CN111380839B - 一种基于液体囊角度调节的spr传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于液体囊角度调节的SPR传感器装置，用于测量溶液浓度，包括角度调制组件、传感组件、流通组件、入射组件和数据采集组件，所述的流通组件内通入待测溶液，所述的传感组件设置于流通组件内，且与待测溶液相互接触，所述的角度调制组件包括铰链和设置于铰链两侧面之间的液体囊，所述的铰链的一侧面与入射组件连接，另一侧面与传感组件连接，所述的液体囊通过改变内部液体体积调节铰链的开合角度，所述的数据采集组件与入射组件相互连接，与现有技术相比，本发明具有成本低且角度灵活可调等优点。

Description

一种基于液体囊角度调节的SPR传感器装置

技术领域

本发明涉及SPR传感器领域，尤其是涉及一种基于液体囊角度调节的SPR传感器装置。

背景技术

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种物理光学现象，当一束光从波密介质射向到光疏介质，在入射角大于临界角时，将在界面发生全内反射。此时，在光疏介质中，光波的电场强度以倏逝波的形式继续存在，其有效深度与入射波长相当。将一层高反射的金属薄膜镀在玻璃或石英支持体上，光透过支持体照射到金属薄膜表面时，将在金属与待测介质的界面上激发振荡电荷，形成表面等离子体波。在全内反射发生时，如果入射光和表面等离子体在界面方向上波矢相等，两者发生共振，一部分入射光能量耦合到表面等离子体中，从而使反射光强发生衰减，形成表面等离子波共振。

SPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感，当表面介质的属性改变或者附着量改变时，共振角将不同。因此，SPR谱能够反映与金属膜表面接触的体系的变化。SPR技术在溶液浓度检测方面具有高灵敏度、体积小、制作简单、实时快速、被测物无需标记、化学物质稳定、安全可靠、无污染、可远程监控等众多优点。

中国专利CN201710269242公开了一种角度扫描型SPR传感器系统，该系统既可用于角度扫描又可以用于光强调制检测的传感器。等腰直角三棱镜固设在小转盘，CCD探测器和衰减片固定设在大转盘中，大、小转盘由两个伺服电机驱动，大转盘围着小转盘转动。该传感器可扩大角度扫描范围、增大可检测区域面积。

中国专利CN201820102726.X公开了一种四路集成SPR液体折射率传感装置，该装置能够实时高效的对四种待测液体实现折射率传感，打破了传统光纤SPR传感器固有的使用形式。在一个传感装置上集成了两路级联分布式SPR液体折射率传感器。该装置由光源、光源尾纤、光纤分束器、双芯光纤、光纤和光谱仪组成；光源输出端与光源尾纤输入端连接，光源尾纤输出端连接至光纤分束器输入端，光纤分束器的输出端分别与双芯光纤输入端的纤芯正对焊接，双芯光纤输出端的每个纤芯分别与一根光纤输入端的纤芯正对焊接，每根光纤输出端分别与一个光谱仪的输入端连接。

上述所采用的SPR传感器的价格昂贵、装置复杂且实用性不强，无法大量投入现实生产使用，无法实时对工业或医疗等应用场所的溶液进行检测。另外在理论方面，这些装置的角度调制具有局限性，无法准确任意地调整角度，这也限制了SPR传感器的实用性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种成本低且角度灵活可调的基于液体囊角度调节的SPR传感器装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于液体囊角度调节的SPR传感器装置，用于测量溶液浓度，包括角度调制组件、传感组件、流通组件、入射组件和数据采集组件，所述的流通组件内通入待测溶液，所述的传感组件设置于流通组件内，且与待测溶液相互接触，所述的角度调制组件包括铰链和设置于铰链两侧面之间的液体囊，所述的铰链的一侧面与入射组件连接，另一侧面与传感组件连接，所述的液体囊通过改变内部液体体积调节铰链的开合角度，所述的数据采集组件与入射组件相互连接；

所述的入射组件产生光波射入传感组件，所述的角度调制组件通过铰链的开合角度调节光波入射角度，入射的光波在传感组件处发生全内反射和表面等离子体共振后，通过入射组件返回至数据采集组件，最终数据采集组件得到角度随反射率变化的SPR光谱，进行数据处理，测定出溶液的浓度。

进一步地，所述的入射组件包括激光器、光纤和光纤夹头，所述的光纤夹头包括第一光纤夹头和第二光纤夹头，分别设置于铰链的一侧面上，所述的激光器通过光纤与第一光纤夹头连接，所述的第二光纤夹头通过光纤与数据采集组件连接。整个过程中，光波在光纤中传输，保证了光在传输过程中没有受到外界污染也没有能量损耗。

进一步地，所述的角度调制组件还包括拉力弹簧以及与光纤夹头设置于铰链同一侧面上的弹簧拉杆和马达，所述的弹簧拉杆与铰链的转轴连接，所述的马达设置两个，与两个光纤夹头共同呈直线排列，并通过弹簧拉杆依次连接，马达和弹簧拉杆可以进一步控制光纤夹头的位置，控制光波入射的位置，所述的拉力弹簧设置于铰链的底端，其两端分别与铰链的两侧面连接，拉力弹簧的设置可以保证铰链开合过程中的平稳，提高本装置的稳定性。

进一步优选地，所述的两个光纤夹头设置于中间，所述的马达分别设置于两个光纤夹头的两侧，形成对称结构，两个马达不在光束照射引起等离子体共振范围内，保证检测结果的准确性。

进一步地，所述的传感组件包括直角三棱镜和金属薄膜，所述的流通组件包括相互连通的待测腔和溶液管道，待测溶液通过溶液管道通入待测腔并在检测后通过溶液管道流出待测腔，所述的直角三棱镜的斜边与铰链的一侧面连接，所述的金属薄膜镀设于直角三棱镜的两条直角边上，并设置于待测腔内与待测溶液相互接触，待测腔在检测过程中不会造成污染，因此溶液从待测腔流出后可以回到溶液管道继续使用，避免造成溶液浪费。

进一步优选地，所述的液体囊包括COP塑料膜和填充于COP塑料内的填充液，所述的填充液为与直角三棱镜折射率相同的玻璃折射匹配液，所述的液体囊填充于直角三棱镜以及光纤夹头之间，与直角三棱镜的斜边和光纤夹头之间紧密贴合。这样液体囊就可以严丝合缝地贴合直角三棱镜和光纤夹头，使得光束不会在空气中传播，不会受到污染，同时由于填充液具有和直角三棱镜相同的折射率，保证了光束是直线进入棱镜，不发生折射。

进一步地，所述的液体囊通过填充液体体积的改变，控制铰链的开合角度，调节光波的入射角度；

所述的两个马达通过牵引弹簧拉杆分别控制两个光线夹头左右移动，调节光波的入射位置；

所述的激光器产生光波，经过光纤从第一光纤夹头射入，并在通过液体囊后射入直角三棱镜的一个直角面并发生全内反射，当入射角大于临界角时，与金属薄膜发生等离子共振，反射光束射到直角三棱镜的另一直角面并发生全内反射，当入射角大于临界角时，与金属薄膜再次发生等离子共振，反射光束与入射光线平行，从第二光线夹头射出，并通过光纤通入数据采集组件。

进一步优选地，所述的铰链的开合角度范围为0°-70°，扩大光波入射范围，提高检测精度。

进一步优选地，所述的激光器为光纤耦合半导体激光器，发射665nm波长的光波，所述的直角三棱镜的折射率为1.64，所述的金属薄膜为金膜或银膜，更优选的为选用5nm厚的金膜，采用金属膜直接吸附法镀在直角三棱镜上。

进一步地，所述的流通组件还包括温度计和流速计，所述的温度计和流速计分别安装于待测腔输入端的管道内，监测溶液的温度及流速，这是考虑到溶液温度也会影响溶液的浓度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过设置铰链和液体囊，可以在调节光束入射角度，扩大入射范围，提高检测精度；

2)本发明的液体囊与直角三棱镜的斜边和光纤夹头之间紧密贴合，保证光束一直在腔体里面传输，不在空气中传输，不会造成激光污染，亦不会被空气中的微粒子污染，更不会轻易造成人员安全问题；

3)本发明液体囊的COP塑料膜和填充液的折射率与直角三棱镜折射率相同，保证了光束是直线进入棱镜，不发生折射，保证了检测可靠性；

4)本发明通过在铰链的两侧面之间设置拉力弹簧，保证铰链开合过程中的平稳，提高本装置角度调节的稳定性；

5)本发明通过的两个马达通过牵引弹簧拉杆分别控制两个光线夹头左右移动，可以进一步调节光波的入射位置，进一步扩大入射范围，提高检测精度；

6)本发明装置的结构简单，检测过程稳定可靠且精度高，可以脱离实验室，运用在实际工业或医疗等行业中；

7)本发明无需昂贵仪器，制作工艺简单，价格便宜，就可实现高精度的溶液浓度检测分析。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

其中，1、激光器，2、光纤，3、铰链，4、弹簧拉杆，5、光纤夹头，6、马达，7、液体囊，8、液体腔，9、第一控制泵，10、液体管道，11、拉力弹簧，12、第二控制泵，13、溶液管道，14、待测腔，15、金属薄膜，16、直角三棱镜，17、流速计，18、温度计，19、计算机，20、CCD探测器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

如图1所示，本发明提供一种基于液体囊角度调节的SPR传感器装置，包括角度调制组件、传感组件、流通组件、入射组件和数据采集组件。

角度调制组件包括液体囊7、第一控制泵9、液体腔8、液体管道10、拉力弹簧11、弹簧拉杆4、铰链3以及两个马达6。

传感组件包括直角三棱镜16和金属薄膜15，其中直角三棱镜16为等腰直角三棱镜，金属薄膜15可采用金膜或银膜。

流通组件包括溶液管道13、待测腔14、第二控制泵12、温度计18和流速计17。

入射组件包括激光器1、光纤2以及两个光纤夹头5。

数据采集组件包括通过USB通信线相互连接的CCD探测器20和计算机19。

直角三棱镜16和金属薄膜15共同组成SPR传感器，安装于待测腔14内，待测腔14为玻璃透明制品，与溶液管道13连通，其输入输出端口分别连接着第二控制泵12，输入端还添加了温度计18和流速计17，温度计的设计可以实时了解待测溶液的温度，进一步研究温度与待测液浓度变化的关系，并且检测过程中不会造成污染，因此溶液从待测腔14流出后回到溶液管道13继续使用，避免造成溶液浪费。

光纤夹头5和弹簧拉杆4以及马达6是呈直线形式排列在铰链3的一面，铰链3的另一面连接着直角三棱镜16，直角三棱镜16的两直角边上附有一层金属薄膜15，金属薄膜15置于待测腔14中与溶液接触。铰链3的开合角度范围为0度-70度。拉力弹簧11位于铰链3的尾端，用于固定铰链3的开合，避免在液体囊7体积增大或减小时铰链结构3不稳定。

马达6设置两个，分别固定在铰链3其中一条铁条的两端，不在光束照射引起等离子体共振范围内。弹簧拉杆4连接着马达6和光纤夹头5，构成了如图1所示的对称结构，马达6和弹簧拉杆4的作用是控制光纤夹头5的位置。光纤夹头5设置两个，分别为第一光纤夹头和第二光纤夹头，第一光纤夹头通过光纤2连接至激光器1，第二光纤夹头通过光纤2连接至CCD探测器20。激光器1发出的光束通过光纤2后从第一光纤夹头处入射，在直角三棱镜16反射后的光束从第二光纤夹头处射出，并通过光纤2进入CCD探测器20。马达6发动可以牵引弹簧拉杆4，在力的作用下使光线夹头5左右移动，即可以改变光束入射的位置，两个光纤夹头5之间的距离也可以通过两个马达6进行调整。

液体囊7设置于铰链3夹角内，即填充在直角三棱镜16以及光纤夹头5之间，其连接着液体管道10、第一控制泵9以及液体腔8，第一控制泵9为液体压力控制泵。当想缩小液体囊7的体积时，改变第一控制泵9的压力，液体从液体囊7通过液体管道10回流进液体腔8，反之，当想增大液体囊7的体积时，改变第一控制泵9的压力，液体从液体腔8流入液体囊7。当液体囊7体积增大时，拉力弹簧11拉伸，铰链3打开，从而由第二光纤夹头射出的光束的入射角度变大。当液体囊7体积减小时，拉力弹簧11收缩，铰链3闭合，从而由第二光纤夹头射出的光束的入射角度变小。

本实施例中，激光器1采用的是新型的光纤耦合半导体激光器，发射665nm波长的光波，该光波直接射入光纤2，此光纤为普通光纤线。由于光纤2的尾部连接着光纤夹头5，因此发射的光波不会造成激光污染。

本实施例中，直角三棱镜16采用的是折射率为1.64的直角三棱镜，液体囊7具体为由COP塑料膜和玻璃匹配液构成，COP塑料膜为无色高透明材料，具有高硬度和冲击强度，无毒、耐热耐寒性耐老化性好，可在空气中长期使用，并且COP的折射率与直角三棱镜的折射率相当。玻璃匹配液选用的是与直角三棱镜相同折射率的液体。由此液体囊7具有和棱镜相同的折射率。液体囊7填充在直角三棱镜16以及光纤夹头5之间，严丝合缝，不会有缝隙，保证了光束是直线进入棱镜，从光纤夹头射出的光束可以无泄漏的通过液体囊和直角三棱镜，且不发生折射。

本实施例中，金属薄膜15为50nm厚的金膜，金膜采用的是金属膜直接吸附法，镀在直角三棱镜16的两个直角面。

本发明的工作原理如下：

由激光器1产生的光依次经过光纤2、第一光纤夹头和液体囊7后射入直角三棱镜16的一个直角面并发生全内反射，满足共振条件的光波将激发金属膜产生表面等离子体波(SPW)，在透射光谱中形成一个共振谷；

反射的光束继续前进，射入直角三棱镜16的另一直角面并发生全内反射，满足共振条件下将再次激发金属膜产生等离子体波(SPW)，从而再次在透射光谱中形成一个共振谷；

反射的光束继续前进，反射回来的光束与入射光平行，依次通过液体囊7、第二光纤夹头和光纤2后，进入CCD探测器20进行采样记录，便于实现测试图像的显示、处理和保存，CCD探测器20连接计算机19，实时将采样到的数据输入计算机19，便于通过算法计算反射光强值以得到SPR曲线，提高了检测精度与实时性。

通过改变第一控制泵9的压力，可以改变液体囊7的体积，从而变换光束入射光的角度，得到角度随反射率变化的SPR光谱。记录共振光谱，经过计算机的数据处理，可以测定出溶液的浓度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于液体囊角度调节的SPR传感器装置，用于测量溶液浓度，其特征在于，包括角度调制组件、传感组件、流通组件、入射组件和数据采集组件，所述的流通组件内通入待测溶液，所述的传感组件设置于流通组件内，且与待测溶液相互接触，所述的角度调制组件包括铰链(3)和设置于铰链(3)两侧面之间的液体囊(7)，所述的铰链(3)的一侧面与入射组件连接，另一侧面与传感组件连接，所述的液体囊(7)通过改变内部液体体积调节铰链(3)的开合角度，所述的数据采集组件与入射组件相互连接；

所述的入射组件产生光波射入传感组件，所述的角度调制组件通过铰链(3)的开合角度调节光波入射角度，入射的光波在传感组件处发生全内反射和表面等离子体共振后，通过入射组件返回至数据采集组件，最终数据采集组件得到角度随反射率变化的SPR光谱，进行数据处理，测定出溶液的浓度；

所述的入射组件包括激光器(1)、光纤(2)和光纤夹头(5)，所述的光纤夹头(5)包括第一光纤夹头和第二光纤夹头，分别设置于铰链(3)的一侧面上，所述的激光器(1)通过光纤(2)与第一光纤夹头连接，所述的第二光纤夹头通过光纤(2)与数据采集组件连接；

所述的角度调制组件还包括拉力弹簧(11)以及与光纤夹头(5)设置于铰链(3)同一侧面上的弹簧拉杆(4)和马达(6)，所述的弹簧拉杆(4)与铰链(3)的转轴连接，所述的马达(6)设置两个，与两个光纤夹头(5)共同呈直线排列，并通过弹簧拉杆(4)依次连接，所述的拉力弹簧(11)设置于铰链(3)的底端，其两端分别与铰链(3)的两侧面连接；

所述的传感组件包括直角三棱镜(16)和金属薄膜(15)，所述的流通组件包括相互连通的待测腔(14)和溶液管道(13)，待测溶液通过溶液管道(13)通入待测腔(14)并在检测后通过溶液管道(13)流出待测腔，所述的直角三棱镜(16)的斜边与铰链(3)的一侧面连接，所述的金属薄膜(15)镀设于直角三棱镜(16)的两条直角边上，并设置于待测腔(14)内与待测溶液相互接触；

所述的液体囊(7)包括COP塑料膜和填充于COP塑料内的填充液，所述的填充液为与直角三棱镜(16)折射率相同的玻璃折射匹配液，所述的液体囊(7)填充于直角三棱镜(16)以及光纤夹头(5)之间，与直角三棱镜(16)的斜边和光纤夹头(5)之间紧密贴合；

所述的液体囊(7)通过填充液体体积的改变，控制铰链(3)的开合角度，调节光波的入射角度；

所述的两个马达(6)通过牵引弹簧拉杆(4)分别控制两个光纤夹头(5)左右移动，调节光波的入射位置；

所述的激光器(1)产生光波，经过光纤(2)从第一光纤夹头射入，并在通过液体囊(7)后射入直角三棱镜(16)的一个直角面并发生全内反射，当入射角大于临界角时，与金属薄膜(15)发生等离子共振，反射光束射到直角三棱镜(16)的另一直角面并发生全内反射，当入射角大于临界角时，与金属薄膜(15)再次发生等离子共振，反射光束与入射光线平行，从第二光线夹头射出，并通过光纤(2)通入数据采集组件。

2.根据权利要求1所述的一种基于液体囊角度调节的SPR传感器装置，其特征在于，所述的两个光纤夹头(5)设置于中间，所述的马达(6)分别设置于两个光纤夹头(5)的两侧，形成对称结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于液体囊角度调节的SPR传感器装置，其特征在于，所述的铰链(3)的开合角度范围为0°-70°。

4.根据权利要求1所述的一种基于液体囊角度调节的SPR传感器装置，其特征在于，所述的激光器(1)为光纤耦合半导体激光器，发射665nm波长的光波，所述的直角三棱镜(16)的折射率为1.64，所述的金属薄膜(15)为金膜或银膜。

5.根据权利要求1所述的一种基于液体囊角度调节的SPR传感器装置，其特征在于，所述的流通组件还包括温度计(18)和流速计(17)，所述的温度计(18)和流速计(17)分别安装于待测腔(14)输入端的管道内。

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