CN1758049A - 测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置 - Google Patents
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Abstract
一种测量技术领域的测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置，上层衬底位于顶部，上层金属膜附着在其下表面上；上层金属膜之下紧贴着环形垫圈，环形垫圈之下紧贴着下层金属膜，下层金属膜附着在下层衬底上；上层衬底、上层金属膜组成的结合体与下层衬底、下层金属膜组成的结合体及两者之间的环形垫圈组成三层夹心结构，环形垫圈内部被上层金属膜和下层金属膜封闭的部分即为样品腔；上层金属膜、样品腔中的待测样本和下层金属膜组成波导结构，激光器输出的激光束入射到上述波导结构中，待测样本由导入导管导入样品腔，由导出导管导出样品腔。本发明灵敏度高、消耗量低、实时测量，尤其是生化反应中的实时浓度和反应过程检测。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种测量技术领域的装置，特别是一种测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置。
背景技术
随着激光技术的发展，激光传感器在溶液浓度和吸收测量方面的应用取得了长足的进步。液体、气体的温度、吸收、浓度、组分等等特性，都与其折射率息息相关，上述这些特性发生变化时，都会引起其折射率发生相应的变化。通过表面等离子探测技术、泄露模波导探测技术等方法，可以对折射率的微小变化进行高灵敏度的检测。这就使得对液体或气体的温度、吸收、浓度、组分等等特性的监测可以转化为对其折射率的监测，并进而可以将折射率的微小变化转化为放大的可被探测的光信号变化，从而解读出待测液体中的相应变化。
经对现有技术的文献检索发现，美国专利号为：6903815，名称为：用于葡萄糖测量的光波导传感器——器件、系统及方法。该技术所涉及的器件是在左右两个耦合光栅之间形成多膜层结构，其中，多膜层结构的第一层为衬底层；第二层为导波层，其折射率高于第一、三层；第三层为生化酶和试剂层，第四为多孔凝胶层；第五层为筛状导电层(筛状金属膜层)。第四和第五层以及器件仅控制待测溶液中的待测成分进入第三层，并不实际参与传感和测量过程。第一、二、三层中，第二层的折射率最高，两边次之，组成典型的光波导结构，其中，第二层为导波层，第一和第三层分别为上下包覆层。由入射耦合光栅耦合进该器件的偏振光在第二层中传输，部分渗入第一和第三层。经过该光波导传输的光信号由出射耦合光栅耦合出该器件，并由一个光强探测器接收和处理。当待测溶液中待测成分通过上述逆电离子渗入系统与第三层相接触的时候，将会与第三层发生一系列生化反应，并改变第三层的折射率，从而导致了该光波导的传输特性发生改变，并进一步的引起其中传输的光信号发生变化。这一变化由出射耦合光栅处放置的光强探测装置捕捉到。这样就实现了通过检测光信号来传感待测溶液中葡萄糖浓度变化。但由于在这种结构中，样本被放置在光波的迅衰场中(第三层)，在这一层里，光波的能量迅速衰减，光波与待测样本的相互作用非常有限，这直接导致了这种方法的测量灵敏度虽然比现有的传统方法要高一些，但难以在此基础上进一步提高。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置。使其提出上层衬底-上层金属膜-样品腔-下层金属膜-下层衬底结构，在此结构中，中间的样品层折射率最高，上下两层金属膜，折射率较低；这样，就将待测样本置于波导结构的导波层中，极大的提高了测量的灵敏度。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：激光器、上层衬底、上层金属膜、样品腔、下层金属膜、下层衬底、环形垫圈、导入导管、导出导管。上层衬底位于顶部，上层金属膜附着在其下表面上；上层金属膜之下紧贴着环形垫圈，环形垫圈之下紧贴着下层金属膜，下层金属膜附着在下层衬底上；上层衬底、上层金属膜组成的结合体与下层衬底、下层金属膜组成的结合体及两者之间的环形垫圈组成三层夹心结构，其中，环形垫圈位于中间；环形垫圈内部被上层金属膜和下层金属膜封闭的部分即为样品腔；上层金属膜、样品腔中的待测样本和下层金属膜组成波导结构，激光器输出的激光束经过扩束及聚焦后形成聚焦光束入射到上述波导结构中，下层衬底和下层金属膜上开有小孔，其中插入导入导管、导出导管，并连通样品腔；待测样本由导入导管导入样品腔，由导出导管导出样品腔。
上述装置中，上下层金属膜材料选择银、金、铝、铜，要求其在光频范围内介电常数实部εr≤-8，介电常数虚部εi≤5.0；上层金属膜的厚度在5nm～70nm之间，下层金属膜厚度大于10nm；样品腔的厚度由环形垫圈决定，在10μm～2mm之间；上层衬底材料为对于工作波长透明的介质，形状为棱镜、透镜、厚度在1mm以下的平板中的一种；激光器的工作波长在560nm～1300nm范围内选择，激光器输出的激光束经过扩束及聚焦后形成聚焦光束入射到上述波导结构中。
该装置工作时，上层金属膜、样品腔中的待测样本和下层金属膜组成波导结构，其中，样品腔中的待测样本折射率最高，为导波层，上层金属膜和下层金属膜为覆盖层。在上述波导结构的另一侧检测反射光斑，通过监测反射光斑中明暗条纹的变化，并将之与标准样本的条纹作对比，就可实现检测上述波导结构中样品腔中待测液体、气体样本的温度、吸收、浓度、组分和折射率的变化。
在本发明波导结构中，中间一层材料的折射率最高，两边次之，中间的一层叫做导波层，两边称为包覆层或覆盖层。在这种结构中，光波以振荡场形式在导波层中传播，光波的能量集中在这里，与导波层介质的相互作用也最强。因此，如果将待测样本置于波导的导波层中，就能显著的提高探测的灵敏度。
激光光束聚焦入射到上述波导结构中，某个入射角度的光信号如果恰能满足波导耦合条件，就会被耦合到波导结构中，而其他入射角度的光信号会被反射出来。并且，由于波导耦合条件具有准周期性的特征，这样，入射光中就会有一系列角度的光被耦合到波导中，于是就会形成明暗相间的条纹状反射光斑。导波层的折射率是决定波导耦合条件的主要因素之一，因此，当样品腔中作为波导层的待测样本的折射率发生微小变化时，波导耦合条件也会发生相应的变化，从而带来反射光斑中明暗条纹的变化。而样品层的折射率又与样品腔中待测液体、气体样本的温度、吸收、浓度和组分等特性密切相关，这就使得通过检测明暗条纹的变化来对上述特性的变化进行测量成为可能。
本发明中，创造性的将待测样本置于光波导结构的导波层中，并通过检测反射光斑中明暗条纹的变化来对液体、气体样本的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化做出检测，显著的提高了探测的灵敏度；并且由于这种结构对于探测光的偏振特性不敏感，也降低了对于探测光路的要求。
本发明广泛应用于多种液体或气体的温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的测量，尤其是生化反应中实时浓度测量和反应过程检测。本发明实现了高灵敏度、低消耗量、快速实时的测量。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图
具体实施方式
如图1所示，结合附图提供以下实例：
实例1：
上层衬底2位于顶部，选用玻璃平板，折射率为1.5，厚度为0.2mm；上层金属膜3附着在其下表面上，厚度为5nm，；上层金属膜之下紧贴着环形垫圈8，厚度为1mm；环形垫圈8之下紧贴着下层金属膜5，下层金属膜5厚度为10nm附着在下层衬底6上；上层衬底2、上层金属膜3组成的结合体与下层衬底6、下层金属膜5组成的结合体及两者之间的环形垫圈8组成三层夹心结构，其中，环形垫圈8位于中间；环形垫圈8内部被上层金属膜3和下层金属膜5封闭的部分即为样品腔4；厚度也是1mm；待测样本由导入导管9导入样品腔4，由导出导管10导出样品腔4。上下层金属膜材料采用金(560.0nm波长下ε＝-8.2+i1.79)，样品采用纯水，介电系数(折射率的平方)为1.77。
该装置工作时，上层金属膜3、样品腔4中的待测样本和下层金属膜5组成波导结构，其中，样品腔4中的待测样本折射率最高，为导波层，上层金属膜3和下层金属膜4为覆盖层。
入射的激光束1波长为560.0nm，扩束后聚焦入射到上述结构中，入射角为2°，反射光斑中出现明暗相间的条纹。
在上述波导结构的另一侧检测反射光斑7，并记录其明暗条纹移动的角度。
根据计算表明对样品介电系数(折射率的平方)的检测可以达到2×10-6(明暗条纹移动0.632×10-3度)。样品腔内不同样品介电系数和明暗条纹的移动变化列在下表中。
| 样品介电系数 | 明暗条纹移动(千分之一度) |
| 1.77+4×10-61.77+2×10-61.771.77-2×10-61.77-4×10-6 | 1.2640.6320.000.6321.263 |
实例2：
上层衬底2位于顶部，选用玻璃平板，折射率为1.5，厚度为1mm；上层金属膜3附着在其下表面上，厚度为25nm，；上层金属膜之下紧贴着环形垫圈8，厚度为2mm；环形垫圈8之下紧贴着下层金属膜5，下层金属膜5厚度为32nm附着在下层衬底6上；上层衬底2、上层金属膜3组成的结合体与下层衬底6、下层金属膜5组成的结合体及两者之间的环形垫圈8组成三层夹心结构，其中，环形垫圈8位于中间；环形垫圈8内部被上层金属膜3和下层金属膜5封闭的部分即为样品腔4；厚度也是2mm；待测样本由导入导管9导入样品腔4，由导出导管10导出样品腔4。上下层金属膜材料采用金(690.0nm波长下ε＝-14.4+i1.22)，样品采用空气，介电系数(折射率的平方)为1.00。
该装置工作时，上层金属膜3、样品腔4中的待测样本和下层金属膜5组成波导结构，其中，样品腔4中的待测样本折射率最高，为导波层，上层金属膜3和下层金属膜4为覆盖层。
入射的激光束1波长为560.0nm，扩束后聚焦入射到上述结构中，入射角为2°，反射光斑中出现明暗相间的条纹。
在上述波导结构的另一侧检测反射光斑7，并记录其明暗条纹移动的角度。
根据计算表明对样品介电系数(折射率的平方)的检测可以达到1×10-6(明暗条纹移动0.775×10-3度)。样品腔内不同样品介电系数和明暗条纹的移动变化列在下表中。
| 样品介电系数 | 明暗条纹移动(千分之一度) |
| 1.00+2×10-61.00+1×10-61.001.00-1×10-61.00-2×10-6 | 1.5500.7750.000.7751.550 |
实例3：
上层衬底2位于顶部，选用玻璃棱镜，折射率为1.8；上层金属膜3附着在其下表面上，厚度为60nm，；上层金属膜之下紧贴着环形垫圈8，厚度为10μm；环形垫圈8之下紧贴着下层金属膜5，下层金属膜5厚度为90nm附着在下层衬底6上；上层衬底2、上层金属膜3组成的结合体与下层衬底6、下层金属膜5组成的结合体及两者之间的环形垫圈8组成三层夹心结构，其中，环形垫圈8位于中间；环形垫圈8内部被上层金属膜3和下层金属膜5封闭的部分即为样品腔4；厚度也是10μm；待测样本由导入导管9导入样品腔4，由导出导管10导出样品腔4。上下层金属膜材料采用金(1300.0nm波长下ε＝-67.9+i6.6)，样品采用纯水，介电系数(折射率的平方)为1.77。
该装置工作时，上层金属膜3、样品腔4中的待测样本和下层金属膜5组成波导结构，其中，样品腔4中的待测样本折射率最高，为导波层，上层金属膜3和下层金属膜4为覆盖层。
入射的激光束1波长为1300.0nm，扩束后聚焦入射到上述结构中，入射角为30°，反射光斑中出现明暗相间的条纹。
在上述波导结构的另一侧检测反射光斑7，并记录其明暗条纹移动的角度。
根据计算表明对样品介电系数(折射率的平方)的检测可以达到2×10-5(明暗条纹移动0.402×10-3度)。样品腔内不同样品介电系数和明暗条纹的移动变化列在下表中。
| 样品介电系数 | 明暗条纹移动(千分之一度) |
| 1.77+4×10-51.77+2×10-51.771.77-2×10-51.77-4×10-5 | 0.8040.4020.0000.4020.804 |
Claims (8)
1、一种测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置，包括：激光器(1)、上层衬底(2)、上层金属膜(3)、样品腔(4)、下层金属膜(5)、下层衬底(6)、环形垫圈(8)、导入导管(9)、导出导管(10)，其特征在于，上层衬底(2)位于顶部，上层金属膜(3)附着在其下表面上，上层金属膜之下紧贴着环形垫圈(8)，环形垫圈(8)之下紧贴着下层金属膜(5)，下层金属膜(5)附着在下层衬底(6)上，上层衬底(2)、上层金属膜(3)组成的结合体与下层衬底(6)、下层金属膜(5)组成的结合体及两者之间的环形垫圈(8)组成三层夹心结构，其中，环形垫圈(8)位于中间，环形垫圈(8)内部被上层金属膜(3)和下层金属膜(5)封闭的部分即为样品腔(4)，上层金属膜(3)、样品腔(4)中的待测样本和下层金属膜(5)组成波导结构，激光器(1)输出的激光束经过扩束及聚焦后形成聚焦光束入射到该波导结构中，下层衬底(6)和下层金属膜(5)上开有小孔，其中插入导入导管(9)、导出导管(10)，连通样品腔(4)。
2、根据权利要求1所述的测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置，其特征是，上下层金属膜(3、5)材料选择银、金、铝、铜，其在光频范围内介电常数实部εr≤-8，介电常数虚部εi≤5.0。
3、根据权利要求1或者2所述的测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置，其特征是，上层金属膜(3)的厚度在5nm～70nm之间。
4、根据权利要求1或者2所述的测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置，其特征是，下层金属膜(5)厚度大于10nm。
5、根据权利要求1所述的测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置，其特征是，样品腔(4)的厚度由环形垫圈(8)决定，在10μm～2mm之间。
6、根据权利要求1所述的测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置，其特征是，上层衬底(2)材料为对于工作波长透明的介质，形状为棱镜、透镜、厚度在1mm以下平板中的一种。
7、根据权利要求1所述的测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置，其特征是，激光器(1)的工作波长在560nm～1300nm范围内。
8、根据权利要求1所述的测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置，其特征是，上层金属膜(3)、样品腔(4)中的待测样本和下层金属膜(5)组成波导结构，其中，样品腔(4)中的待测样本折射率最高，为导波层，上层金属膜(3)和下层金属膜(4)为覆盖层。
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| CN 200510030764 CN1758049A (zh) | 2005-10-27 | 2005-10-27 | 测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN 200510030764 CN1758049A (zh) | 2005-10-27 | 2005-10-27 | 测量气液体温度、吸收、浓度、组分和折射率变化的装置 |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102967583A (zh) * | 2012-11-11 | 2013-03-13 | 华中科技大学 | 一种用于测量液相气体折射率的测量仪及方法 |
| CN105548093A (zh) * | 2016-01-23 | 2016-05-04 | 宜春学院 | 一种高灵敏度振荡场光波导传感器 |
| CN105891152A (zh) * | 2014-10-01 | 2016-08-24 | 上海光刻电子科技有限公司 | 一种大量程折射率测量的方法 |
-
2005
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