CN107703103A - 用于检测折射率的ghSPR传感器及检测方法 - Google Patents

用于检测折射率的ghSPR传感器及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于检测折射率的ghSPR传感器及检测方法，包括激光器、偏振分光棱镜、分光棱镜、斩光器、反射镜、SPR传感棱镜、位移探测器。激光器发出的光垂直入射至偏振分光棱镜后分为p偏振光和s偏振光。p光依次经过斩光器和分光棱镜后到达SPR传感棱镜，s光依次经过反射镜A、斩光器、反射镜B以及分光棱镜后到达SPR传感棱镜。SPR传感棱镜背面用折射率匹配液耦合了一个微流芯片，激光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器。本发明结构简单、稳定性好，具有高灵敏度的特点。

Description

用于检测折射率的ghSPR传感器及检测方法
技术领域
本发明属于SPR光学传感领域，涉及一种基于测量古斯-汉森位移的SPR传感器及检测方法。
背景技术
表面等离子体共振传感器(surfaceplasmonresonancesensor，以下简称SPR传感器)是一种高精度折射率传感器。基于棱镜耦合结构的SPR传感器有两大类：(1)基于光强型SPR传感器：通过检测p偏振光光强的变化作为检测折射率变化的物理量；(2)基于相位型SPR传感器：通过将p偏振光反射前后相位变化量作为SPR传感相位信息，实现对折射率的高精度检测。传统的基于光强型SPR传感器的检测灵敏度较低，而基于相位型SPR传感器的光学检测系统很复杂，不利于产业化的仪器生产。本发明提出了一种基于古斯-汉森位移的SPR传感器(Goos-shift surface plasmon resonance sensor，以下简称ghSPR传感器)，其通过检测古斯-汉森位移(Goos-以下简称GH位移)，具有光学系统简单，同时传感灵敏度高的特点。
利用SPR原理传感时，激发光在SPR传感面上发生能量耦合，倏逝波能量增大，使得反射光p偏振光光强会大幅度减小，而且相位会发生剧烈变化。相位的突变会大幅度增强GH位移。经过增强的GH位移量一般为微米量级，可以利用位移探测器直接进行测量。GH位移量与经过SPR传感面的反射光相位变化直接相关，因此GH位移的检测方式具有很高的传感灵敏度，而且具有较为简单的光学传感系统。
发明内容
1、发明目的。
本发明提出了一种用于检测折射率的ghSPR传感器及检测方法，以提高传感灵敏度。
2、本发明所采用的技术方案。
本发明提出的用于检测折射率的ghSPR传感器，激光器、偏振分光棱镜、斩光器、分光棱镜、SPR传感棱镜、位移探测器；激光器发出的光通过偏振分光棱镜后分为p偏振光和s偏振光；
p偏振光依次经过斩光器和分光棱镜后到达SPR传感棱镜；s偏振光依次经过多级反射镜反射回分光棱镜后到达SPR传感棱镜，其中多级反射镜反射光程中通过斩光器；
斩光器控制p偏振光和s偏振光只有一种偏振光通过，SPR传感棱镜背面用折射率匹配液耦合微流芯片，通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器。
更进一步具体实施方式中，所述的多级反射镜包括反射镜A、反射镜B；s偏振光依次经过反射镜A、斩光器、反射镜B反射回分光棱镜后到达SPR传感棱镜。
更进一步具体实施方式中，s偏振光和p偏振光均垂直入射至偏振分光棱镜、分光棱镜，反射镜A和反射镜B入射光的夹角均为45°。
更进一步具体实施方式中，所述的通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器，两种偏振光经过SPR传感棱镜反射后其相位变化分别可表示为：
其中为s光相位变化，为p光相位变化，θ为偏振光入射至金膜时的入射角，θc为全反射临界角，εd为高折射介质的介电常数，ε0为真空介电常数。
更进一步具体实施方式中，计算系统的GH位移量可具体表示为下式：
其中δ为穿透深度β为传输常数，k0为真空中波矢。
本发明提出的一种用于检测折射率的ghSPR传感器检测方法，按照如下步骤进行：
步骤一搭建传感器光学系统：
激光器发出的光通过偏振分光棱镜后分为p偏振光和s偏振光；p偏振光依次经过斩光器和分光棱镜后到达SPR传感棱镜；s偏振光依次经过多级反射镜反射回分光棱镜后到达SPR传感棱镜，其中多级反射镜反射光程中通过斩光器；
斩光器控制p偏振光和s偏振光只有一种偏振光通过，SPR传感棱镜背面用折射率匹配液耦合微流芯片，通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器。
步骤二调整光路至SPR条件：
用注射器向微流芯片内注射水，旋转斩光器，使得p偏振光能到达SPR传感棱镜。用光强传感器探测SPR传感棱镜反射的光强，慢慢旋转棱镜。当光强传感器检测出的光强为最小时，p光入射至SPR传感棱镜时的入射角满足SPR条件。
步骤三标定传感器：
配制一定浓度梯度的甘油水溶液，分别注入微流芯片。每次实验时，旋转斩光器使得位移传感器可分别测得p光位置以及s光位置，两者距离为此次实验的GH位移量。多次实验，作液体浓度-GH位移图，完成标定。
步骤四实际检测：
注射需检测的液体，旋转斩光器使得位移传感器可分别测得p光位置以及s光位置。计算其GH位移量，将其与标定图进行比对，得出检测液体的浓度。
更进一步具体实施方式中，所述的步骤一中的多级反射镜包括反射镜A、反射镜B；s偏振光依次经过反射镜A、斩光器、反射镜B反射回分光棱镜后到达SPR传感棱镜。
更进一步具体实施方式中，所述的步骤一中的s偏振光和p偏振光均垂直入射至偏振分光棱镜、分光棱镜，反射镜A和反射镜B入射光的夹角均为45°。
3、本发明所产生的技术效果。
(1)本发明的光路结构可以实现双偏振光位移量比对，实现高灵敏度检测。其中斩光器可控制p偏振光和s偏振光在到达斩光器后只有一种光能通过，s偏振光不发生共振，其作为系统的参考光，p偏振光在SPR传感器的金膜表面发生共振，其出射光同入射光相比具有一个GH位移，由位移探测器得到的p偏振光和s偏振光的位移差即可得到GH位移量。
(2)本发明GH位移量同微流装置中流体的折射率呈线性关系，ghSPR传感器对流体折射率变化的响应量只有GH位移量，大大提高了SPR传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明ghSPR传感器的系统图。
附图标记说明：
1-激光器、2-偏振分光棱镜、3-斩光器、4-分光棱镜、5-SPR传感棱镜、6-反射镜A、7-反射镜B、8-位移探测器。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图对本发明做进一步详述：
如图1所示，ghSPR传感系统包括激光器1、偏振分光棱镜2、斩光器3、分光棱镜4、SPR传感棱镜5、反射镜A6、反射镜B7、位移探测器8；激光器1发出的光通过偏振分光棱镜2后分为p偏振光和s偏振光；
p偏振光依次经过斩光器3和分光棱镜4后到达SPR传感棱镜5；s偏振光依次经过反射镜A6、反射镜B7反射回分光棱镜4后到达SPR传感棱镜5，其中多级反射镜反射光程中通过斩光器3；
斩光器3控制p偏振光和s偏振光只有一种偏振光通过，SPR传感棱镜5背面用折射率匹配液耦合微流芯片，通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器8，反射镜A6和反射镜B7入射光的夹角均为45°；因而在位移探测器可分别检测到p偏振光和s偏振光。。
s偏振光和p偏振光均垂直入射至分光棱镜4，通过分光棱镜4沿同一光路进入SPR传感棱镜5。
s偏振光不发生共振，其作为系统的参考光，p偏振光在SPR传感器的金膜表面发生共振，其出射光同入射光相比具有一个GH位移，GH位移量同微流装置中流体的折射率呈线性关系。ghSPR传感器对流体折射率变化的响应量只有GH位移量，大大提高了SPR传感器的灵敏度。
本发明中GH位移的原理如下：
根据麦克斯韦理论，以及菲涅尔定律，激发光以θ角入射至SPR传感棱镜面时，倏逝波沿界面传输的GH位移与反射光相位ΦR的变化有如下关系：
当光经过反射后，s偏振光与p偏振光相位变化不同。本实例所采取的SPR传感棱镜是一个衰减全反射结构，故两种光经过传感面反射后其相位变化分别可表示为：
其中为s光相位变化，为p光相位变化，θ为偏振光入射至金膜时的入射角，θc为全反射临界角，εd为高折射介质的介电常数，ε0为真空介电常数。
SPR现象是由于p偏振光发生全反射，其倏逝波渗透到金属表面引发表面等离子体，并当两者频率相等时发生共振。然而s偏振光无法引发SPR现象，因而在发生SPR现象时，p偏振光的GH位移被大大增强，s偏振光GH位移很小可作为系统的参考光。系统的GH位移量可具体表示为下式：
其中δ为穿透深度β为传输常数，k0为真空中波矢。
根据上述原理，当利用SPR原理传感时，系统GH位移因发生能量耦合而增大。GH位移量与p偏振光自传感面反射出的相位变化有直接关系，因而可通过测量相位型SPR传感系统的GH位移量以实现对折射率的高精度检测。
本实施例中传感棱镜材料为BK7，折射率为1.515。采用的斩光器驱动为ThorlabsMC2000B，斩光片为ThorlabsMC1F2。采用的位移探测器为ThorlabsPDP90A。
本发明陈述了一种ghSPR传感器，基于SPR效应增强GH位移原理，通过在光路中加入斩光器和位移探测器实现对GH位移的测量，提高了SPR传感器的灵敏度，并具有可实时、高精度检测的特点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于检测折射率的ghSPR传感器，其特征在于：激光器(1)、偏振分光棱镜(2)、斩光器(3)、分光棱镜(4)、SPR传感棱镜(5)、反射镜(6、7)、位移探测器(8)；激光器(1)发出的光通过偏振分光棱镜(2)后分为p偏振光和s偏振光；
p偏振光依次经过斩光器(3)和分光棱镜(4)后到达SPR传感棱镜(5)；s偏振光依次经过多级多级反射镜反射回分光棱镜(4)后到达SPR传感棱镜(5)，其中多级反射镜反射光程中通过斩光器(3)；
斩光器(3)控制p偏振光和s偏振光只有一种偏振光通过，SPR传感棱镜(5)背面用折射率匹配液耦合微流芯片，通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器(8)。
2.根据权利要求1所述的用于检测折射率的ghSPR传感器，其特征在于：所述的多级反射镜包括反射镜A(6)、反射镜B(7)；s偏振光依次经过反射镜A(6)、斩光器(3)、反射镜B(7)反射回分光棱镜(4)后到达SPR传感棱镜(5)。
3.根据权利要求3所述的用于检测折射率的ghSPR传感器，其特征在于：s偏振光和p偏振光均垂直入射至偏振分光棱镜(2)、分光棱镜(4)，反射镜A(6)和反射镜B(7)入射光的夹角均为45°。
4.根据权利要求1所述的用于检测折射率的ghSPR传感器，其特征在于：所述的通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器(8)，两种偏振光经过SPR传感棱镜(5)反射后其相位变化分别可表示为：
其中为s光相位变化，为p光相位变化，θ为偏振光入射至金膜时的入射角，θc为全反射临界角，εd为高折射介质的介电常数，ε0为真空介电常数。
5.根据权利要求4所述的用于检测折射率的ghSPR传感器，其特征在于：计算系统的GH位移量可具体表示为下式：
其中δ为穿透深度β为传输常数，k0为真空中波矢。
6.一种使用权利要求1所述的用于检测折射率的ghSPR传感器检测方法，其特征在于按照如下步骤进行：
步骤一设置传感器光学路径：
激光器(1)发出的光通过偏振分光棱镜(2)后分为p偏振光和s偏振光；p偏振光依次经过斩光器(3)和分光棱镜(4)后到达SPR传感棱镜(5)；s偏振光依次经过多级反射镜反射回分光棱镜(4)后到达SPR传感棱镜(5)，其中多级反射镜反射光程中通过斩光器(3)；
斩光器(3)控制p偏振光和s偏振光只有一种偏振光通过，SPR传感棱镜(5)背面用折射率匹配液耦合微流芯片，通过的偏振光在棱镜背面的金膜上反射后到达位移探测器(8)；
步骤二调整光路至SPR条件：
用注射器向微流芯片内注射水，旋转斩光器，使得p偏振光能到达SPR传感棱镜，用光强传感器探测SPR传感棱镜反射的光强，慢慢旋转棱镜，当光强传感器检测出的光强为最小时，p光入射至SPR传感棱镜时的入射角满足SPR条件；
步骤三标定传感器：
配制一定浓度梯度的甘油水溶液，分别注入微流芯片；每次实验时，旋转斩光器使得位移传感器可分别测得p光位置以及s光位置，两者距离为此次实验的GH位移量；多次实验，作液体浓度-GH位移图，完成标定；
步骤四实际检测：
注射需检测的液体，旋转斩光器使得位移传感器可分别测得p光位置以及s光位置，计算其GH位移量，将其与标定图进行比对，得出检测液体的浓度。
7.根据权利要求6所述的用于检测折射率的ghSPR传感器检测方法，其特征在于：所述的步骤一中的多级反射镜包括反射镜A(6)、反射镜B(7)；s偏振光依次经过反射镜A(6)、斩光器(3)、反射镜B(7)反射回分光棱镜(4)后到达SPR传感棱镜(5)。
8.根据权利要求6所述的用于检测折射率的ghSPR传感器检测方法，其特征在于：所述的步骤一中的s偏振光和p偏振光均垂直入射至偏振分光棱镜(2)、分光棱镜(4)，反射镜A(6)和反射镜B(7)入射光的夹角均为45°。
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