CN106338470B - 一种光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，具有这样的特征，包括：频率可调光源；多边形柱棱镜单元，包括边数至少为五的正多边形柱棱镜和依次设置在正多边形柱棱镜的不同棱边外侧的金属层、纳米颗粒层以及微纳光学结构层；以及光信息接收单元，其中，被测样品放置在金属层的外侧，纳米颗粒层为核壳结构，用于增强被测样品的拉曼传感，核壳结构包含金纳米层以及二氧化硅纳米层，微纳光学结构层用于超分辨图像传感。所以，本发明的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置不仅具有系统结构简单、光场强度分布均匀、灵敏度高、系统稳定性高等优点，而且具有多机理传感检测、可实现区域测量、功能易于拓展、适用范围广等特点。

Description

一种光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置。
背景技术
表面等离子体共振传感技术发展迅速，广泛应用于物质分析、环境检测、环境感知、食品安全、生命科学、生物医药、医学诊断、安防、刑侦、质检、过程控制等诸多领域，成为痕量物质测量与分析技术发展热点之一，但是，目前的表面等离子体共振传感技术还有很多不足之处。
中国发明专利(申请号为CN01136673.7，公开号为CN1342895)公开了一种波长调制偏振型表面等离子体波传感器，该波长调制偏振型表面等离子体波传感器包括激光器、起偏器、传感部件、1/4波片、检偏器、光电转换器、锁相放大器、计算机以及信号发生器。尽管该波长调制偏振型表面等离子体波传感器具有结构简单、对测量分辨率有显著提高等优点，但是，光束在传感部件中只发生一次全反射，导致测量灵敏度不高。
针对上述波长调制偏振型表面等离子体波传感器的不足，中国发明专利(公开号为CN101294900)公开了一种高精细度腔表面等离子体共振传感器，该高精细度腔表面等离子体共振传感器包括激光光源、表面等离子体传感器以及光电探测器，表面等离子体传感器为截面为等腰三角形的柱形棱镜，斜边面为光束入射面和光束出射面，底边面为传感平面，有金属薄膜，入射光束与光束入射面垂直，出射光束与光束出射面垂直，光束入射表面等离子体传感器后在传感平面发生全反射；光束入射面和光束出射面构成高精细度腔；光束在高精细度腔内往返传播，每次往返均在棱镜镀有金属膜的一面发生表面等离子体共振，均与被测物质相互作用。尽管该高精细度腔表面等离子体共振传感器具有一定的优点，但是，仍然存在本质不足，采用等腰三棱镜两个平面构成高精细度腔，此类腔为线形高精细度腔，光场在内部往返传播，存在驻波行为，光场强度分布不均匀，导致影响装置灵敏度、系统抗干扰性，同时，此在先技术装置的传感能力受限，无法实现多机理传感检测，影响适用范围。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种具有环形腔结构、系统结构简单、由行波光场激发、光场强度分布均匀、灵敏度高、系统稳定性高、具有多机理传感检测、可实现区域测量、功能易于拓展、适用范围广的光场行波腔增强表面等离子共振传感装置。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供了一种光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，用于检测被测样品的物质信息，其特征在于，包括：频率可调光源，用于发射多种频率的单一频率的光束；多边形柱棱镜单元，包括边数至少为五的正多边形柱棱镜和依次设置在正多边形柱棱镜的不同棱边外侧的金属层、纳米颗粒层以及微纳光学结构层；以及光信息接收单元，用于接收从正多边形柱棱镜中射出的光场，其中，被测样品放置在金属层的外侧，纳米颗粒层为核壳结构，用于增强被测样品的拉曼传感，核壳结构包含金纳米层以及包裹在金纳米层外的二氧化硅纳米层，微纳光学结构层用于超分辨图像传感。
在本发明提供的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征，还包括：光束耦合器，设置在正多边形柱棱镜的棱边外侧，用于对光束进行耦合。
在本发明提供的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，物质信息为折射率、浓度以及分子间作用力。
在本发明提供的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，频率可调光源为可调谐激光器或多波长激光器。
在本发明提供的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，光束耦合器为棱镜光束耦合器、光栅光束耦合器以及微纳结构光束耦合器中的任意一种。
在本发明提供的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，光束的传播方向与多边形柱棱镜的轴向方向相互垂直。
在本发明提供的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，光信息接收单元为光电二极管、光电倍增管以及雪崩二极管中的任意一种。
在本发明提供的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，金属层为金薄膜。
在本发明提供的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，正多边形柱棱镜为正六边形柱棱镜。
在本发明提供的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置中，还可以具有这样的特征：其中，微纳光学结构层为微纳米柱阵列或微纳米孔阵列。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，因为频率可调光源发出的光束能够在正多边形柱棱镜的一条棱边入射，在正多边形柱棱镜的不同棱边的内侧发生全反射，形成正多边形柱棱镜内行波光场，并且与正多边形柱棱镜的不同棱边外侧的金属层、纳米颗粒层以及微纳光学结构层分别发生作用，得到信息光场，信息光场最终被光信息接收单元接收，经处理分析后得到被测样品的物质信息。所以，本发明的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置不仅具有系统结构简单、光场强度分布均匀、灵敏度高、系统稳定性高等优点，而且具有多机理传感检测、可实现区域测量、功能易于拓展、适用范围广等特点。
附图说明
图1是本发明的实施例一中光场行波腔增强表面等离子共振传感装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的光场行波腔增强表面等离子共振传感装置作具体阐述。
图1是本发明的实施例一中光场行波腔增强表面等离子共振传感装置的结构示意图。
如图1所示，在本实施例中，光场行波腔增强表面等离子共振传感装置100用来检测大分子蛋白物质的折射率、浓度以及分子间作用力等参数，它包括频率可调光源10、光束耦合器20、多边形柱棱镜单元30以及光信息接收单元40。
频率可调光源10用来发射单一频率的光束，它的频率可以调节，在本实施例中，频率可调光源10为可调谐激光器10。此外，频率可调光源10还可以为多波长激光器。
光束耦合器20设置在多边形柱棱镜单元30的一个侧面上，可调谐激光器10射出的光束照射在光束耦合器20上，通过光束耦合器20耦合到多边形柱棱镜单元30，在本实施例中，光束耦合器20为棱镜光束耦合器20。此外，光束耦合器20还可以为光栅光束耦合器或微纳结构光束耦合器。
多边形柱棱镜单元30包括边数至少为五的正多边形柱棱镜31和依次设置在正多边形柱棱镜31的不同棱边外侧的金属层32、纳米颗粒层33以及微纳光学结构层34，在本实施例中，多边形柱棱镜单元30为正六边形柱棱镜31。
正六边形柱棱镜31的横截面具有第一棱边311、第二棱边312、第三棱边313、第四棱边314、第五棱边315以及第六棱边316。光束的入射方向与正六边形柱棱镜31的轴向方向垂直，光束通过棱镜光束耦合器20从第一棱边311所在的侧面耦合到正六边形柱棱镜31内。
金属层32贴覆在第二棱边312所在的侧面上，在第二棱边312下形成传感区域，大分子蛋白物质放置在金属层32上，光束照射在金属层32上时，与大分子蛋白物质发生作用，实现表面等离子体共振传感，并且光束在金属层32上发生全反射，在本实施例中，金属层32为50nm的金薄膜32。
纳米颗粒层33贴覆在第三棱边313所在的侧面上，纳米颗粒层33为核壳结构，核壳结构包含金纳米层和包裹在金纳米层外的二氧化硅纳米层，光束在金薄膜32上发生全反射后，进入第三棱边313，在第三棱边313上的纳米颗粒层33发生全反射，同时，在纳米颗粒层33上构成激光拉曼激发，实现大分子蛋白物质的拉曼信号的增强。增强后的信号由外部检测部件采集。
微纳光学结构层34贴覆在第四棱边314所在的侧面上，带有大分子蛋白物质光信息的光束在纳米颗粒层33发生全反射后，进入第四棱边314，在微纳光学结构层34上发生全反射，同时，在微纳光学结构层34上发生光场尺度压缩效应，得到超衍射极限光斑，实现超分辨图像传感，传感后的信息由外部检测部件采集。在本实施例中，微纳光学结构层34为微纳米柱阵列34。此外，微纳光学结构层34还可以为微纳米孔阵列。
带有大分子蛋白物质光信息的光束在微纳米柱阵列34上发生全反射后依次到达第五棱边315以及第六棱边316所在的侧面，分别发生全反射后回到第一棱边311所在的侧面。同时，带有大分子蛋白物质光信息的光束在第五棱边315以及第六棱边316所在的侧面上发生近场区域光谱吸收法传感，最后得到带有大分子蛋白物质光信息的信息光场。
光信息接收单元40用来接收从正六边形柱棱镜射出的带有大分子蛋白物质光信息的信息光场。在本实施例中，光信息接收单元40为光电二级管40。此外，光信息接收单元40还可以为光电倍增管或雪崩二极管。
本实施例所涉及的光场行波腔增强表面等离子共振传感装置100的工作过程如下：
首先，将被检测的大分子蛋白物质放置在金薄膜32上；然后，可调谐激光器10射出的光束通过棱镜光束耦合器20耦合到正六边形柱棱镜31内，光束在第一棱边311所在的侧面发生折射后，到达第三棱边312所在的侧面，在金薄膜32上发生全反射，与金薄膜32上的大分子蛋白物质相互作用，实现表面等离子体共振传感；进一步，带有大分子蛋白物质光信息的光束到达第三棱边313所在的侧面上，在纳米颗粒层33上发生全反射，与纳米颗粒层33构成激光拉曼激发，实现拉曼信号的增强；进一步，增强后的光束进入到第四棱边314所在侧面上，在微纳米柱阵列34上发生全反射，与微纳米柱阵列34发生光场尺度压缩效应，实现超分辨图像传感；再进一步，光束进入到第五棱边315所在侧面上，并发生全反射，实现光谱吸收法传感；然后，光束进入到第六棱边316所在侧面上，并发生全反射，实现光谱吸收法传感，最终得到带有大分子蛋白物质光信息的信息光场，然后返回第一棱边311，通过第一棱边311所在侧面上的棱镜光束耦合器20耦合，经过光电二极管40接收信息光场。测量过程中，改变可调谐激光器10的频率进行多波长相关信息的激发和采集，最后通过计算机分析处理得到大分子蛋白物质的折射率、浓度以及分子间作用力等物质信息。
实施例的作用与效果
根据本实施例所涉及的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，因为可调谐激光器发出的光束能够在正六边形柱棱镜的一条棱边入射，在正六边形柱棱镜的不同棱边的内侧发生全反射，形成正六边形柱棱镜内行波光场，并且与正六边形柱棱镜的不同棱边外侧的金薄膜、纳米颗粒层以及微纳米柱阵列分别发生作用，得到信息光场，信息光场最终被光电二极管接收，经计算机处理分析后得到大分子蛋白物质的折射率、浓度以及分子间作用力等物质信息。所以，本实施例的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置不仅具有系统结构简单、光场强度分布均匀、灵敏度高、系统稳定性高等优点，而且具有多机理传感检测、可实现区域测量、功能易于拓展、适用范围广等特点。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，用于检测被测样品的物质信息，其特征在于，包括：
频率可调光源，用于发射多种单一频率的光束；
多边形柱棱镜单元，包括边数至少为五的正多边形柱棱镜和依次设置在所述正多边形柱棱镜的不同棱边外侧的金属层、纳米颗粒层以及微纳光学结构层；
光束耦合器，设置在所述正多边形柱棱镜的棱边外侧，以及
光信息接收单元，用于接收从所述正多边形柱棱镜中射出的带有所述被测样品光信息的信息光场，
其中，所述被测样品放置在所述金属层的外侧，
所述纳米颗粒层的纳米颗粒为核壳结构，用于增强所述被测样品的拉曼传感，所述核壳结构包含金纳米层以及包裹在所述金纳米层外的二氧化硅纳米层，
所述微纳光学结构层用于产生超分辨图像传感，
所述光束的入射方向与所述正多边形柱棱镜的轴向方向垂直，
所述光束通过设置有所述光束耦合器的所述正多边形柱棱镜的侧面耦合到所述正多边形柱棱镜内，
所述光束在所述金属层、所述纳米颗粒层、所述微纳光学结构层均发生全反射。
2.根据权利要求1所述的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，其特征在于，还包括：
光束耦合器，设置在所述正多边形柱棱镜的棱边外侧，用于对所述光束进行耦合。
3.根据权利要求1所述的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，其特征在于：
其中，所述物质信息为折射率、浓度以及分子间作用力。
4.根据权利要求1所述的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，其特征在于：
其中，所述频率可调光源为可调谐激光器或多波长激光器。
5.根据权利要求2所述的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，其特征在于：
其中，所述光束耦合器为棱镜光束耦合器、光栅光束耦合器以及微纳结构光束耦合器中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，其特征在于：
其中，所述光束的传播方向与所述正多边形柱棱镜的轴向方向相互垂直。
7.根据权利要求1所述的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，其特征在于：
其中，所述光信息接收单元为光电二极管、光电倍增管以及雪崩二极管中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，其特征在于：
其中，所述金属层为金薄膜。
9.根据权利要求1所述的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，其特征在于：
其中，所述正多边形柱棱镜为正六边形柱棱镜。
10.根据权利要求1所述的光场行波腔增强表面等离子体共振传感装置，其特征在于：
其中，所述微纳光学结构层为微纳米柱阵列或微纳米孔阵列。
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