CN106918579A - 多通道光纤型表面等离子共振谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道光纤型表面等离子共振谱仪，包括：光路系统、液路系统和控制系统，光路系统包括光源、多通道光纤转换器、分束光纤、核心传感器和光谱仪，多通道光纤转换器分别与光源、光谱仪及多根分束光纤连接；每根所述分束光纤分别与一个核心传感器连接；每个核心传感器分别插入多通道样品池的一个传感器插入口；液路系统包括多通道样品池和废液收集器，样品依次流经多通道样品池，在核心传感器上实现不同组分的检测；所述控制系统为一计算机，其通过数据传输线控制光谱仪和多通道光纤转换器并对光谱仪采集的信号进行分析处理。本发明通过多通道光纤转换器和控制系统，经一次进样即可对样品的多个不同指标进行检测。

Description

多通道光纤型表面等离子共振谱仪

技术领域

本发明涉及检测技术领域，特别是涉及一种多通道光纤型表面等离子共振谱仪。

背景技术

表面等离子体是指金属表面自由电子在外部电磁场的作用下发生的相干振荡。当金属的自由电子受到光的电磁场扰动时，电子的密度分布会变得不均，形成局部正电荷积累；在库仑引力作用下，正电荷区域会将临近的电子吸引过来，而由于电子在该过程中获得额外动量，又会使该区域过多积累负电荷；随后电子间的斥力使其再次分开。该过程在极短的时间内多次重复，形成金属表面电子的密度振荡。表面等离子体可存在于金属与电介质的界面，由这种电荷密度振荡产生的电磁场沿界面传播，形成表面等离子波。表面等离子波是偏振的横波，场矢量垂直于波的传播方向，平行于金属与电介质的界面，而且表面等离子波的场矢量在界面处达到最大值，并在两侧介质中呈指数快速衰减。当外部电磁场与表面等离子波的波矢量相匹配时，两者会发生共振，外部电磁场的能量被表面等离子波吸收而发生很强烈的衰减，这种现象被称为表面等离子共振。表面等离子波传播界面的两侧介质(尤其是临近金属表面处)的介电常数变化会影响外部电磁场在界面处的波矢量大小，从而改变激发表面等离子共振的条件(电磁波的波长和入射角度)。这也正是表面等离子共振技术可以用于生物传感的理论依据，根据这个特性，当生物分子反应在金属表面发生时，会使表面等离子共振激发条件随之改变，通过检测这种变化就可以反映生物分子反应的过程。

表面等离子共振现象的研究源自20世纪初。20世纪70年代，科学家们又论证了表面等离子共振现象在生物化学检测方面的应用。20世纪90年代，BIAcore AB公司研制出了以表面等离子共振现象为核心的生物传感芯片。与传统的生化检测方法相比，表面等离子共振分析检测技术具有实时性好、灵敏度高、无需标记等特点，因而具有广阔的应用前景。

在光纤中，由于光线能以全反射的形式传输，我们可将光纤与表面等离子体共振技术结合起来，发展新型的光纤表面等离子体共振传感器。与传统的棱镜结构的SPR传感器相比，光纤SPR传感器具有一系列的优点：(1)体积小巧，重量轻便，可弯折，适用于复杂环境；(2)结构稳定，采用波长检测方式，不易受机械结构及光源强度波动的影响；(3)使被测空间缩小到光纤直径尺寸的数量级；(4)利用光纤的传输功能，可以实现在线实时远距离检测；(5)具有非常好的电磁绝缘性；(6)便于实现传感器阵列和光学集成。因此，该技术在环境监测、食品卫生、生物医药、生化检测等领域有着广阔的应用前景。然而目前，无论是棱镜型还是光纤型，常见的表面等离子共振检测仪器多为单通道或双通道，无法实现对样品的多种不同指标同时进行检测。

发明内容

为了解决现有表面等离子体检测仪器无法实现对样品不同指标同时进行检测的问题，本发明提供一种多通道光纤型表面等离子共振谱仪。

为此，本发明的技术方案如下：

一种多通道光纤型表面等离子共振谱仪，包括：光路系统、液路系统和控制系统，所述光路系统、液路系统集成在一个机箱中。

所述光路系统包括：光源、多通道光纤转换器、分束光纤、核心传感器和光谱仪，所述多通道光纤转换器分别与所述光源、光谱仪及多根所述分束光纤连接；每根所述分束光纤分别与一个所述核心传感器连接；每个核心传感器分别插入所述多通道样品池的一个传感器插入口，并与样品池中流过的待测液体接触，获得检测信号；

所述液路系统包括多通道样品池和废液收集器，样品依次流经所述多通道样品池，在所述核心传感器上实现不同组分的检测，最后流入所述废液收集器；

所述控制系统为一台计算机，其通过数据传输线控制所述光谱仪和多通道光纤转换器，光源发出的光经所述多通道光纤转换器进行多通道光路之间的切换后经多根所述分束光纤分别进入各核心传感器，在核心传感器处发生表面等离子共振，所获得的反馈信号经分束光纤反射回所述多通道光纤转换器，由光谱仪采集信号后传输至所述计算机，由计算机对所采集的信号进行分析处理。

优选的是，所述多通道样品池包括池体、液路进口、内部液路、液路出口和传感器插入口，所述液路进口和液路出口分别与所述池体内的内部液路的两端连通；所述传感器插入口间隔设置有多个，所述各传感器插入口的位置使得各传感器的轴线共面且各传感器在轴向方向上形成高度差，以避免相邻传感器的固定配件发生相互干涉；所述内部液路由多段组成，每段液路由传感段液路和串联段液路构成，所述串联段液路连接相邻两传感器的传感段液路且与这两段传感段液路之间形成的夹角均为钝角；每个所述传感器插入口均与所述液路进口和液路出口的方向垂直。

优选的是，所述串联段液路与相邻传感段液路形成的夹角均为135°。

所述多通道样品池还可以由多个单独的样品池串联而成。

优选的是，所述光源采用DH-2000-BAL型氘钨光源；所述多通道光纤转换器的型号为MPM-2000 2x8型；所述分束光纤为的型号为SPLIT-400-VIS-NIR型；所述光谱仪的型号为USB2000+,200-850nm型。

本发明的共振谱仪具有以下有益效果：

本发明解决了普通光纤型表面等离子共振谱仪无法同时检测多个指标的问题，引入多通道概念，利用光纤型表面等离子共振传感器的基本设计原理，利用多通道光纤转换器制成多通道光纤型表面等离子共振谱仪。通过多通道光纤转换器和相应的软件控制，实现仅需一次进样即可对样品的多个不同指标进行检测的功能。选择相关组件并开发使用相关软件，实现通过一次进样，可对样品的多个不同指标同时进行检测。

本发明中使用的流通池，其中各传感器插入口的位置使得各传感器的轴线共面且各传感器在轴向方向上形成高度差，在使相邻传感器的固定配件不发生相互干涉的情况下，减小了相邻传感器之间的距离，因此大大减小了流通池的面积；整个流通池仅设置了一个进口和一个出口，所以大大降低了漏液机率；该流通池大大缩短了流路的长度，从而节省了待测样品用量，该结构的流通池尤其适用于生化等珍贵药品的检测；在该流通池中，串联段液路与相邻传感段液路形成的夹角均为钝角，大大减小了液路死区体积，降低了液体流动阻力。

附图说明

图1是本发明一个实施例的多通道光纤型表面等离子共振谱仪的组成示意图；

图2是本发明另一实施例中，显示流通池中液路方向和传感器插入方向的示意图，其中，箭头的指向分别代表液体的流向和传感器的插入方向；

图3是一种光纤SPR传感器的结构示意图。

图中：

1.固定配件 2.光纤 3.传感区域

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的多通道光纤型表面等离子共振谱仪的结构进行详细说明。

参见图1所示的本发明的一个实施例。一种多通道光纤型表面等离子共振谱仪，包括：光路系统、液路系统和控制系统，所述光路系统、液路系统集成在一个机箱中。

所述光路系统包括：光源、多通道光纤转换器、分束光纤、核心传感器和光谱仪，所述多通道光纤转换器分别与所述光源、光谱仪及多根所述分束光纤连接；每根所述分束光纤分别与一个所述核心传感器连接；每个核心传感器分别插入所述多通道样品池的一个传感器插入口，并与样品池中流过的待测液体接触，获得检测信号；所述液路系统包括多通道样品池和废液收集器，样品依次流经所述多通道样品池，在所述核心传感器上实现不同组分的检测，最后流入所述废液收集器；所述控制系统为一计算机，其通过数据传输线控制所述光谱仪和多通道光纤转换器，光源发出的光经所述多通道光纤转换器进行多通道光路之间的切换后经多根所述分束光纤分别进入各核心传感器，在核心传感器处发生表面等离子共振，所获得的反馈信号经分束光纤传回所述多通道光纤转换器，由光谱仪采集信号后传输至所述计算机，由计算机对所采集的信号进行分析处理。

所述多通道样品池可以如图1中所示，由多个单独的样品池串联而成。

所述的核心传感器是将光纤的端面打磨、柱面镀金后连接在分束光纤末端，用于检测样品溶液，产生检测信号。

在本发明的一个实施例中，分别采用DH-2000-BAL型氘钨光源、美国OCEAN OPTICS公司生产的MPM-2000 2x8多通道光纤转换器、美国OCEAN OPTICS公司生产的SPLIT-400-VIS-NIR型分束光纤、自行开发的多通道样品池以及USB2000+,200-850nm型光谱仪。光源可稳定提供400～900nm的可见光。

通过SPLIT-400-VIS-NIR型分束光纤可实现将氘钨光源发出的光传导至核心传感器并将核心传感器产生的光信号传回。

MPM-2000 2x8多通道光纤转换器可以偶联一个输入通道和16个不同的输出通道。它包含一个由编码器精密控制的直流电机和一套在旋转模块上的终端开关，光路通过紫外准直棱镜耦合。该转换器还含有一个电脑数值控制器，以控制定位模式。所有的准直位置都存储在控制单元的内存中，准直操作也可通过软件很容易地实现。多通道光纤转换器可由软件控制，通过RS-232协议与电脑连接。软件可实现对转换顺序和延迟时间的全面控制。该转换器也可实现双通道输入和八通道输出操作。该仪器可用于程序控制，比如，多个位点需要由多个探测器测量，所有探针共用一个光谱仪通道和/或一个光源。该转换器可以作为一个独立装置，因为它自带了程序；也可以作为一个软件控制的单元。

采用MPM-2000software软件控制，实现输出光路的切换与表面等离子共振信号的采集，以实现既能使用单通道方式对单一指标进行检测，又能使用多通道方式同时对2～8种不同指标进行检测，如，1、2、3、4、5、6、7、8多通道样品池分别检测A、B、C、D、E、F、G、H八种指标，当需要检测B、E、G三种指标时，便可利用软件将光路和信号检测锁定在2、5、7三个通道之间以自动轮动循环切换的方式对三个通道的相应指标进行检测。

将DH-2000-BAL型氘钨光源、MPM-2000 2x8型多通道光纤转换器、SPLIT-400-VIS-NIR型分束光纤、自行设计的多通道样品池、废液收集系统、USB2000+,200-850nm型光谱仪以及装有操作软件的计算机按附图1所示进行组装，并运行MPM-2000software软件对仪器进行调试。

本发明自行设计的一种多通道样品池包括：池体、液路进口、内部液路、液路出口和传感器插入口。参见图2，所述液路进口和液路出口分别与所述池体内的内部液路的两端连通；所述传感器插入口间隔设置有多个，所述各传感器插入口的位置使得各传感器的轴线共面且各传感器在轴向方向上形成高度差，以避免相邻传感器的固定配件发生相互干涉；所述内部液路由多段组成，每段液路由传感段液路和串联段液路构成，所述串联段液路连接相邻两传感器的传感段液路且与这两段传感段液路之间形成的夹角均为钝角；每个所述传感器插入口均与所述液路进口和液路出口的方向垂直。在图2所示的实施例中，串联段液路与相邻传感段液路形成的夹角均为135°；所述传感段液路的长度比所述传感器传感区域的长度长0.5cm。

下面以8通道光纤型表面等离子共振谱仪为例，对该仪器的使用方法进行说明。

1)取8根表面偶联了不同抗体的核心传感器，以用于检测样品的8个不同指标，其待测物浓度-表面等离子吸收峰信号偏移量的计算曲线已知；

2)将上述8根核心传感器通过光纤接头连接在分束光纤的单头末端，而后插入样品池，旋紧密封螺丝，连接好仪器的光路系统以及液路系统和操作系统；

3)向8个串联的样品池通入纯水，通过操作软件，将光谱仪信号采集模式调至“折射率”模式，将多通道光纤转换器调至“自动轮循”模式，此时开始，多通道光纤转换器将光源产生的可见光通过分束光纤依次在1、2、3、4、5、6、7、8号核心传感器之间切换，产生的8种表面等离子共振吸收信号通过光谱仪采集后，在操作系统的显示界面上产生8个谱图，待8个谱图信号稳定后，通过操作系统保存上述8个谱图，分别命名为1-1、2-1、3-1、4-1、5-1、6-1、7-1、8-1；

4)将待测样品依次通过8个串联的样品池，此时，8根核心传感器表面的抗体可以对待测样品的8个相应目标物进行识别和特异性结合，如果待测样品中含有相应目标物，则在软件界面中，谱图的表面等离子共振吸收峰会发生偏移，待8个谱图信号稳定后，通过操作系统将其保存，分别命名为1-2、2-2、3-2、4-2、5-2、6-2、7-2、8-2；

5)分别对比上述步骤5)和步骤4)中的谱图1-1与1-2、2-1与2-2、3-1与3-2、4-1与4-2、5-1与5-2、6-1与6-2、7-1与7-2、8-1与8-2，获得其表面等离子吸收峰信号的偏移量，分别将其代入步骤2)中的1～8号核心传感器待测物浓度-表面等离子吸收峰信号偏移量的计算曲线，即可求得相应待测物的浓度值。

Claims (8)

1.一种多通道光纤型表面等离子共振谱仪，其特征在于：包括光路系统、液路系统和控制系统，

所述光路系统包括：光源、多通道光纤转换器、分束光纤、核心传感器和光谱仪，所述多通道光纤转换器分别与所述光源、光谱仪及多根所述分束光纤连接；每根所述分束光纤分别与一个所述核心传感器连接；每个核心传感器分别插入所述多通道样品池的一个传感器插入口，并与样品池中流过的待测液体接触，获得检测信号；

所述液路系统包括多通道样品池和废液收集器，样品依次流经所述多通道样品池，在所述核心传感器上实现不同组分的检测，最后流入所述废液收集器；

所述控制系统为一计算机，其通过数据传输线控制所述光谱仪和多通道光纤转换器，光源发出的光经所述多通道光纤转换器进行多通道光路之间的切换后经多根所述分束光纤分别进入各核心传感器，在核心传感器处发生表面等离子共振，所获得的反馈信号经分束光纤传回所述多通道光纤转换器，由光谱仪采集信号后传输至所述计算机，由计算机对所采集的信号进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的多通道光纤型表面等离子共振谱仪，其特征在于：所述多通道样品池包括池体、液路进口、内部液路、液路出口和传感器插入口，

所述液路进口和液路出口分别与所述池体内内部液路的两端连通；

所述传感器插入口间隔设置有多个，所述各传感器插入口的位置使得各传感器的轴线共面且各传感器在轴向方向上形成高度差；

所述内部液路由多段组成，每段液路由传感段液路和串联段液路构成，所述串联段液路连接相邻两传感器的传感段液路且与这两段传感段液路之间形成的夹角均为钝角；

每个所述传感器插入口均与所述液路进口和液路出口的方向垂直。

3.根据权利要求2所述的多通道光纤型表面等离子共振谱仪，其特征在于：所述串联段液路与相邻传感段液路形成的夹角均为135°。

4.根据权利要求1所述的多通道光纤型表面等离子共振谱仪，其特征在于：所述多通道样品池由多个单独的样品池串联而成。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的多通道光纤型表面等离子共振谱仪，其特征在于：所述光源采用DH-2000-BAL型氘钨光源。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的多通道光纤型表面等离子共振谱仪，其特征在于：所述多通道光纤转换器的型号为MPM-2000 2x8型。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的多通道光纤型表面等离子共振谱仪，其特征在于：所述分束光纤的型号为SPLIT-400-VIS-NIR型。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的多通道光纤型表面等离子共振谱仪，其特征在于：所述光谱仪的型号为USB2000+,200-850nm型。