CN115524312A - 一种近红外spr便携式检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种近红外SPR便携式检测装置，包括：激光发射模块、SPR激发模块、光电探测模块以及信号处理模块。其中，所述激光发射模块，用于发射C波段激光，并将所述C波段激光入射至所述SPR激发模块；所述SPR激发模块包括棱镜以及传感芯片；所述C波段激光，依次射入所述棱镜以及所述传感芯片后，照射在所述传感芯片上的待测物上，激发SPR效应，带有SPR效应的反射光依次经所述传感芯片以及所述棱镜后被所述光电探测模块探测；所述信号处理模块，用于根据所述光电探测模块探测得到的信号确定所述待测物的折射率。本申请基于近红外的SPR效应，实现待测物折射率的检测，与现有使用光谱仪的检测装置相比，缩小了装置体积，并且保障了检测的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)传感领域，特别是涉及一种近红外SPR便携式检测装置。
背景技术
近年来随着各种新材料和新技术的迅速发展，作为传感技术领域的研究前沿，生化传感器的发展呈现出小型化、集成化等特点。SPR传感技术是一种新型的光电检测技术，与传统的生化传感器相比，它具有设备简单、灵敏度高、稳定性好、响应速度快等优点，已经在医学、生物、环境、食品检测、制药等许多重要领域得到广泛的应用并逐渐走向成熟，具有良好的发展前景。基于SPR传感技术制成的传感器及检测仪在检测介质折射率方面有着良好的灵敏度和分辨率。
当前商品化SPR检测仪器主要是以棱镜耦合角度调制型和波长调制型为主，虽然检测精度较高，但其结构复杂、体积庞大，不适宜便携式测量，应用推广受到很大的限制。为了实现SPR传感设备的便携式与小型化，目前主流的解决方案包括两大类：(1)采用光纤或波导代替棱镜耦合元件，实现光路空间压缩；(2)采用图像采集或光谱重构的方式代替光谱仪，减小光学器件体积。然而上述两种方式都是以牺牲SPR传感灵敏度以达到小型化的目的，故传感器灵敏度较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种近红外SPR便携式检测装置，以实现对小型化和高灵敏度的兼顾。
为实现上述目的，本申请提供了如下方案：
一种近红外SPR便携式检测装置，包括：激光发射模块、SPR激发模块、光电探测模块以及信号处理模块；
所述激光发射模块，用于发射C波段激光，并将所述C波段激光入射至所述SPR激发模块；
所述SPR激发模块包括棱镜以及传感芯片；所述C波段激光，依次射入所述棱镜以及所述传感芯片后，激发近红外SPR效应，SPR消逝场辐射到所述传感芯片近场的待测物上，带有SPR吸收特性及待测物折射率信息的反射光依次经所述传感芯片以及所述棱镜后被所述光电探测模块探测；
所述信号处理模块，用于根据所述光电探测模块探测得到的信号确定所述待测物的折射率。
可选的，还包括：入射光光纤准直镜以及反射光光纤准直镜；
所述入射光光纤准直镜，设置在所述C波段激光入射至所述SPR激发模块的光路上，用于对所述C波段激光进行准直；
所述反射光光纤准直镜，设置在所述带有SPR效应的反射光至所述光电探测模块的光路上，用于对所述带有SPR效应的反射光进行准直。
可选的，所述光电探测模块包括铟镓砷光电探测器。
可选的，所述激光发射模块包括光纤激光发射器和C波段激光二极管，所述光纤激光发射器产生激光，所述激光入射至所述C波段激光二极管，所述C波段激光二极管用于产生C波段激光。
可选的，所述棱镜为K9矩形棱镜。
可选的，所述传感芯片包括：K9玻璃片以及修饰有特异性检测分子膜的金属传感膜，所述传感膜设置于所述K9玻璃片上。
可选的，所述传感芯片为可拆卸式传感芯片，所述传感芯片表面修饰传感膜的材质和厚度根据待测物的类型确定。
可选的，所述信号处理模块包括信号转换器和处理器，所述信号转换器用于将所述激光接收模块探测到的光信号转换为电信号，所述处理器用于确定所述电信号对应的光强信息，所述光强信息用于计算所述待测物的折射率。
根据本发明提供的具体实施例，公开了以下技术效果：本申请提供了一种近红外SPR便携式检测装置，该装置包括激光发射模块、SPR激发模块、光电探测模块以及信号处理模块。其中，激光发射模块，用于发射C波段激光，并将C波段激光入射至SPR激发模块；SPR激发模块包括棱镜以及传感芯片；C波段激光，依次射入棱镜以及传感芯片后激发SPR效应，SPR消逝场辐射到传感芯片近场的待测物上，带有SPR效应的反射光依次经传感芯片以及棱镜后被光电探测模块探测；信号处理模块，用于根据光电探测模块探测得到的信号确定待测物的折射率。由于本申请基于近红外的SPR效应，实现了待测物折射率的检测，与现有使用光谱仪的检测装置相比，缩小了装置体积，同时，还可以保障检测的灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请所提供的检测装置内部结构示意图；
图2为本申请所提供的检测装置外部结构示意图；
图3为本申请所提供的激光入射角度示意图；
图4为本申请所提供的装置尺寸示意图；
图5为本申请所提供的近红外SPR灵敏度增强示意图，图5(a)为传统可见光的SPR光谱随折射率变化情况，图5(b)为近红外光的SPR光谱随折射率变化情况，图5(c)为传统可见光及本发明近红外光的SPR光谱随折射率对比结果。
符号说明：1-光纤激光发射模块；2-C波段激光二极管；3-入射光光纤准直镜；4-K9棱镜；5-K9玻璃片；6-修饰有特异性检测分子膜的传感膜；7-反射光光纤准直镜；8-铟镓砷光电探测器；9-微处理器；10-IV转换器；11-电源装置；12-传输光纤；13-仪器外壳；14-电源键；15-连接支架；16-USB口；17-充电口；18-玻璃片卡口；19-把手；20-散热孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的目的是提供一种近红外SPR便携式检测装置。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
本申请提供了一种近红外SPR便携式检测装置，包括激光发射模块、SPR激发模块、光电探测模块以及信号处理模块。
其中，激光发射模块，用于发射C波段激光，并将所述C波段激光入射至所述SPR激发模块；SPR激发模块包括K9棱镜4以及传感芯片；C波段激光，依次射入K9棱镜4以及传感芯片后，照射在传感芯片上的待测物上，激发SPR效应，带有SPR效应的反射光依次经所述传感芯片以及所述棱镜后被所述光电探测模块探测；所述信号处理模块，用于根据所述光电探测模块探测得到的信号确定所述待测物的折射率。
具体的，C波段激光以小角度斜入射所述传感芯片，激发近红外SPR效应，带有SPR效应及待测物折射率信息的反射光经所述棱镜后被所述光电探测模块探测。
在一些实施例中，近红外SPR便携式检测装置的具体结构如图1、2所示，具体结构如下：
检测装置的仪器外壳13外表面具有把手19、玻璃片卡口18、散热孔20、电源键14、充电口17、USB口16，其中把手19和玻璃片卡口18位于仪器外壳13上方，散热孔20位于仪器外壳13左右两侧，充电口17和USB口16位于仪器外壳13前侧。
检测装置的内部结构中，光纤激光发射器1、C波段激光二极管2、电源装置11、微处理器位于仪器内，通过螺丝与仪器外壳13连接固定。
光纤激光发射器1通过导线与微处理器连接，通过传输光纤与C波段激光二极管2连接，其中，光纤激光发射器1产生激光，激光入射至C波段激光二极管使其产生C波段激光。
C波段激光二极管2与入射光光纤准直镜3相连。
仪器内有连接支架15，位于电源装置11上方，承托K9矩形棱镜4并固定入射光光纤准直镜3和反射光光纤准直镜7，定制连接支架15；其中，入射光光纤准直镜3，设置在C波段激光入射至SPR激发模块的光路上，用于对C波段激光进行准直；反射光光纤准直镜7，设置在带有SPR效应的反射光至光电探测模块的光路上，用于对带有SPR效应的反射光进行准直。
K9矩形棱镜4放置于连接支架15上与仪器上表面接触，位于玻璃片卡口18下方。
K9玻璃片5以及修饰有特异性检测分子膜的传感膜6放置于K9矩形棱镜4上，且传感膜6设置于K9玻璃片上。其中，修饰有特异性检测分子膜的传感膜6为可拆卸式传感膜，针对不同检测物质，修饰对应生物分子膜系，通过在仪器顶部的替换相应的传感膜检测不同的检测物质，例如厚度为35nm的金膜为检测装置常用的传感膜。
反射光光纤准直镜7与铟镓砷光电探测器8相连，用于检测反射光强，并将光信号转变为电流信号。
铟镓砷光电探测器8用于实现近红外光的信号接收，通过导线与IV转换器10相连；IV转换器10和微控制器9通过导线相连；其中，IV转换器可将电流信号转变为电压信号，并将电压信号转送给微处理器9。
微处理器9包括Arduino NANO开发板以及引脚扩展板，微处理器9通过导线与C波段激光二极管2和铟镓砷光电探测器8相连，可实时接收所述激光检测装置采集的光强信息，并且具有USB口16，USB口16位于仪器外壳13前侧，可连接计算机，并实时将采集的光强信息传递给计算机。
电源装置11包括直流充电电池组、电源电压转换电路板，用于给光纤激光发射模块以及IV转换器提供电源。
计算机用于实时接收微处理器传送的光强信息，并对光强信息进行处理，实时检测待测物的折射率。
具体的，检测装置中，利用连接支架将各部分光学元件固定，利用传输光纤进行光路连接，集成于检测装置内部结构中，并将该仪器与计算机使用USB线进行连接。
在一些实施例中，如图3所示，进行待测物检测时，具体使用步骤如下：
1)打开电源，开启检测装置。
2)将仪器外壳顶部的盖子打开，选择与待测物匹配的传感芯片，此处选择修饰有特异性检测分子膜的35nm厚金膜镀制于K9玻璃片作为传感芯片，并置于传感芯片卡槽处。
3)调节C波段激光二极管发射激光与K9矩形棱镜左侧面夹角为45°，棱镜中入射光与传感芯片接触面夹角为28°。
4)调节铟镓砷光电探测器检测的反射光与K9矩形棱镜右侧面夹角为45°，棱镜中反射光与传感芯片夹角为28°。
5)打开光源，记录背景光，设置采样频率。
6)将待测样品滴到传感芯片上，激发SPR效应。
7)计算机实时接收微处理器传送的光强信息，并对光强信息进行处理，实时检测待测物的折射率，其应用界面显示实时检测数据，得到待测物的折射率及实时动态变化情况。
在一些实施例中，如图5所示，以折射率在1.331-1.333为例，观察传统可见光及本发明近红外光的SPR光谱随折射率变化情况以及灵敏度的差异。
具体的，图5(a)表示传统可见光的SPR光谱随折射率变化情况，传统可见光SPR光源一般为560nm左右，当折射率变化1.331-1.333时，接收到的强度对应的是垂线与三条曲线相交的点，此时强度变化约为0.15。
图5(b)为近红外光的SPR光谱随折射率变化情况，近红外SPR光源是1510nm左右，对于相同的折射率变化，接收的强度变化幅度更大，当折射率变化1.331-1.333时，接收到的强度对应的是垂线与三条曲线相交的点，此时强度变化约为0.45。
通过对比可以看出，对于同样的折射率变化，强度调制型近红外SPR效应具有更大的强度变化，图(c)为对比结果，可以看出，本发明的强度灵敏度(220a.u./RIU)较传统SPR传感器的强度灵敏度(75a.u./RIU)提高约3倍。
综上所述，本申请具有以下优点：1)本申请提供的近红外SPR便携式检测装置相较于现有技术中检测精度较高检测仪器，通过采用近红外的SPR效应与强度解调技术检测待测物折射率，采用铟镓砷光电探测器代替了光谱仪，减小了光学器件的体积，实现了SPR传感设备的便携式与小型化。2)本申请提供的近红外SPR便携式检测装置相较于现有技术中小型化的SPR装置，采用近红外的SPR效应与强度解调技术对待测物进行折射率的检测，由于使用的激光波长在C波段，激发近红外SPR效应，使检测的灵敏度提高，实现了对小型化和高灵敏度的兼顾。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种近红外SPR便携式检测装置，其特征在于，包括：激光发射模块、SPR激发模块、光电探测模块以及信号处理模块；
所述激光发射模块，用于发射C波段激光，并将所述C波段激光入射至所述SPR激发模块；
所述SPR激发模块包括棱镜以及传感芯片；所述C波段激光，依次射入所述棱镜以及所述传感芯片后，激发近红外SPR效应，SPR消逝场辐射在所述传感芯片近场待测物上，带有SPR效应及待测物折射率信息的反射光依次经所述传感芯片以及所述棱镜后被所述光电探测模块探测；
所述信号处理模块，用于根据所述光电探测模块探测得到的信号确定所述待测物的折射率。
2.根据权利要求1所述的近红外SPR便携式检测装置，其特征在于，还包括：入射光光纤准直镜以及反射光光纤准直镜；
所述入射光光纤准直镜，设置在所述C波段激光入射至所述SPR激发模块的光路上，用于对所述C波段激光进行准直；
所述反射光光纤准直镜，设置在所述带有SPR效应的反射光至所述光电探测模块的光路上，用于对所述带有SPR效应的反射光进行准直。
3.根据权利要求1所述的近红外SPR便携式检测装置，其特征在于，所述光电探测模块包括铟镓砷光电探测器。
4.根据权利要求1所述的近红外SPR便携式检测装置，其特征在于，所述激光发射模块包括光纤激光发射器和C波段激光二极管，所述光纤激光发射器产生激光，所述激光入射至所述C波段激光二极管，所述C波段激光二极管用于产生C波段激光。
5.根据权利要求1或4所述的近红外SPR便携式检测装置，其特征在于，所述棱镜为K9矩形棱镜。
6.根据权利要求1所述的近红外SPR便携式检测装置，其特征在于，所述传感芯片包括：K9玻璃片以及修饰有特异性检测分子膜的传感膜，所述传感膜设置于所述K9玻璃片上。
7.根据权利要求6所述的近红外SPR便携式检测装置，其特征在于，所述传感膜为可拆卸式传感膜，所述传感膜的材质和厚度根据待测物的类型确定。
8.根据权利要求1所述的近红外SPR便携式检测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括信号转换器和处理器，所述信号转换器用于将所述激光接收模块探测到的光信号转换为电信号，所述处理器用于确定所述电信号对应的光强信息，所述光强信息用于计算所述待测物的折射率。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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