CN110927122B - 一种基于干涉光谱的相位型spr检测装置及方法 - Google Patents
一种基于干涉光谱的相位型spr检测装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110927122B CN110927122B CN201911235449.5A CN201911235449A CN110927122B CN 110927122 B CN110927122 B CN 110927122B CN 201911235449 A CN201911235449 A CN 201911235449A CN 110927122 B CN110927122 B CN 110927122B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- phase
- spr
- light
- wavelength
- interference
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 139
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 63
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 73
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 18
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 18
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 18
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 12
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 10
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims description 7
- 238000009795 derivation Methods 0.000 claims description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 6
- 238000000605 extraction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000012827 research and development Methods 0.000 abstract description 3
- 238000002198 surface plasmon resonance spectroscopy Methods 0.000 description 110
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 42
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 8
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
- G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/255—Details, e.g. use of specially adapted sources, lighting or optical systems
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
- G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
- G01N2021/0106—General arrangement of respective parts
- G01N2021/0112—Apparatus in one mechanical, optical or electronic block
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
- G01N2021/458—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods using interferential sensor, e.g. sensor fibre, possibly on optical waveguide
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
- G01N21/03—Cuvette constructions
- G01N21/05—Flow-through cuvettes
Abstract
本发明提供了一种基于干涉光谱的相位型SPR检测装置及方法，所述装置包括：光源、偏振器、波片、SPR传感模块、光谱仪以及控制终端。本发明利用具有一定厚度的波片对入射光中的P偏振光和S偏振光产生相位延迟，从而发生光谱干涉现象；通过对干涉光谱进行频域‑时域联合算法实时分析SPR共振波长和相位，提高了SPR相位提取准确度；通过获得不同折射率样品的共振波长，通过共振波长获取有效干涉光谱，进而从有效干涉光谱中提取出SPR相位变化，并根据所述SPR相位变化得到待测样品的检测结果，相比于传统相位调制SPR技术，在不需要任何调制器下实现了大动态范围的SPR相位检测，具有抗噪能力强、研发成本低的优势。
Description
技术领域
本发明属于光学传感成像技术领域，尤其涉及的是一种基于干涉光谱的相位型SPR检测装置及方法。
背景技术
表面等离子共振(Surface plasmon resonance,SPR)传感技术具有免标记、实时监测、样品消耗量少、高灵敏度和高通量检测的优点，在环境监测、食品安全、基因组学和蛋白质组学的研究等领域具有广泛的应用。SPR是一种光学现象，在特定条件下的光入射到一些金属表面发生全反射，入射光入射到金属中的倏逝波与金属表面的表面等离子体波发生共振，共振条件与金属膜表面的光学参数有关，通过鉴别不同共振光学参数产生了不同类型的SPR传感器，如强度调制、角度调制、光谱调制和相位调制。
相比于其他调制类型，相位调制SPR传感技术具有最高的灵敏度，通常在10-7到10-9RIU之间，但是相位调制SPR存在固有的动态检测范围小(通常为10-4RIU)和传感膜厚度误差要求高(通常在1～2nm)的缺点，限制了其在实际检测中的应用。为了提高相位型SPR的动态范围，香港中文大学何浩培课题组提出了角度调制和相位调制结合的SPR传感技术，通过相位调制器对不同角度的入射光进行相位调制，再通过算法提取不同角度下的SPR相位变化，扩大动态范围，实验结果显示该技术动态范围达到了0.06RIU，灵敏度为2.2×10-7RIU。目前，对于大多数相位调制SPR技术，均需要引入调制器对入射光或者反射光进行调制或者解调，例如：压电陶瓷(PZT)、液晶调制器(LC)、液晶相位延迟器(LCVR)等，这不但导致了SPR传感器结构复杂，还增加了仪器的成本。
因此，现有技术有待于进一步的改进。
发明内容
鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于干涉光谱的相位型SPR检测装置及方法，克服现有相位调制SPR装置动态检测范围小，需要引入调制器对入射光或者反射光进行调制或者解调，导致装置结构复杂，成本高的缺陷。
本发明所公开的第一实施例为一种基于干涉光谱的相位型SPR检测装置，其中，包括：
光源，用于发射宽带光；
偏振器，用于接收所述宽带光并对所述宽带光进行偏振，以获得偏振光；
波片，用于接收所述偏振光并对所述偏振光中的P偏振光和S偏振光引入附加相位差，以获得偏振干涉光；
SPR传感模块，用于放置待测样品，并与所述偏振干涉光产生等离子体共振，得到相位改变的偏振干涉光并对相位改变的所述偏振干涉光进行反射；
光谱仪，用于收集相位改变的所述偏振干涉光，得到干涉光谱；
控制终端，用于从所述干涉光谱中提取出SPR相位变化，并根据所述SPR相位变化得到待测样品的检测结果。
所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测装置，其中，所述SPR传感模块包括：棱镜、传感芯片和流通池；
所述棱镜用于接收所述偏振干涉光，并使所述偏振干涉光在所述棱镜界面发生全内反射；
所述传感芯片用于与所述偏振干涉光产生等离子体共振，得到相位改变的偏振干涉光；
所述流通池用于放置待测样品并使所述待测样品通过所述传感芯片表面。
所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测装置，其中，所述光源与所述偏振器之间还设置有准直透镜组、耦合光纤以及第一透镜；
所述准直透镜组用于对光源发射的宽带光进行准直后聚焦；
所述耦合光纤位于所述准直透镜组与所述偏振器之间，用于对准直聚焦后的所述宽带光进行耦合；
所述第一透镜位于所述耦合光纤与所述偏振器之间，用于对所述耦合光纤耦合后的所述宽带光进行准直。
所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测装置，其中，所述偏振器产生的偏振光的偏振方向与所述波片的光轴方向成45°。
所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测装置，其中，所述SPR传感模块与所述光谱仪之间还设置有检偏器；所述检偏器的偏振方向与所述偏振器的偏振方向垂直；所述检偏器用于接收所述SPR传感模块反射的相位改变的所述偏振干涉光，以消除相位改变的所述偏振干涉光中的杂散光。
本发明所公开的第二实施例为一种基于干涉光谱的相位型SPR检测方法，其中，包括：
对光源发射的宽带光进行偏振，获得偏振光；
对所述偏振光中的P偏振光和S偏振光引入附加相位差，获得偏振干涉光；
使所述偏振干涉光与放置待测样品的SPR传感模块产生等离子体共振，得到相位改变的偏振干涉光；
收集相位改变的所述偏振干涉光，得到干涉光谱；
从所述干涉光谱中提取出SPR相位变化，并根据所述SPR相位变化得到待测样品的检测结果。
所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测方法，其中，所述从所述干涉光谱中提取出SPR相位变化的步骤包括：
对所述干涉光谱进行窗口傅立叶变换，获得不同折射率样品对应的共振波长；
根据所述共振波长确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱；
从所述有效干涉光谱中提取出不同折射率样品对应的SPR相位变化。
所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测方法，其中，所述对所述干涉光谱进行窗口傅立叶变换，获得不同折射率样品对应的共振波长的步骤包括：
对所述干涉光谱进行窗口傅立叶变换，获得波长-相位变化曲线；
对所述波长-相位变化曲线进行求导，获得波长-相位变化率曲线；
根据所述波长-相位变化率曲线获得不同折射率样品对应的共振波长。
所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测方法，其中，所述根据所述共振波长确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱步骤包括：
对已知的不同折射率的样品进行SPR相位和波长检测，获取相位变化的线性区对应的波长变化值；
根据所述共振波长和所述波长变化值确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱。
所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测方法，其中，所述从所述有效干涉光谱中提取出不同折射率样品对应的SPR相位变化的步骤具体包括：
生成不同相位、不同周期的参考信号，将所述不同相位、不同周期的参考信号依次与所述有效干涉光谱进行互相关运算，获得相关系数的二维数组；
根据所述相关系数的二维数组获取不同折射率样品对应的SPR相位变化。
有益效果，本发明提供了一种基于干涉光谱的相位型SPR检测装置及方法，利用具有一定厚度的波片对入射光中的P偏振光和S偏振光产生相位延迟，从而发生光谱干涉现象；通过对干涉光谱进行频域-时域联合算法实时分析SPR共振波长和相位，提高了SPR相位提取准确度；通过获得不同折射率样品的共振波长，通过共振波长获取有效干涉光谱，进而从有效干涉光谱中提取出SPR相位变化，并根据所述SPR相位变化得到待测样品的检测结果，相比于传统相位调制SPR技术，有效增大了检测动态范围，而且不需要任何调制器，具有抗噪能力强、研发成本低的优势。
附图说明
图1是本发明所提供的基于干涉光谱的相位型SPR检测装置的结构示意图；
图2是本发明所提供的基于干涉光谱的相位型SPR检测装置中的频谱仪记录的干涉光谱图；
图3是本发明中对干涉光谱基于窗口傅立叶变换获得的干涉光谱对应的相位变化率-波长曲线图；
图4是本发明所提供的基于干涉光谱的相位型SPR检测方法的较佳实施例流程图；
图5是本发明中根据共振波长和波长变化值确定的不同折射率样品对应的有效干涉光谱图；
图6是不同周期下现有的NCC算法与本发明提供的IPSCC算法计算得到的相位误差对比图；
图7是本发明中的参考信号与有效干涉光谱进行互相关运算得到的相关系数随相位、周期变化的3D图；
图8是根据本发明所提供的基于干涉光谱的相位型SPR检测方法得到的不同折射率样品对应的相位随折射率变化曲线图；
图9是根据本发明所提供的基于干涉光谱的相位型SPR检测方法得到的不同折射率样品对应的相位变化线性区叠加曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
现有的相位调制SPR装置动态范围小，且需要引入调制器对入射光或者反射光进行调制或者解调，例如：压电陶瓷(PZT)、液晶调制器(LC)、液晶相位延迟器(LCVR)等，这不但导致了SPR传感器结构复杂，还增加了仪器的成本。为了解决上述问题，本发明提供了一种基于干涉光谱的相位型SPR检测装置，如图1所示。本发明的装置包括：用于发射宽带光的光源11；用于接收所述宽带光并对所述宽带光进行偏振，以获得偏振光的偏振器15；用于接收所述偏振光并对所述偏振光中的P偏振光和S偏振光引入附加相位差，以获得偏振干涉光的波片16；用于放置待测样品，并与所述偏振干涉光产生等离子体共振，得到相位改变的偏振干涉光并对相位改变的所述偏振干涉光进行反射的SPR传感模块17；用于收集相位改变的所述偏振干涉光，得到干涉光谱的光谱仪20，以及用于从所述干涉光谱中提取出SPR相位变化，并根据所述SPR相位变化得到待测样品的检测结果的控制终端(图中未示出)。具体SPR检测过程中，通过偏振器15对光源产生的宽带光进行偏振得到偏振光，经过波片16对偏振光中的P偏振光和S偏振光引入附加相位差，得到偏振干涉光；所述偏振干涉光通过放置有待测样品的SPR传感模型17反射后获得相位改变的偏振干涉光并通过光谱仪20获得干涉光谱，根据所述干涉光谱获得不同折射率样品对应的SPR相位变化，从而对待测样品进行检测，整个SPR检测装置无需使用调制器对光束进行调制。
所述SPR传感模块17包括：棱镜171、传感芯片172和流通池173。所述棱镜171用于接收波片16产生的偏振干涉光，并使所述偏振干涉光在所述棱镜171界面发生全内反射；所述传感芯片172用于与所述偏振干涉光产生等离子体共振，得到相位改变的偏振干涉光；所述流通池173用于放置待测样品并使所述待测样品通过所述传感芯片172表面。在实际应用中，通常使用化学性质稳定的金膜以及固定在金膜表面的探针分子构成传感芯片172，通过金膜与偏振干涉光产生等离子体共振，通过金膜上的探针分子与待测样品结合引起金膜表面的折射率发生变化，从而使反射的偏振干涉光的相位发生变化以对待测样品进行SPR检测。但光直接从空气中照射到金膜表面无法激发表面等离子波，而利用光在玻璃界面发生全内反射时的隐失波，就可以激发金膜表面的自由电子产生表面等离子波。当需要通过SPR检测装置测量待测样品分子之间相互作用时，使待测样品由流通池173的一端流入，经过传感芯片172后由流通池173的另一端流出(如图1箭头所示)，待测样品与传感芯片172上的探针分子结合，使得传感芯片172上的金膜表面的折射率发生变化，进而引起棱镜171反射的偏振干涉光的相位发生变化，因而通过对棱镜171反射的偏振干涉光的相位进行分析就能对待测样品进行准确检测。
在一具体实施方式中，所述偏振器15产生的偏振光的偏振方向与所述波片16的光轴方向成45°，以使得P偏振光和S偏振光入射的强度相等，保证良好的正弦干涉光谱信号。由于需要对SPR传感模块17反射的干涉光谱进行分析获得SPR相位变化，因而光源11发射的光谱为连续的宽带光，所述光源11可以为卤素灯、白光激光器等相关光源等，但是白光激光器等相干光源会由于散斑现象引起检测噪声，影响系统灵敏度。在一具体实施例中，所述光源11为卤素灯。
在一具体实施方式中，所述光源11与所述偏振器15之间还设置有准直透镜组12、耦合光纤13以及第一透镜14。所述准直透镜组12用于对所述光源11发射的宽带光进行准直后聚焦，其包括第一透镜121和第二透镜122。所述准直透镜组12与所述偏振器15之间还设置有耦合光纤13，所述耦合光纤13用于对准直聚焦后的宽带光进行耦合。所述耦合光纤13与所述偏振器15之间还设置有第一透镜14，所述耦合光纤13出射端位于所述第一透镜14的焦面上，所述第一透镜14用于对所述耦合光纤13耦合后的宽带光进行收集、准直。具体SPR检测过程中，光源11发射的宽带光经过准直透镜组12进行准直聚焦到耦合光纤13中进行耦合后，经过第一透镜14收集、准直后，再照射到偏振器15上进行偏振。
在一具体实施方式中，所述SPR传感模块17与所述光谱仪20之间还设置有检偏器18。所述检偏器18的偏振方向与所述偏振器15的偏振方向垂直，所述检偏器18用于接收所述SPR传感模块17反射的相位改变的偏振干涉光，以消除所述偏振干涉光中的杂散光，提高信噪比。所述检偏器18和所述光谱仪20之间还设置有第二透镜19，所述第二透镜19用于收集检偏器18检偏后的偏振干涉光。
在一具体实施方式中，第二透镜19收集的偏振干涉光进入光谱仪20，由光谱仪20记录SPR偏振干涉光谱信号，获得的干涉光谱图如图2所示。通过对获得的干涉光谱进行窗口傅立叶变换分析，获得不同折射率样品对应的共振波长如图3所示，再根据所述共振波长确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱，利用循环迭代参数扫描相关运算(IPSCC算法)从所述有效干涉光谱中提取出不同折射率样品对应的SPR相位变化，针对不同折射率样品能够灵活获取共振波长，利用共振波长得到不同折射率样品对应的有效干涉光谱，相较于传统SPR技术，能够在不需外部调制器下有效地增大检测动态范围。
在一具体实施方式中，本发明还提供一种上述所述基于干涉光谱的相位型SPR检测装置相对应的基于干涉光谱的相位型SPR检测方法，如图4所示，所述方法包括如下步骤：
S1、对光源发射的宽带光进行偏振，获得偏振光；
S2、对所述偏振光中的P偏振光和S偏振光引入附加相位差，获得偏振干涉光；
S3、使所述偏振干涉光与放置待测样品的SPR传感模块产生等离子体共振，得到相位改变的偏振干涉光；
S4、收集相位改变的所述偏振干涉光，得到干涉光谱；
S5、从所述干涉光谱中提取出SPR相位变化，并根据所述SPR相位变化得到待测样品的检测结果。
在一具体实施方式中，为了对待测样品进行SPR检测，通过光源发射光谱连续的宽带光后，对所述宽带光进行偏振，获得偏振光；对所述偏振光中的P偏振光和S偏振光引入附加相位差，获得偏振干涉光；然后使偏振干涉光与放置有待测样品的SPR传感模块产生等离子体共振，具体是与SPR传感模块中的传感芯片产生等离子体共振，而待测样品与传感芯片的接触会引起传感芯片表面折射率变化，进而引起SPR传感模块反射的偏振干涉光的相位变化，从而得到相位改变的偏振干涉光；通过收集SPR传感模块反射的相位改变的偏振干涉光，得到干涉光谱。从所述干涉光谱中提取出由于待测样品与传感芯片结合引起的偏振干涉光谱的SPR相位变化，就能对待测样品进行准确测量，且由于可以针对不同折射率样品获取其SPR相位变化，能够在不需外部调制器下实现大动态范围的SPR相位检测。
在一具体实施方式中，步骤S5具体包括：
S51、对所述干涉光谱进行窗口傅立叶变换，获得不同折射率样品对应的共振波长；
S52、根据所述共振波长确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱；
S53、从所述有效干涉光谱中提取出不同折射率样品对应的SPR相位变化。
在一具体实施方式中，获得干涉光谱后，对所述干涉光谱进行窗口傅立叶变换分析，获得不同折射率样品的共振波长；然后根据不同折射率样品的共振波长确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱，从所述有效干涉光谱中提取出不同折射率样品对应的SPR相位变化。具体应用过程中，待测样品与传感芯片结合会引起传感芯片表面折射率的变化，而不同表面折射率的传感芯片对应不同的共振波长，从所述共振波长中提取出不同折射率样品对应的有效干涉光谱，并利用相关算法从所述有效干涉光谱中提取出不同折射率样品对应的SPR相位变化，从而对待测样品进行检测。
在一具体实施方式中，所述步骤S51具体包括：
S511、对所述干涉光谱进行窗口傅立叶变换，获得波长-相位变化曲线；
S512、对所述波长-相位变化曲线进行求导，获得波长-相位变化率曲线；
S513、根据所述波长-相位变化率曲线获得不同折射率样品对应的共振波长。
在一具体实施方式中，获得干涉光谱后首先对其进行窗口傅立叶变换，获得波长-相位变化曲线；然后对获得的所述波长-相位变化曲线进行求导，获得波长-相位变化率曲线，从所述波长-相位变化率曲线中获取相位变化率最大时对应的波长即为不同折射率样品对应的共振波长，如图3所示为折射率为n0和n1的样品对应的波长-相位变化率曲线，从图3可以得到折射率为n0的样品对应的共振波长为λ0,折射率为n1的样品对应的共振波长为λ1。
在一具体实施方式中，所述步骤S52具体包括：
S521、对已知的不同折射率的样品进行SPR相位和波长检测，获取相位变化的线性区对应的波长变化值；
S522、根据所述共振波长和所述波长变化值确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱。
在一具体实施方式中，为了获得不同折射率样品对应的有效干涉光谱，需要预先针对已知的不同折射率的样品进行SPR相位和波长检测，获取相位变化的线性区对应的波长变化值。具体实验过程中可以通过已知的不同折射率的样品例如不同浓度的盐水，依次对不同折射率的样品进行SPR相位检测和SPR波长检测。获取已知的不同折射率样品引起的SPR相位变化和SPR波长变化，绘制折射率-波长曲线和折射率相位曲线，读取相位线性区对应的SPR波长范围，即是相位变化的线性区对应的波长变化值。
在一具体实施方式中，假设实验标定出的相位变化的线性区对应的波长变化值为Δλ，前述步骤中获取到的不同折射率样品对应的共振波长为λi,则根据所述波长变化值Δλ和不同折射率样品对应的共振波长λi确定有效干涉光谱的波长范围，根据确定的有效干涉光谱的波长范围即可确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱。具体有效干涉光谱的波长范围为
当样品折射率发生变化时，干涉光谱也会对应移动，且所述样品的共振波长始终位于
范围内，当样品的共振波长超出
范围内时，则需要选取新的有效干涉光谱范围，如
折射率为n0和n1的样品对应的有效干涉光谱如图5所示。
在一具体实施方式中，所述步骤S53具体包括：
S531、生成不同相位、不同周期的参考信号，将所述不同相位、不同周期的参考信号依次与所述有效干涉光谱进行互相关运算，获得相关系数的二维数组；
S532、根据所述相关系数的二维数组获取不同折射率样品对应的SPR相位变化。
在一具体实施方式中，现有的相关算法如NCC算法能够获得正弦信号的相位信息，但是实际测试时，实际信号的周期往往不能和参考信号一致，传统的相关算法由于参考信号周期固定，易受到周期的影响，如图6所示，现有的NCC算法由于周期不同所引起的计算误差较大，且实际信号与周期信号的周期相差越大，引起的相位计算误差越大。本发明中提出一种参数扫描相关算法(IPSCC算法)，用于提取有效干涉光谱的SPR相位。具体过程为生成不同相位、不同周期的参考信号：
N,M＝0,1,2,3....，Δn为波片快慢轴的折射率差，d为波片厚度，φ为SPR相位，λ0为初始共振波长，
为初始相位。然后依次改变参考信号的相位、周期，并将这些参考信号依次与实际信号即有效干涉光谱进行互相关运算，得到相关系数的二维数组；相关系数的二维数组中相关系数最大的参考信号对应的相位即为有效干涉光谱对应的相位，进而根据有效干涉光谱对应的相位获得不同折射率样品对应的SPR相位变化。具体实施过程中，参考信号由软件模块自动生成，参考信号的相位随N值变化，周期随M值变化，依次改变参考信号的相位、周期的步骤为N改变一个值，M扫描一个周期，即M从0逐渐变化到±0.5λ0/Δλ，或者M每改变一个值，N扫描一个周期，即N逐步从0变化
以周期为1T，SPR相位为180度的实际测量信号为例，相关系数随相位、周期变化的3D图如图7所示，相关系数最大(|R|＝1)时对应的实际信号的周期、相位分别为1T，180度。
在一具体实施方式中，如图8和图9所示，假设样品折射率从n0变化为n1，光谱仪分别获取折射率n0和折射率n1对应的SPR干涉光谱，根据干涉光谱获取折射率n0和折射率n1对应共振波长λ0和λ1，根据λ0和λ1确定其对应的有效干涉光谱，进而通过参数扫描相关算法得到其对应的相位，根据折射率n0和折射率n1对应的相位获得其相位变化
同理，可以得到折射率从n1变到n2对应的相位变化
折射率从n2变到n3对应的相位变化
以及从ni变到ni+1对应的相位变化
则总的相位变化为
公式中第一项为基于共振波长变化的低精度测量项，第二项为高精度的相位测量项。
综上所述，本发明提供了一种基于干涉光谱的相位型SPR检测装置及方法，所述装置包括：光源；对光源发射的宽带光进行偏振，以获得偏振光的偏振器；用于对所述偏振光中的P偏振光和S偏振光引入附加相位差，以获得偏振干涉光的波片；用于放置待测样品，并与偏振干涉光产生等离子体共振，得到相位改变的偏振干涉光并对其进行反射的SPR传感模块；用于收集相位改变的偏振干涉光，得到干涉光谱的光谱仪；用于从干涉光谱中提取出SPR相位变化，并根据所述SPR相位变化得到待测样品的检测结果的控制终端。本发明利用具有一定厚度的波片对入射光的P偏振光和S偏振光产生相位延迟，从而发生光谱干涉现象；通过对干涉光谱进行频域-时域联合算法实时分析SPR共振波长和相位，提高了SPR相位提取准确度；通过获得不同折射率样品的共振波长，通过共振波长获取有效干涉光谱，进而从有效干涉光谱中提取出SPR相位，并根据所述SPR相位变化得到待测样品的检测结果，相比于传统相位调制SPR技术，在不需要任何调制器下实现了大动态范围的SPR相位检测，具有抗噪能力强、研发成本低的优势。
应当理解的是，本发明的系统应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于干涉光谱的相位型SPR检测装置，其特征在于，包括：
光源，用于发射宽带光；
偏振器，用于接收所述宽带光并对所述宽带光进行偏振，以获得偏振光；
波片，用于接收所述偏振光并对所述偏振光中的P偏振光和S偏振光引入附加相位差，以获得偏振干涉光；
SPR传感模块，用于放置待测样品，并与所述偏振干涉光产生等离子体共振，得到相位改变的偏振干涉光并对相位改变的所述偏振干涉光进行反射；
光谱仪，用于收集相位改变的所述偏振干涉光，得到干涉光谱；
控制终端，用于从所述干涉光谱中提取出SPR相位变化，并根据所述SPR相位变化得到待测样品的检测结果；
所述从所述干涉光谱中提取出SPR相位变化，包括：
对所述干涉光谱进行窗口傅立叶变换，获得不同折射率样品对应的共振波长λi；
根据所述共振波长λi确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱；
从所述有效干涉光谱中提取出不同折射率样品对应的SPR相位变化；
根据所述共振波长确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱，包括：
获取已知的不同折射率样品引起的SPR相位变化和SPR波长变化，绘制折射率-相位曲线和折射率-波长曲线，读取相位线性区对应的SPR波长范围，即为相位变化的线性区对应的波长变化值Δλ；
根据所述波长变化值Δλ和不同折射率样品对应的共振波长λi确定有效干涉光谱的波长范围，根据确定的有效干涉光谱的波长范围即可确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱；具体有效干涉光谱的波长范围为
，当样品折射率发生变化时，干涉光谱也会对应移动，且所述样品的共振波长始终位于
范围内，当样品的共振波长超出
范围时，则需要选取新的有效干涉光谱的波长范围，新的有效干涉光谱的波长范围为
，其中，λi+1为超出
范围的新的共振波长；
所述从所述有效干涉光谱中提取出不同折射率样品对应的SPR相位变化，包括：
生成不同相位、不同周期的参考信号，将所述不同相位、不同周期的参考信号依次与所述有效干涉光谱进行互相关运算，获得相关系数的二维数组；相关系数的二维数组中相关系数最大的参考信号对应的相位即为有效干涉光谱对应的相位，进而根据有效干涉光谱对应的相位获得不同折射率样品对应的SPR相位变化；
所述生成不同相位、不同周期的参考信号，包括：
通过参数扫描相关算法，依次改变参考信号的相位、周期，生成不同相位、不同周期的参考信号：
参考信号的相位随N值变化，周期随M值变化，其中，N,M＝0,1,2,3…，Δn为波片快慢轴的折射率差，d为波片厚度，φ为SPR相位，λ0为初始共振波长，φ0为初始相位。
2.根据权利要求1所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测装置，其特征在于，所述SPR传感模块包括：棱镜、传感芯片和流通池；
所述棱镜用于接收所述偏振干涉光，并使所述偏振干涉光在所述棱镜界面发生全内反射；
所述传感芯片用于与所述偏振干涉光产生等离子体共振，得到相位改变的偏振干涉光；
所述流通池用于放置待测样品并使所述待测样品通过所述传感芯片表面。
3.根据权利要求1所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测装置，其特征在于，所述光源与所述偏振器之间还设置有准直透镜组、耦合光纤以及第一透镜；
所述准直透镜组用于对光源发射的宽带光进行准直后聚焦；
所述耦合光纤位于所述准直透镜组与所述第一透镜之间，用于对准直聚焦后的所述宽带光进行耦合；
所述第一透镜位于所述耦合光纤与所述偏振器之间，用于对所述耦合光纤耦合后的所述宽带光进行准直。
4.根据权利要求1所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测装置，其特征在于，所述偏振器产生的偏振光的偏振方向与所述波片的光轴方向成45°。
5.根据权利要求1所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测装置，其特征在于，所述SPR传感模块与所述光谱仪之间还设置有检偏器；所述检偏器的偏振方向与所述偏振器的偏振方向垂直；所述检偏器用于接收所述SPR传感模块反射的相位改变的所述偏振干涉光，以消除相位改变的所述偏振干涉光中的杂散光。
6.一种采用权利要求1-5任一项所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测装置进行SPR检测的方法，其特征在于，包括：
对光源发射的宽带光进行偏振，获得偏振光；
对所述偏振光中的P偏振光和S偏振光引入附加相位差，获得偏振干涉光；
使所述偏振干涉光与放置待测样品的SPR传感模块产生等离子体共振，得到相位改变的偏振干涉光；
收集相位改变的所述偏振干涉光，得到干涉光谱；
从所述干涉光谱中提取出SPR相位变化，并根据所述SPR相位变化得到待测样品的检测结果；
所述从所述干涉光谱中提取出SPR相位变化，包括：
对所述干涉光谱进行窗口傅立叶变换，获得不同折射率样品对应的共振波长λi；
根据所述共振波长λi确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱；
从所述有效干涉光谱中提取出不同折射率样品对应的SPR相位变化；
根据所述共振波长确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱，包括：
获取已知的不同折射率样品引起的SPR相位变化和SPR波长变化，绘制折射率-相位曲线和折射率-波长曲线，读取相位线性区对应的SPR波长范围，即为相位变化的线性区对应的波长变化值Δλ；
根据所述波长变化值Δλ和不同折射率样品对应的共振波长λi确定有效干涉光谱的波长范围，根据确定的有效干涉光谱的波长范围即可确定不同折射率样品对应的有效干涉光谱；具体有效干涉光谱的波长范围为
，当样品折射率发生变化时，干涉光谱也会对应移动，且所述样品的共振波长始终位于
范围内，当样品的共振波长超出
范围时，则需要选取新的有效干涉光谱的波长范围，新的有效干涉光谱的波长范围为
，其中，λi+1为超出
范围的新的共振波长；
所述从所述有效干涉光谱中提取出不同折射率样品对应的SPR相位变化，包括：
生成不同相位、不同周期的参考信号，将所述不同相位、不同周期的参考信号依次与所述有效干涉光谱进行互相关运算，获得相关系数的二维数组；
相关系数的二维数组中相关系数最大的参考信号对应的相位即为有效干涉光谱对应的相位，进而根据有效干涉光谱对应的相位获得不同折射率样品对应的SPR相位变化；
所述生成不同相位、不同周期的参考信号，包括：
通过参数扫描相关算法，依次改变参考信号的相位、周期，生成不同相位、不同周期的参考信号：
参考信号的相位随N值变化，周期随M值变化，其中，N,M＝0,1,2,3…，Δn为波片快慢轴的折射率差，d为波片厚度，φ为SPR相位，λ0为初始共振波长，φ0为初始相位。
7.根据权利要求6所述的基于干涉光谱的相位型SPR检测装置进行SPR检测的方法，其特征在于，所述对所述干涉光谱进行窗口傅立叶变换，获得不同折射率样品对应的共振波长λi的步骤包括：
对所述干涉光谱进行窗口傅立叶变换，获得波长-相位变化曲线；
对所述波长-相位变化曲线进行求导，获得波长-相位变化率曲线；
根据所述波长-相位变化率曲线获得不同折射率样品对应的共振波长λi。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911235449.5A CN110927122B (zh) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | 一种基于干涉光谱的相位型spr检测装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911235449.5A CN110927122B (zh) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | 一种基于干涉光谱的相位型spr检测装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110927122A CN110927122A (zh) | 2020-03-27 |
| CN110927122B true CN110927122B (zh) | 2022-07-05 |
Family
ID=69857158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911235449.5A Active CN110927122B (zh) | 2019-12-05 | 2019-12-05 | 一种基于干涉光谱的相位型spr检测装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110927122B (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112525862B (zh) * | 2020-11-20 | 2022-06-10 | 中国科学院空天信息创新研究院 | 表面电磁模式共振高光谱成像传感器的共振波长确定方法 |
| CN115406366B (zh) * | 2022-08-29 | 2023-04-28 | 重庆市计量质量检测研究院 | 基于原位共角spr测量单层薄膜参数的isoa方法 |
| CN116026760B (zh) * | 2022-11-23 | 2023-10-31 | 广东工业大学 | 一种波长型spr传感系统及方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101398378A (zh) * | 2008-01-28 | 2009-04-01 | 国家纳米科学中心 | 一种表面等离子共振的相位测量方法及其测量系统 |
| CN103389284A (zh) * | 2012-05-09 | 2013-11-13 | 深圳大学 | 表面等离子体共振系统和其检测方法 |
| CN105486665A (zh) * | 2016-01-26 | 2016-04-13 | 深圳大学 | 一种spr检测系统及方法 |
-
2019
- 2019-12-05 CN CN201911235449.5A patent/CN110927122B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101398378A (zh) * | 2008-01-28 | 2009-04-01 | 国家纳米科学中心 | 一种表面等离子共振的相位测量方法及其测量系统 |
| CN103389284A (zh) * | 2012-05-09 | 2013-11-13 | 深圳大学 | 表面等离子体共振系统和其检测方法 |
| CN105486665A (zh) * | 2016-01-26 | 2016-04-13 | 深圳大学 | 一种spr检测系统及方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| PETR HLUBINA et al..Phase sensitive measurement of the wavelength dependence of the complex permittivity of a thin gold film using surface plasmon resonance.《OPTICAL MATERIALS EXPRESS》.2019,第9卷(第3期), * |
| Phase sensitive measurement of the wavelength dependence of the complex permittivity of a thin gold film using surface plasmon resonance;PETR HLUBINA et al.;《OPTICAL MATERIALS EXPRESS》;20190301;第9卷(第3期);第992-1000页，图1-7 * |
| Wavelength-multiplexing phase-sensitive surface plasmon imaging sensor;Yonghong Shao et al.;《OPTICS LETTERS》;20130501;第38卷(第9期);第1370-1372页，图1-4 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110927122A (zh) | 2020-03-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110927121B (zh) | 一种基于白光干涉光谱的相位型spr检测装置及方法 | |
| CN110927122B (zh) | 一种基于干涉光谱的相位型spr检测装置及方法 | |
| US7407817B2 (en) | Surface plasmon resonance sensors and method for detecting samples using the same | |
| US20110216320A1 (en) | Multi-channel surface plasmon resonance sensor using beam profile ellipsometry | |
| CN107941710A (zh) | 基于量子弱测量的表面等离子体共振传感器及金属表面介质折射率测量方法 | |
| CN107504907A (zh) | 超薄薄膜厚度和光学常数的测量装置和测量方法 | |
| EP1593955A2 (en) | Wavelength-tuned intensity measurement with a surface plasmon resonance sensor | |
| US7239395B2 (en) | Optical interrogation systems with reduced parasitic reflections and a method for filtering parasitic reflections | |
| CN109297934A (zh) | 一种测量Fano共振传感器检测极限的装置及方法 | |
| CN107764776B (zh) | 多波长可调式表面等离子体共振成像装置及其应用 | |
| US8169617B2 (en) | Method and apparatus for phase sensitive surface plasmon resonance | |
| CN107219191B (zh) | 一种基于傅里叶变换的斜入射光反射差装置 | |
| KR101987402B1 (ko) | 편광픽셀어레이를 이용한 박막과 후막의 두께 및 삼차원 표면 형상 측정 광학 장치 | |
| US5502560A (en) | Analytical sensor using grating light reflection spectroscopy | |
| JP4119411B2 (ja) | 光熱変換測定装置及びその方法 | |
| CN209400421U (zh) | 一种测量Fano共振传感器检测极限的装置 | |
| Niskanen et al. | A multifunction spectrophotometer for measurement of optical properties of transparent and turbid liquids | |
| CN116642412A (zh) | 一种薄膜厚度光学测量方法和装置 | |
| CN105784594A (zh) | 一种基于双频激光外差干涉的光纤spr传感测量光路 | |
| JP3131242B2 (ja) | 光ビーム入射角の測定方法、測定装置及び該装置を距離測定に使用する方法 | |
| JP2005127748A (ja) | 光熱変換測定装置及びその方法 | |
| CN113804646B (zh) | 近红外傅里叶变换偏振光谱仪 | |
| CN208847653U (zh) | 一种实时偏振敏感的太赫兹时域椭偏仪 | |
| CN112098371A (zh) | 一种基于双波长差值的强度型SPRi传感系统及方法 | |
| WO2004064969A9 (en) | Crystal grating apparatus |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221230 Address after: Room 704, Building A, Jinyunge, Jinlong Garden, No. 1008, Qinxue Road, Nanshan District, Shenzhen, Guangdong 518000 Patentee after: Shao Yonghong Address before: 518060 No. 3688 Nanhai Road, Shenzhen, Guangdong, Nanshan District Patentee before: SHENZHEN University |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230216 Address after: 264000 Floor 4, No. 8, Zijinshan Road, Yantai District, China (Shandong) Pilot Free Trade Zone, Yantai, Shandong Province Patentee after: Shandong Shenda Optical Technology Co.,Ltd. Address before: Room 704, Building A, Jinyunge, Jinlong Garden, No. 1008, Qinxue Road, Nanshan District, Shenzhen, Guangdong 518000 Patentee before: Shao Yonghong |
|
| TR01 | Transfer of patent right |