璃或硅，其厚度为0.01~100毫米；金属膜的材质为金、银或铝，其厚度为10~500纳米。传统棱镜型结构，棱镜加工困难、镀膜工艺复杂、镀膜成本高，而且样品必须与金属膜直接接触，金属膜易受到污染，清洗困难，影响二次测量精度，并直接影响金属膜的使用寿命；本发明采用透明薄片为衬底进行镀膜，加工方便、成本低、利于更换；而样品与透明薄片接触，金属膜与空气接触（或金属膜一侧做成真空室），极大地提高了金属膜的测量灵敏度和使用寿命，透明薄片易于清洗，并不影响测量精度。

半透半反镜3对应设置在样品盒4的上方，用于将第一出射光反射成第二出射光；透镜5设置在半透半反镜3的一侧，用于汇聚第二出射光；探测器6安装在透镜5的焦点处，这样被透镜5汇聚的第二出射光就聚集到探测器6上；计算机7与探测器6相通讯，用于接收探测器6输送的信号并进行处理。

转台9与样品盒4通过连接件10相固定，它用于固定样品盒4并带动其与P偏振光形成不同度数的入射角。在本实施例中，转台9的转轴设置于图2中的入射点43处，转轴的轴心线与入射点43处于同一直线上，即在图2中转台9的转轴水平设置。这样当转台9围绕其转轴转动时，样品盒4同步转动，P偏振光与金属膜基片42之间的入射角改变，同时能够确保入射点43的位置不变；同时需要注意的是，样品盒4容积有限，因此在使用时待测透明液体44应该加入适量，不能过多；而且转台9的转动范围也收到限制，它的全反射镜41或金属膜基片42顶部必需高于待测透明液体的液面45，也就是说液面45必需高于入射点43，否则待测透明液体44会从样品盒4内漏出。

控制器8与转台9相电连接，用于控制转台9的转动角度，即控制P偏振光与金属膜基片42之间的入射角。计算机7还与控制器8相通讯，通过计算机7中相应的软件输入入射角的具体数值，计算机7能够向控制器8输送相应的控制信号，进而控制转台9转动使P偏振光与金属膜基片42形成相应的角度。由此可知，本发明表面等离子体共振透明液体折射率检测系统，仅转台9具有机械装置，克服了传统棱镜型结构除转动平台外还需加入光源或者探测器的运动机械装置的弊端，简化了系统，降低了设备成本。

上面对本发明表面等离子体共振透明液体折射率检测系统的结构进行了详细描述，下面对其工作原理和使用方法作进一步阐述。

本发明表面等离子体共振透明液体折射率检测方法（或者是上述表面等离子体共振透明液体折射率检测系统的使用方法）包括以下步骤：

（a）向样品盒4中加入待测透明液体44；

（b）在计算机7中输入入射角度（一般情况下是用对应的软件中进行输入），计算机7向控制器8发送对应的控制信号，随后控制器8控制转台9转动至对应角度；

（c）打开激光光源1发射光线，光线经过偏振棱镜2的作用形成向下垂直入射的P偏振光，P偏振光经过金属膜基片42和全反射镜41的反射（样品盒4内直角的双反射原理）形成与P偏振光相平行但方向相反的第一出射光；第一出射光经过半透半反镜3的反射形成第二出射光射向透镜5，随后汇聚于其焦点而被探测器6所感应；计算机7接收到探测器6发送的信号进行处理得到样品盒4的金属膜基片42的反射率；

（d）重复步骤b和步骤c多次，使得P偏振光与金属膜基片42之间的入射角处于不同角度数值，利用计算机7将输入的不同信号（对应不同的入射角角度）处理后形成金属膜基片42的反射率角谱（随着入射角角度的改变，第一出射光只发生水平移动，其方向不变）；这是因为待测透明液体44-透明薄片-金属膜-空气构成四层结构可以实现SPR的波矢匹配，并可以发生SPR共振，改变待测透明液体44的折射率可以改变SPR共振吸收峰的位置；

（e）根据反射率角谱确定待测透明液体的折射率；在本实施例中，待测透明液体44为体积比1:1的乙醇/水混合溶液，其不同入射角角度下对应的反射率如图3所示，由菲涅尔理论拟合得到乙醇/水混合溶液的折射率为1.3575。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种表面等离子体共振透明液体折射率检测系统，其特征在于，它包括：

激光光源（1），所述激光光源（1）用于发射光线；

偏振棱镜（2），所述偏振棱镜（2）与所述激光光源（1）相配合设置，用于将所述激光光源（1）发射的光线转换成向下垂直入射的P偏振光；

样品盒（4），所述样品盒（4）安装在所述偏振棱镜（2）的下方，用于盛放待测透明液体并将所述P偏振光反射成与其相平行的第一出射光；所述P偏振光在所述样品盒（4）内的入射点位置固定；

半透半反镜（3），所述半透半反镜（3）对应设置在所述样品盒（4）的上方，用于将所述第一出射光反射成第二出射光；

透镜（5），所述透镜（5）用于汇聚所述第二出射光；

探测器（6），所述探测器（6）安装在所述透镜（5）的焦点处；

转台（9），所述转台（9）用于固定所述样品盒（4）并带动其与所述P偏振光形成不同度数的入射角；

控制器（8），所述控制器（8）与所述转台（9）相电连接；

计算机（7），所述计算机（7）分别与所述探测器（6）、所述控制器（8）相通讯。

2.根据权利要求1所述的表面等离子体共振透明液体折射率检测系统，其特征在于：所述样品盒（4）包括对应设置在所述偏振棱镜（2）下方的金属膜基片（42）、对应设置于所述半透半反镜（3）下方的全反射镜（41），所述全反射镜（41）和所述金属膜基片（42）形成夹角为直角的V形结构且侧边密封。

3.根据权利要求1所述的表面等离子体共振透明液体折射率检测系统，其特征在于：所述样品盒（4）通过连接件（10）固定在所述转台（9）上。

4.根据权利要求2所述的表面等离子体共振透明液体折射率检测系统，其特征在于：所述金属膜基片（42）为外表面镀金属膜的透明薄片。

5.根据权利要求4所述的表面等离子体共振透明液体折射率检测系统，其特征在于：所述透明薄片的材质为玻璃或硅，所述金属膜的材质为金、银或铝。

6.根据权利要求4所述的表面等离子体共振透明液体折射率检测系统，其特征在于：所述透明薄片厚度为0.01~100毫米，所述金属膜厚度为10~500纳米。

7.一种表面等离子体共振透明液体折射率检测方法，其特征在于，它包括以下步骤：

（a）向样品盒（4）中加入待测透明液体；

（b）在计算机（7）中输入入射角度，利用控制器（8）控制转台（9）转动至对应角度；

（c）打开激光光源（1）发射光线，使光线依次通过偏振棱镜（2）、样品盒（4）、半透半反镜（3）、透镜（5），随后利用探测器（6）将探测到的信号输送给计算机（7）处理，得到样品盒（4）的反射率；

（d）重复步骤（b）和步骤（c）多次，利用计算机（7）将输入的不同信号处理后形成样品盒（4）的反射率角谱；

（e）根据所述反射率角谱确定待测透明液体的折射率。