CN109163745B - 一种基于spr原理传感多参量的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SPR原理传感多参量的检测方法，包括如下步骤：S1、制备D型光纤；S2、准备不同光学纯度的待测溶液，即将手性药物和蒸馏水按体积比例配合成混合溶液；S3、搭建D型光纤传感器性能测试系统；S4、使用D型光纤传感器性能测试系统对不同光学纯度的待测溶液进行分组测试，并对待测溶液的透射光谱进行读取记录，得到测试数据；S5、利用传播矩阵方法结合遗传算法对测试数据进行反演，得到待测溶液的双各向异性、手征参数和折射率；本发明解决了现有技术中的不足、实验准确性低以及存在局限性的问题。

Description

一种基于SPR原理传感多参量的检测方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种基于SPR原理传感多参量的检测方法。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)作为一种灵敏度极高的免标记、高通量、低耗量、无损检测生物传感技术，可以实时动态地研究各种分子相互作用全过程，检测物质的化学、生物和物理参数，在生命科学领域和药物研究与开发等方面有非常独特的优势。SPR传感器常见的耦合结构包括棱镜、光栅、波导、在线传输型和终端反射型光纤耦合，含在线传输耦合结构的D型光纤已经用于生物折射率、温度和应变等多物理参数的检测。

对映异构体均具有手征旋光性，其中一个是左旋的，另一个是右旋的，不同立体构型的药物分子往往具有不同的生物和生理活性，常常其中的一个异构体是药物的有效成分，而另一个则是低效、无效甚至是对人体有害的。若两种异构体的量刚好相等，则是消旋体无光学活性；如果一个异构体的量超过了另一个，该手性化合物就有可能显示出光学活性，即手征性。此外，对映异构体在各向同性的条件下具有相同的物理性质，而在各向异性的环境中才表现出差异。通过检测生物分子的手征参数，进而测定手性分子各对映异构体的组成(相对含量)，即光学纯度，在药物研发、药理学、农用化学、环境科学和生物学等诸多领域具有重要意义。

现有技术存在以下问题：

(1)对映体的纯度是手性质控的重要指标，常见的测量方法包括色谱法和旋光度法，这些方法存在不足性，色谱法通常需对手性分子衍生化，而衍生基团对手性检测造成的影响难以预测；旋光度法测定的光学纯度影响因素较多，如偏振光波长、溶液的浓度及旋光性杂质，误差较大；

(2)现有技术中当传感器一定，生物分子折射率和手征参数等的改变均能引起表面等离子体各共振峰的偏移，目前绝大部分实验将偏移归因于折射率，忽略了手征参数的影响，导致实验准确性低；

(3)现有技术中计算多层双各向异性手征介质电磁特性的传播矩阵方法大多为近似解，传播矩阵多通过求解本征值本征矢量问题或基于哈密顿-凯莱定理求得，计算双各向异性介质板的传播矩阵方法准确解仅涉及单层，存在局限性。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种实用性高、准确性高的基于SPR原理传感多参量的检测方法，实现双各向异性、手征参数、折射率同时传感，并消除了局限性，解决了现有技术中的不足、实验准确性低以及存在局限性的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于SPR原理传感多参量的检测方法，包括如下步骤：

S1：制备D型光纤；

S2：准备不同光学纯度的待测溶液，即将手性药物和蒸馏水按体积比例配合成混合溶液；

S3：根据制备好的D型光纤，搭建D型光纤传感器性能测试系统；

S4：基于SPR原理，使用D型光纤传感器性能测试系统对不同光学纯度的待测溶液进行分组测试，并利用光谱仪对待测溶液的透射光谱进行读取记录，得到测试数据；

S5：利用传播矩阵方法结合遗传算法对测试数据进行反演，得到待测溶液的双各向异性、手征参数和折射率。

进一步地，步骤S1中，D型光纤的结构依次为包层-硅-氟化镁-银-石墨烯。

进一步地，步骤S2中，通过手性药物化学制备法，获取不同光学纯度的单一对映体药物，即为手性药物。

进一步地，步骤S4中，得到测试数据的方法，包括如下步骤：

S4-1：利用光谱仪对待测溶液的透射光谱进行读取记录，测试生物分子归一化的同极化和交叉极化传输功率，得到其真实测量值；

S4-2：根据光纤归一化的同极化和交叉极化输出功率真实测量值随角度和波长变化的数据，得到对应的谐振峰，即表面等离子体谐振对应的角度和波长；

S4-3：将表面等离子体谐振对应的角度和波长以及随角度和波长变化的归一化的同极化和交叉极化输出功率真实测量值作为测试数据并进行输出。

进一步地，步骤S5中，得到待测溶液的双各向异性、手征参数和折射率的方法，包括如下步骤：

S5-1：使用基于精确解的传播矩阵方法求出发生一次全内反射的同极化和交叉极化功率反射系数，公式为：

式中，为发生一次全内反射的同极化功率反射系数；为发生一次全内反射的交叉极化功率反射系数；R_pp为发生一次全内反射的同极化电场反射系数；R_ps为发生一次全内反射的交叉极化电场反射系数；

S5-2：根据发生一次全内反射的同极化和交叉极化功率反射系数，使用基于精确解的传播矩阵方法，得到发生m次全内反射时，D型光纤归一化的同极化和交叉极化传输功率计算值，公式为：

式中，和为p极化平面波入射时，发生m次全内反射的同极化和交叉极化传输功率计算值；和为s极化平面波入射时，发生m次全内反射的归一化的同极化和交叉极化传输功率计算值；

S5-3：将传播矩阵方法结合遗传算法，得到优化传播矩阵方法；

S5-4：根据测试数据，使用优化传播矩阵方法，定义适应度函数，公式为

式中，fitness为适应度函数；x₁,x₃分别为归一化的同极化和交叉极化测试和计算传输功率差值的实部的绝对值；x₂,x₄分别为归一化的同极化和交叉极化测试和计算传输功率差值的虚部的绝对值；为归一化的同极化和交叉极化输出功率计算值；R_co,R_cross为归一化的同极化和交叉极化输出功率真实测量值；

S5-5：根据适应度函数，通过对双各向异性、手征参数和折射率参数设置相应的取值范围进行搜索，反演得到双各向异性、手征参数和折射率。

进一步地，基于精确解的传播矩阵方法，包括以下公式：

切向电磁场公式为：

式中，E_lx和E_ly为第l个区域介质中电场的x和y分量；H_lx和H_ly为第l个区域介质中磁场的x和y分量；f′_l+和f′_l-表示第l个区域沿+z方向传播的两个本征波的幅度；b′_l+和b′_l-表示第l个区域沿-z方向传播的两个本征波的幅度；i为虚数的单位；E_xyjl,E_zyjl,j＝1,2,3,4分别为传播矩阵方法中计算分层介质目标的第l个区域，电磁场四个本征波中的第j个本征模式的电场x分量和电场y分量的比值以及电场z分量和电场y分量的比值；q_jl,j＝1,2,3,4为第l个区域第j个本征模式对应的波矢量的z分量；k_x表示波矢量的x分量；μ_xl,μ_yl分别为第l个区域介质的磁导系数x和y分量；γ_xl,γ_yl分别为第l个区域介质的手征参数x和y分量；ε₀,μ₀分别为真空介电常数和真空磁导率；c为真空光速；ω为平面波角频率；l为区域指示量；

相邻双各向异性介质中四个本征波的关系公式为：

式中，V_(l+1)l为边界z＝d_l的传播矩阵；d_l为第l个区域介质和第l+1个区域介质在z方向的交界处；f_(l+1)+,f_(l+1)-分别为第l+1个区域沿+z方向传播的两个本征波；b_l+,b_l-分别为第l个区域沿-z方向传播的两个本征波；b_(l+1)+,b_(l+1)-分别为第l+1个区域沿-z方向传播的两个本征波；q_j(l+1),j＝1,2,3,4为第l+1个区域第j个本征模式对应的波矢量的z分量；

传播矩阵的公式为：

式中，V_t0为整个区域的传播矩阵，其中V_t0＝V₁₀·V₂₁·...·V_(l+1)l·...·V_n(n-1)·V_tn，V₁₀为边界z＝d₀的传播矩阵，V₂₁为边界z＝d₁的传播矩阵，V_(l+1)l为边界z＝d_l的传播矩阵，V_n(n-1)为边界z＝d_n-1的传播矩阵，V_tn边界z＝d_n的传播矩阵；A₀、B₀、C₀、D₀、A_t、B_t、C_t、D_t分别为区域0和区域t介质中沿+z和-z方向传播的电磁场分量的系数；v_ab,a＝1,2,3,4,b＝1,2,3,4为整个区域传播矩阵第a行第b列的元素。

本方案的有益效果为：

(1)基于SPR技术对对映异构体的手征参数的检测具有实时无损等特点，避免了由于损耗导致的误差，提高了准确性，弥补了现有测量方法的不足；

(2)本发明建立和完善了表面等离子体共振与手征生物分子手征参数相互作用的理论，避免了由于生物分子折射率和手征参数等的改变引起表面等离子体各共振峰的偏移时，仅考虑折射率，忽视手征参数影响导致的实验准确性低，从而提高了实验准确性；

(3)通过发展的传播矩阵理论并结合遗传算法，实现了结构简单的D型光纤实时、无损地对生物分子双各向异性、手征参数和折射率的同时传感，消除了现有技术的局限性；该方法尤其适用于基于SPR传感和成像、光镊以及纳米机械器件等工程应用领域。

附图说明

图1为基于SPR原理传感多参量的检测方法流程图；

图2为得到测试数据的方法流程图；

图3为得到待测溶液的双各向异性、手征参数和折射率的方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

本发明实施例中，一种基于SPR原理传感多参量的检测方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1：制备D型光纤，D型光纤的结构依次为包层-硅-氟化镁-银-石墨烯，其中：

D型光纤的纤芯由熔融石英(硅)构成，其折射率为：

式中，n_Si(λ)为熔融石英的折射率；a₁、a₂、a₃为Sellmeier系数，且a₁＝0.6961663，a₂＝0.4079426，a₃＝0.8974794；b₁、b₂、b₃为波长系数，且b₁＝0.0684043μm，b₂＝0.1162414μm，b₃＝9.896161μm；λ为工作波长，单位为μm；

氟化镁层的折射率为：

式中，为氟化镁层的折射率；a'₁、a'₂、a'₃为Sellmeier系数，且a'₁＝0.48755108，a'₂＝0.39875031，a'₃＝2.3120353；b'₁、b'₂、b'₃为波长系数，且b'₁＝0.04338408μm，b'₂＝0.09461442μm，b'₃＝23.793604μm；λ为工作波长，单位为μm；

金属银层的相对介电系数为：

ε_m＝1-λ²λ_c/[λ_p(λ_c+iλ)]

式中，ε_m为金属银层的相对介电系数；λ_c、λ_p分别为碰撞波长和等离子体波长；其中λ_p＝17.614μm，λ_c＝0.14541μm；i为虚数单位；λ为工作波长，单位为μm；

石墨烯复数的折射率为：

n_G＝3.0+iC₁λ/3

式中，n_G为石墨烯复数的折射率；C₁＝5.446μm-¹为常数；i为虚数单位；λ为工作波长，单位为μm；

S2：准备不同光学纯度的待测溶液，即将手性药物和蒸馏水按体积比例配合成混合溶液，通过手性药物化学制备法，获取不同光学纯度的单一对映体药物，即为手性药物；

S3：根据制备好的D型光纤，搭建D型光纤传感器性能测试系统；

S4：基于SPR原理，使用D型光纤传感器性能测试系统对不同光学纯度的待测溶液进行分组测试，并利用光谱仪对待测溶液的透射光谱进行读取记录，得到测试数据，如图2所示，包括如下步骤：

S4-1：利用光谱仪对待测溶液的透射光谱进行读取记录，测试生物分子归一化的同极化和交叉极化传输功率，得到其真实测量值；

S4-2：根据光纤归一化的同极化和交叉极化输出功率真实测量值随角度和波长变化的数据，得到对应的谐振峰，即表面等离子体谐振对应的角度和波长；

S4-3：将表面等离子体谐振对应的角度和波长以及随角度和波长变化的归一化的同极化和交叉极化输出功率真实测量值作为测试数据并进行输出；

S5：利用传播矩阵方法结合遗传算法对测试数据进行反演，得到待测溶液的双各向异性、手征参数和折射率，如图3所示，包括如下步骤：

S5-1：使用基于精确解的传播矩阵方法求出发生一次全内反射的同极化和交叉极化功率反射系数，公式为：

式中，为发生一次全内反射的同极化功率反射系数；为发生一次全内反射的交叉极化功率反射系数；R_pp为发生一次全内反射的同极化电场反射系数；R_ps为发生一次全内反射的交叉极化电场反射系数；

S5-2：根据发生一次全内反射的同极化和交叉极化功率反射系数，使用基于精确解的传播矩阵方法，得到发生m次全内反射时，D型光纤归一化的同极化和交叉极化传输功率计算值，公式为：

式中，和为p极化平面波入射时，发生m次全内反射的同极化和交叉极化传输功率计算值；和为s极化平面波入射时，发生m次全内反射的归一化的同极化和交叉极化传输功率计算值；

S5-3：将传播矩阵方法结合遗传算法，得到优化传播矩阵方法；

S5-4：根据测试数据，使用优化传播矩阵方法，定义适应度函数，公式为

式中，fitness为适应度函数；x₁,x₃分别为归一化的同极化和交叉极化测试和计算传输功率差值的实部的绝对值；x₂,x₄分别为归一化的同极化和交叉极化测试和计算传输功率差值的虚部的绝对值；为归一化的同极化和交叉极化输出功率计算值；R_co,R_cross为归一化的同极化和交叉极化输出功率真实测量值；

S5-5：根据适应度函数，通过对双各向异性、手征参数和折射率参数设置相应的取值范围进行搜索，反演得到双各向异性、手征参数和折射率；

手征参数取值范围为[-1,1],折射率取值范围为[-2,2],各向异性参数根据手征药物的复杂性，可以设置主对角线取不同值，非对角线方向取值为零，手征药物对象不同，取值范围也要发生相应的变化。

本实施例中，基于精确解的传播矩阵方法，包括以下公式：

切向电磁场公式为：

式中，E_lx和E_ly为第l个区域介质中电场的x和y分量；H_lx和H_ly为第l个区域介质中磁场的x和y分量；f′_l+和f′_l-表示第l个区域沿+z方向传播的两个本征波的幅度；b′_l+和b′_l-表示第l个区域沿-z方向传播的两个本征波的幅度；i虚数的单位；E_xyjl,E_zyjl,j＝1,2,3,4分别为传播矩阵方法中计算分层介质目标的第l个区域，电磁场四个本征波中的第j个本征模式的电场x分量和电场y分量的比值以及电场z分量和电场y分量的比值；q_jl,j＝1,2,3,4为第l个区域第j个本征模式对应的波矢量的z分量；k_x表示波矢量的x分量；μ_xl,μ_yl分别为第l个区域介质的磁导系数x和y分量；γ_xl,γ_yl分别为第l个区域介质的手征参数x和y分量；ε₀,μ₀分别为真空介电常数和真空磁导率；c为真空光速；ω为平面波角频率；l为区域指示量；

本征波的幅度的计算公式为：

式中，f_l+,f_l-分别为第l个区域沿+z方向传播的两个本征波；b_l+,b_l-分别为第l个区域沿-z方向传播的两个本征波；x,z分别为平面波沿x、z方向传播的距离；

相邻双各向异性介质中四个本征波的关系公式为：

式中，V_(l+1)l为边界z＝d_l的传播矩阵；d_l为第l个区域介质和第l+1个区域介质在z方向的交界处；f_(l+1)+,f_(l+1)-分别为第l+1个区域沿+z方向传播的两个本征波；b_l+,b_l-分别为第l个区域沿-z方向传播的两个本征波；b_(l+1)+,b_(l+1)-分别为第l+1个区域沿-z方向传播的两个本征波；q_j(l+1),j＝1,2,3,4为第l+1个区域第j个本征模式对应的波矢量的z分量；

传播矩阵的公式为：

式中，V_t0为整个区域的传播矩阵，其中V_t0＝V₁₀·V₂₁·...·V_(l+1)l·...·V_n(n-1)·V_tn，V₁₀为边界z＝d₀的传播矩阵，V₂₁为边界z＝d₁的传播矩阵，V_(l+1)l为边界z＝d_l的传播矩阵，V_n(n-1)为边界z＝d_n-1的传播矩阵，V_tn边界z＝d_n的传播矩阵；A₀、B₀、C₀、D₀、A_t、B_t、C_t、D_t分别为区域0和区域t介质中沿+z和-z方向传播的电磁场分量的系数；v_ab,a＝1,2,3,4,b＝1,2,3,4为区域传播矩阵第a行第b列的元素；

边界z＝d_l的传播矩阵的公式为：

式中，V_(l+1)l为边界z＝d_l的传播矩阵；为第l个和第l+1个区域传播矩阵第a行第b列的元素；d_l为第l个区域介质和第l+1个区域介质在z方向的交界处；

第l个区域传播矩阵元素的计算公式为：

边界z＝0的传播矩阵的公式为：

式中，V₁₀为边界z＝d₀的传播矩阵；c₀为平面波入射角的余弦；Y_s为区域0介质的介电系数和磁导系数比值的算术平方根；为第1个区域传播矩阵第a行第b列的元素；

边界z＝d_n的传播矩阵的公式为：

式中，V_tn边界z＝d_n的传播矩阵；为第n个区域传播矩阵第a行第b列的元素；c_t为平面波在区域t介质中折射角的余弦；Y_t为区域t介质的介电系数和磁导系数比值的算术平方根；d_n为第n个区域介质和第t个区域介质在z方向的交界处；q_t表示第t个区域波矢量的z分量；

算术平方根的计算公式为：

式中，Y_s为区域0介质的介电系数和磁导系数比值的算术平方根；Y_t为区域t介质的介电系数和磁导系数比值的算术平方根；ε_s、μ_s分别为区域0介质的介电系数和磁导系数；ε_t、μ_t分别为区域t介质的介电系数和磁导系数。

本发明提供的一种实用性高、准确性高的基于SPR原理传感多参量的检测方法，实现双各向异性、手征参数、折射率同时传感，并消除了局限性，解决了现有技术中的不足、实验准确性低以及存在局限性的问题。

Claims (5)

1.一种基于SPR原理传感多参量的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：制备D型光纤；

S2：准备不同光学纯度的待测溶液，即将手性药物和蒸馏水按体积比例配合成混合溶液；

S3：根据制备好的D型光纤，搭建D型光纤传感器性能测试系统；

S4：基于SPR原理，使用D型光纤传感器性能测试系统对不同光学纯度的待测溶液进行分组测试，并利用光谱仪对待测溶液的透射光谱进行读取记录，得到测试数据；

S5：利用传播矩阵方法结合遗传算法对测试数据进行反演，得到待测溶液的双各向异性、手征参数和折射率；

所述步骤S5中，得到待测溶液的双各向异性、手征参数和折射率的方法，包括如下步骤：

S5-1：使用基于精确解的传播矩阵方法求出发生一次全内反射的同极化和交叉极化功率反射系数，公式为：

式中，为发生一次全内反射的同极化功率反射系数；为发生一次全内反射的交叉极化功率反射系数；R_pp为发生一次全内反射的同极化电场反射系数；R_ps为发生一次全内反射的交叉极化电场反射系数；

S5-2：根据发生一次全内反射的同极化和交叉极化功率反射系数，使用基于精确解的传播矩阵方法，得到发生m次全内反射时，D型光纤归一化的同极化和交叉极化传输功率计算值，公式为：

式中，和为p极化平面波入射时，发生m次全内反射的同极化和交叉极化传输功率计算值；和为s极化平面波入射时，发生m次全内反射的归一化的同极化和交叉极化传输功率计算值；

S5-3：将传播矩阵方法结合遗传算法，得到优化传播矩阵方法；

S5-4：根据测试数据，使用优化传播矩阵方法，定义适应度函数，公式为

式中，fitness为适应度函数；x₁,x₃分别为归一化的同极化和交叉极化测试和计算传输功率差值的实部的绝对值；x₂,x₄分别为归一化的同极化和交叉极化测试和计算传输功率差值的虚部的绝对值；为归一化的同极化和交叉极化输出功率计算值；R_co,R_cross为归一化的同极化和交叉极化输出功率真实测量值；

S5-5：根据适应度函数，通过对双各向异性、手征参数和折射率参数设置相应的取值范围进行搜索，反演得到双各向异性、手征参数和折射率。

2.根据权利要求1所述的基于SPR原理传感多参量的检测方法，其特征在于，所述步骤S1中，D型光纤的结构依次为包层-硅-氟化镁-银-石墨烯。

3.根据权利要求1所述的基于SPR原理传感多参量的检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过手性药物化学制备法，获取不同光学纯度的单一对映体药物，即为手性药物。

4.根据权利要求1所述的基于SPR原理传感多参量的检测方法，其特征在于，所述步骤S4中，得到测试数据的方法，包括如下步骤：

S4-1：利用光谱仪对待测溶液的透射光谱进行读取记录，测试生物分子归一化的同极化和交叉极化传输功率，得到其真实测量值；

S4-2：根据光纤归一化的同极化和交叉极化输出功率真实测量值随角度和波长变化的数据，得到对应的谐振峰，即表面等离子体谐振对应的角度和波长；

S4-3：将表面等离子体谐振对应的角度和波长以及随角度和波长变化的归一化的同极化和交叉极化输出功率真实测量值作为测试数据并进行输出。

5.根据权利要求1所述的基于SPR原理传感多参量的检测方法，其特征在于，所述基于精确解的传播矩阵方法，包括以下公式：

切向电磁场公式为：

式中，E_lx和E_ly为第l个区域介质中电场的x和y分量；H_lx和H_ly为第l个区域介质中磁场的x和y分量；f′_l+和f′_l-表示第l个区域沿+z方向传播的两个本征波的幅度；b′_l+和b′_l-表示第l个区域沿-z方向传播的两个本征波的幅度；i为虚数的单位；E_xyjl,E_zyjl,j＝1,2,3,4分别为传播矩阵方法中计算分层介质目标的第l个区域，电磁场四个本征波中的第j个本征模式的电场x分量和电场y分量的比值以及电场z分量和电场y分量的比值；q_jl,j＝1,2,3,4为第l个区域第j个本征模式对应的波矢量的z分量；k_x表示波矢量的x分量；μ_yl为第l个区域介质的磁导系数y分量；γ_yl为第l个区域介质的手征参数y分量；ε₀,μ₀分别为真空介电常数和真空磁导率；c为真空光速；ω为平面波角频率；l为区域指示量；

相邻双各向异性介质中四个本征波的关系公式为：

式中，V_(l+1)l为边界z＝d_l的传播矩阵；d_l为第l个区域介质和第l+1个区域介质在z方向的交界处；f_(l+1)+,f_(l+1)-分别为第l+1个区域沿+z方向传播的两个本征波；b_l+,b_l-分别为第l个区域沿-z方向传播的两个本征波；b_(l+1)+,b_(l+1)-分别为第l+1个区域沿-z方向传播的两个本征波；q_j(l+1),j＝1,2,3,4为第l+1个区域第j个本征模式对应的波矢量的z分量；

传播矩阵的公式为：

式中，V_t0为整个区域的传播矩阵，其中V_t0＝V₁₀·V₂₁·...·V_(l+1)l·...·V_n(n-1)·V_tn，V₁₀为边界z＝d₀的传播矩阵，V₂₁为边界z＝d₁的传播矩阵，V_(l+1)l为边界z＝d_l的传播矩阵，V_n(n-1)为边界z＝d_n-1的传播矩阵，V_tn边界z＝d_n的传播矩阵；A₀、B₀、C₀、D₀、A_t、B_t、C_t、D_t分别为区域0和区域t介质中沿+z和-z方向传播的电磁场分量的系数；v_ab,a＝1,2,3,4,b＝1,2,3,4为整个区域传播矩阵第a行第b列的元素。