CN113063735A - 一种基于色度色散的表面等离激元共振传感系统 - Google Patents

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刘强
张旭辉
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Abstract

本发明属于测试仪器技术领域，公开了一种基于色度色散的表面等离激元共振传感系统。本发明可用于解决现有表面等离激元共振传感系统中的2个主要不足：基于波长解调的表面等离激元共振传感系统成本高昂，系统复杂，限制了系统的小型化与推广应用；基于角度解调的表面等离激元共振传感系统对稳定性要求高，系统复杂，测量需要角度扫描，实时性差。通过光谱拉伸的方法实现宽带复合光信号的光频率空间域分割，结合空间光信号与光频率的对应，采用线阵CCD实现表面等离激元共振信号的实时检测，且可以根据需求更换平面光栅或者线阵CCD，获得不同的探测指标；本系统无活动部件，系统稳定性高，便于集成，极具成本优势。

Description

一种基于色度色散的表面等离激元共振传感系统
技术领域
本发明属于测试仪器技术领域，利用宽带光谱的色度色散，实现基于表面等离激元共振传感技术的实时、低成本检测。
背景技术
表面等离激元共振传感技术是一种通过分析表面等离激元波共振效应的光谱特征进行界面结构分析的光学检测方法，表面等离激元共振传感器在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测、法医鉴定等领域具有广泛的应用需求(一种表面具有原位制备的金属纳米棒阵列的光纤探针及其制备方法与流程，2019)。表面等离激元波共振效应的产生需通过光学耦合器件实现光波和表面等离激元波之间的耦合，常用的光学耦合器件包括棱镜、光纤等。目前，棱镜型光学耦合器件主要分为Otto型(便携式表面等离子体共振生物传感器在低浓度溶液定量检测中的应用，2014)和Kretschmann型(表面等离激元共振传感器的研究，2019)，而实际应用中较多采用基于Kretschmann型棱镜耦合结构，但是基于Kretschmann型棱镜耦合结构的传感系统价格昂贵，体积大，严重限制了实际应用。
目前，常用的表面等离激元共振传感系统的解调技术主要包括波长解调(金纳米球壳表面等离激元共振波长调谐特性研究，2013)、角度解调方式(表面等离子体激元共振光化学传感器的研究，1998)。波长解调方法主要通过探测表面等离激元共振波长的变化，感知样品参数的演变，波长解调系统的检测精度高、速度快，但系统成本高，系统复杂，限制了系统的小型化与推广应用(基于表面等离子体共振机理的传感器研究，2011)；角度解调方法的检测灵敏度与精度取决于角度调节装置的精度、光电探测原件分辨率等，虽然系统成本低，但对系统稳定性要求高，系统复杂，测量需要角度扫描，实时性差。针对现有的表面等离激元共振传感系统存在的问题，提出了一种基于色度色散的表面等离激元共振传感系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种实时检测、低成本的表面等离激元共振传感系统。
本发明的技术方案：
一种基于色度色散的表面等离激元共振传感系统，包括宽带光源1、准直镜2、平面光栅3、柱状透镜4、可调光学狭缝5、镀金膜等腰直角棱镜6、线阵CCD7、信号处理与控制单元8和移动终端设备9；
所述的宽带光源1是激光泵浦宽带光源、溴钨灯光源、氙灯光源或白光发光二极管；宽带光源1出射的光经准直镜2准直后转换为平行光照射到平面光栅3；
所述的平面光栅3是由一系列等距平行刻线组成的光学元件，用于有效分光的色散元件；准直镜2准直后平行复合光经平面光栅3后，将不同频率的光成分在空间上分开；而后，经柱状透镜4空间压缩后通过可调光学狭缝5进行光谱选择，之后入射到镀金膜等腰直角棱镜6；
镀金膜等腰直角棱镜6是表面等离激元共振传感系统的传感元件，宽带光源1发出的宽谱光经过准直镜2、平面光栅3、柱状透镜4、可调光学狭缝5处理后输入到镀金膜等腰直角棱镜6，在此光与被检测样品相互作用，由于不同频率光在空间上分开，因此，将实现空间上的光强分布调制，调制后的光信号输入线阵CCD7，进行光信号探测；
所述的线阵CCD7是用于实时传输光电变换信号的集成光电器件，具有自扫描速度快、频率响应高、能实现动态测量的特点，将探测到的光强信号转换为模拟信号，经信号处理与控制单元8进行实时信号解调；
所述的信号处理与控制单元8可实现空间光信号强度和光分布的探测与处理。
进一步，所述采用基于平面光栅3色度色散的宽带光信号处理方式，激发表面等离激元共振检测信号，所述表面等离激元共振信号的检测，利用线阵CCD7实现实时探测。
进一步，所述的平面光栅3，可将光的频率特征转换成空间特征信息；可根据系统灵敏度、分辨率、测量范围等要求，更换不同参数的平面光栅，以满足不同的应用需求。
进一步，所述可调光学狭缝5，通过控制可调光学狭缝5的宽度选择合适的光谱范围，以匹配平面光栅3和线阵CCD7构成的系统的测量范围要求。
进一步，所述线阵CCD7，可在空间上区分不同频率光信号的强度信息，以空间-强度对应关系取代频率-强度对应关系；并可根据系统灵敏度、分辨率、测量范围等要求，更换不同参数的线阵CCD，以满足不同的应用需求。
进一步，所述的信号处理与控制单元8，通过采集参考光信号和实时光信号，以相对强度变化实现高灵敏度的探测。
进一步，所述的信号处理与控制单元8，以USB方式或无线通信方式与移动终端设备9连接，进行数据传输；
进一步，所述的信号处理与控制单元8，采用图像处理方法。
进一步，所述的移动终端设备9，通过终端软件控制信号处理与控制单元，来实现系统的运转。
本发明的有益效果：本发明解决了当前表面等离激元共振传感系统中的2个主要不足：基于波长解调的表面等离激元共振传感系统成本高昂，系统复杂，限制了系统的小型化与推广应用；基于角度解调的表面等离激元共振传感系统对稳定性要求高，系统复杂，测量需要角度扫描，实时性差。通过色度色散的方法实现宽带复合光信号的光频率空间域分割，结合空间光信号与光频率的对应，采用线阵CCD实现表面等离激元共振信号的实时检测，且可以根据需求更换平面光栅或者线阵CCD，获得不同的探测指标；本系统无活动部件，系统稳定性高，便于集成，极具成本优势。
附图说明
图1为基于色度色散的表面等离激元共振传感系统示意图。
图2为色度色散原理示意图。
图3为基于线阵CCD的解调方法。
图4为实验结果，其中(a)实时监测结果，(b)折射率与像素点之间的关系。
图中：1宽带光源；2准直镜；3平面光栅；4柱状透镜；5可调光学狭缝；6镀金膜等腰直角棱镜；7线阵CCD；8信号处理与控制单元；9移动终端设备。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式，但不应以此限制本发明的保护范围。
参见图1所示，一种基于色度色散的表面等离激元共振传感系统，包括宽带光源1、准直镜2、平面光栅3、柱状透镜4、可调光学狭缝5、镀金膜等腰直角棱镜6、线阵CCD 7、信号处理与控制单元8和移动终端设备9，可以采用色度色散机制，实现基于表面等离激元共振传感技术的实时、低成本检测。
所述的宽带光源1，为可见光宽带光源或者发光二极管；宽带光源1输出光经准直镜2准直后，以特定角度照射在平面光栅3上，宽带光源1输出的复合光频率转换成空间分布的光强信息。
经平面光栅色散的光信号经柱状透镜4汇聚，压缩光斑的尺寸，经柱状透镜4压缩后的光经可调光学狭缝5频率筛选后，以特定角度注入到镀金膜等腰直角棱镜6。
所述镀金膜等腰直角棱镜6，是光与被测介质相互作用和产生表面等离激元共振现象的平台，金膜厚度为50nm；当满足表面等离激元共振条件时，介质对特定波段的光的吸收最强，由于光谱频率已经转换成空间位置信息，因此，共振波长的变化表现为空间上的光信号强度变化。
所述线阵CCD 7，用于识别空间上光信号强度变化，不同的CCD像元位置对应不同的光谱频率，因此根据CCD像元感光强度的变化即可得出被测介质的光学相关的参数。
为了验证该系统的可行性，测试了系统对不同折射率的介质的响应，测量的像元位置-光强变化趋势呈现在图4中，结果表明，该系统可用于与折射率相关的生物化学信息的获取，且具有很好的稳定性。本发明所述的基于色度色散的表面等离激元共振传感系统，能够提供一种高稳定性、实时性的表面等离激元共振传感系统，且极具成本优势。

Claims (3)

1.一种基于色度色散的表面等离激元共振传感系统，其特征在于，所述的基于色度色散的表面等离激元共振传感系统包括宽带光源(1)、准直镜(2)、平面光栅(3)、柱状透镜(4)、可调光学狭缝(5)、镀金膜等腰直角棱镜(6)、线阵CCD(7)、信号处理与控制单元(8)和移动终端设备(9)；
所述的宽带光源(1)是激光泵浦宽带光源、溴钨灯光源、氙灯光源或白光发光二极管；宽带光源(1)出射的光经准直镜(2)准直后转换为平行光照射到平面光栅(3)；
所述的平面光栅(3)是由一系列等距平行刻线组成的光学元件，用于有效分光的色散元件；准直镜(2)准直后平行复合光经平面光栅(3)后，将不同频率的光成分在空间上分开；而后，经柱状透镜(4)空间压缩后通过可调光学狭缝(5)进行光谱选择，之后入射到镀金膜等腰直角棱镜(6)；
镀金膜等腰直角棱镜(6)是表面等离激元共振传感系统的传感元件，宽带光源(1)发出的宽谱光经过准直镜(2)、平面光栅(3)、柱状透镜(4)、可调光学狭缝(5)处理后输入到镀金膜等腰直角棱镜(6)，在此光与被检测样品相互作用，由于不同频率光在空间上分开，因此，将实现空间上的光强分布调制，调制后的光信号输入线阵CCD(7)，进行光信号探测；
所述的线阵CCD(7)是用于实时传输光电变换信号的集成光电器件，将探测到的光强信号转换为模拟信号，经信号处理与控制单元(8)进行实时信号解调；
所述的信号处理与控制单元(8)实现空间光信号强度和光分布的探测与处理；
所述的信号处理与控制单元(8)，以USB方式或无线通信方式与移动终端设备(9)连接，进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的基于色度色散的表面等离激元共振传感系统，其特征在于，所述可调光学狭缝(5)，通过控制可调光学狭缝(5)的宽度选择合适的光谱范围，以匹配平面光栅(3)和线阵CCD(7)构成的系统的测量范围要求。
3.根据权利要求1或2所述的基于色度色散的表面等离激元共振传感系统，其特征在于，所述的信号处理与控制单元(8)，采用图像处理方法。
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