CN218382395U - 一种基于棱镜的spr传感器及抗生素浓度检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于棱镜的SPR传感器，包括棱镜；所述棱镜具有第一表面和第二表面；所述第一表面和第二表面均为平面，呈一夹角β，β大于0；所述第一表面镀有SPR金属膜；所述第二表面镀有反射膜。本实用新型公开了一种抗生素浓度检测系统，包括所述的基于棱镜的SPR传感器、光源、准直透镜组、偏振器和耦合透镜。本实用新型的基于棱镜的SPR传感器灵敏度高，具有温度自补偿能力；本实用新型的生素浓度检测系统，实现抗生素的自补偿检测，操作简单，可实时监测抗生素的浓度，并且具有免标记的优势。

Description

一种基于棱镜的SPR传感器及抗生素浓度检测系统

技术领域

本实用新型涉及SPR传感器，特别涉及一种基于棱镜的SPR传感器及抗生素浓度检测系统。

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，SPR传感器原理为：表面等离子体(SP)是沿着金属和电介质间界面传播的电磁波形成的。当平行表面的偏振光以称之为表面等离子体共振角入射在界面上，发生衰减全反射时，入射光被耦合入表面等离子体内，光能大量被吸收，在这个角度上由于表面等离子体共振引起界面反射光显著减少。由于SPR对金属表面电介质的折射率非常敏感，不同电介质其表面等离子体共振角不同。同种电介质，其附在金属表面的量不同，则SPR的响应强度不同。

近年来，SPR在化学和生物传感领域得到了广泛的应用，并且随着检测需求的提高，对SPR传感器的灵敏度和稳定性提出了更高的要求。为当传感器的灵敏度达到一个相对较高的值时，外界温度的变化会影响检测的准确性。为了补偿温度的变化，Xiao等人提出了角度和强度调制相结合的方法来测量样品的折射率和温度，从而达到温度补偿的目的，但需要两个激光器同时提供光源，系统比较复杂。Luo等人提出了角度调制和波长调制相结合的温度补偿方法，但需要多次调整入射光的角度，而且测试方法繁琐。

现有技术中，筛选抗生素残留的常规方法是微生物测定法、酶联免疫吸附法和仪器分析方法。微生物学测定法廉价且易于操作，但具有灵敏度低、特异性差等缺点；并且这些方法基于被测细菌的代谢，不可避免需要较长的测试时间。酶联免疫吸附法节省时间，灵敏度高，特异性好，但对操作细节的要求较高。仪器分析法如高效液相色谱法具有准确、量化的优点，但需要专业的技术、昂贵的设备和复杂的样品预处理。

实用新型内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本实用新型的目的在于提供一种基于棱镜的SPR传感器，灵敏度高，具有温度自补偿能力。

本实用新型的另一目的在于提供一种抗生素浓度检测系统，实现抗生素的自补偿检测，提高并实现低浓度的抗生素检测的准确性。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

一种基于棱镜的SPR传感器，包括棱镜；

所述棱镜具有第一表面和第二表面；所述第一表面和第二表面均为平面，呈一夹角β，β大于0；所述第一表面镀有SPR金属膜；所述第二表面镀有反射膜；

优选的，所述棱镜呈桥楔形，底部设有一开口向下的槽状开口，所述槽状开口的顶部为第二表面。

优选的，所述棱镜的前表面、后表面相互平行；所述楔形棱镜的上表面与前表面垂直；所述第一表面为棱镜的上表面。

优选的，所述棱镜的上表面与左表面、右表面的夹角均为锐角。

优选的，所述棱镜的左表面或右表面为光的入射面。

优选的，所述SPR金属膜为金薄膜或银薄膜或铜薄膜。

优选的，所述反射膜为银薄膜。

优选的，所述反射膜的厚度为150～250nm。

优选的，所述槽状开口的横截面为方形。

一种抗生素浓度检测系统，包括所述的基于棱镜的SPR传感器、光源、准直透镜组、光谱仪、红外偏振器和耦合透镜；

所述光源通过光纤与准直透镜组连接；所述耦合透镜通过光纤与光谱仪连接；

所述准直透镜组、红外偏振器、基于棱镜的SPR传感器、耦合透镜依次排列。

本实用新型的基于棱镜的SPR传感器的工作原理为：

偏振光垂直于桥楔形棱镜的侧面以第一入射角θ₁入射到SPR金属膜上，形成第一共振谷；在桥楔形棱镜上表面反射后，由于反射镜的倾斜角度β，光束以第二入射角θ₂的再次入射到SPR金属膜，形成第二共振谷，从而形成两个传感区域，并垂直于桥楔形棱镜的另一侧表面射出。通过调整棱镜的入射角和倾角β，在SPR传感器上产生两个具有高灵敏度的共振谷，并且它们可以被明确区分开来。传感器的灵敏度越高，受环境温度变化的影响就越大，而桥楔形棱镜可以通过两个共振谷对温度进行补偿。

本实用新型的抗生素浓度检测系统的工作流程为：

在SPR金属膜上化学修饰抗生素抗体；

配置不同浓度的抗生素溶液；

将不同浓度的抗生素溶液通入所述的基于棱镜的SPR传感器，测试每个浓度的抗生素溶液对应的共振波长漂移量，并得到共振波长总漂移量与抗生素溶液浓度的对应关系；

将待测抗生素溶液通入所述的基于棱镜的SPR传感器，测试该待测抗生素溶液对应的共振波长漂移量，根据得到共振波长总漂移量与抗生素溶液浓度的对应关系得到该待测抗生素溶液的浓度测试结果。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

(1)本实用新型的于棱镜的SPR传感器，灵敏度高，可通过调整棱镜的入射角和倾角，在一个传感器中形成两个级联的低串扰、高灵敏的传感区域，其最高折射率灵敏度达到43166.7nm/RIU。

(2)本实用新型的于棱镜的SPR传感器，在相同的金属厚度和入射角的情况下，比传统的楔形棱镜尺寸缩小了62.6％，有利于减少生物检测所需的样品量。

(3)本实用新型的基于棱镜的SPR传感器中的棱镜通过在传统楔形的底部设置开口向下的槽状开口，形成桥楔形，两个桥墩的设计方便了棱镜的安装和对反射银镜进行保护。

(4)本实用新型的抗生素浓度检测系统，通过对两个传感区域的同时检测，结合折射率灵敏度和温度灵敏度，利用灵敏度矩阵实现温度的自补偿，补偿后的测量误差最多可以降低两个数量级，从0.19％减少到0.007％。

(5)本实用新型的抗生素浓度检测系统，实现抗生素的自补偿检测，具有实时和免标记的优势。

附图说明

图1传统的楔形棱镜的示意图。

图2为本实用新型的基于棱镜的SPR传感器的桥楔形棱镜的立体结构示意图。

图3为本实用新型的基于棱镜的SPR传感器的桥楔形棱镜的主视图。

图4为本实用新型的基于棱镜的SPR传感器的桥楔形棱镜的仰视图。

图5为本实用新型的抗生素浓度检测系统的光路图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

图1为传统的楔形棱镜的结构示意图。传统的楔形棱镜具有相互平行的上、下表面；相互平行的前、后表面；前、后表面垂直于上、下表面，左、右侧面为斜面；上表面与左表面、右表面的夹角均为锐角。

本实施例的基于棱镜的SPR传感器，包括棱镜SPR金属膜，其中，棱镜为桥楔形棱镜(如图2～4所示)，在传统楔形棱镜的底部设置一横截面为方形的槽状开口得到。棱镜的前表面、后表面相互平行；桥楔形棱镜的上表面与前表面垂直；桥楔形棱镜的上表面12与槽状开口的顶部11，呈一夹角β，β大于0。楔形棱镜的上表面镀有SPR金属膜；槽状开口的顶部镀有反射膜。

在本实施例中，桥楔形棱镜由K9玻璃制成，SPR金属膜为厚度为50纳米的金薄膜；反射膜为银薄膜，厚度为150～250nm。

在本实施例中，桥楔形棱镜的倾角设为1°，因此设计的桥楔形棱镜的入射角为65°和63°。传感区域的棱镜厚度设定为10毫米，两个传感区域之间的距离为14.58毫米。相同的金属厚度和入射角的情况下，传统楔形棱镜的两个感应区之间的距离是38.97毫米。可见，本实施例的桥楔形棱镜比传统的楔形棱镜尺寸缩小了62.6％，这有利于减少生物检测所需的样品量。此外，两个桥墩的设计方便了棱镜的安装和对反射银镜进行保护。

本实施例使用有限元法对桥楔形棱镜进行以下理论及仿真分析，具体的仿真过程为：

S1：根据光谱仪可测量范围，仿真的波长范围被设置为700～1700纳米，步长为1纳米；

S2：根据实验选择SPR金属材料为50纳米的金薄膜；

S3：使用棱镜型的Kretschmann结构，分别设置不同的入射角数值和折射率基底，得到对应的透射谱线；

S4：由于楔形棱镜的底部存在倾角，两次入射的角度不同，所以出射光的反射率可以表示为：

R＝R₁R₂

其中R1和R2分别指P偏振光在两个传感区域的反射率。根据上述仿真过程，计算出了一系列楔形SPR传感器的反射光谱，其中待测液体的折射率为1.331至1.343RIU，步长为0.03RIU，由仿真结果可知，在环境折射率为1.331RIU时，65°入射角产生的SPR-1共振波长为890nm，在63°入射角产生的SPR-2共振波长为1213nm，两个谷之间几乎没有串扰。随着外部RI的增加，SPR的光谱逐渐红移，SPR-1产生的共振波长从890nm漂移到1022nm，折射率灵敏度为8683.3nm/RIU(1.331-1.337RIU)和13266.7nm/RIU(1.337-1.343RIU)；而SPR-2产生的共振波长从1213nm漂移到1632nm，折射率灵敏度为26666.7nm/RIU(1.331-1.337RIU)和43166.7nm/RIU(1.337-1.343RIU)。

本实施例的桥楔形棱镜通过改变入射角，以简单的金膜结构实现了更高的灵敏度，优于其他方式增敏的SPR传感器，如MoS₂双金属层、氧化石墨烯纳米片、近红外SPR@65°和基于双曲超材料的SPR传感器(表1)。

表1不同增敏方式的SPR传感器的比较

实施例2

图5是本实施例的抗生素浓度检测系统的光路图，包括光源1、准直透镜组2、红外偏振器3、基于棱镜的SPR传感器4、耦合透镜5和光谱仪6；光源通过光纤与准直透镜组连接；所述耦合透镜通过光纤与光谱仪连接；准直透镜组、红外偏振器、基于棱镜的SPR传感器、耦合透镜依次排列。图中箭头表示光束运动的方向。

本实施例的抗生素浓度检测系统具体的光路传输过程为：

L1：从光源出射的光由光纤耦合后射出，并由准直透镜组进行准直；

L2：准直后的光束通过一个红外偏振器产生的P型偏振光；

L3：光束垂直于桥楔形棱镜的一个侧面以第一入射角θ₁入射到SPR金属膜上，形成第一共振谷SPR-1；

L4：在银镜上反射后，由于反射镜的倾斜角度β，光束以第二入射角θ₂的再次入射到SPR金属膜，形成第二共振谷SPR-2，从而形成两个传感区域；

L5：光束垂直于桥楔形棱镜的另一侧表面射出并通过耦合透镜将出射光耦合到接收光纤上并被光谱仪接收。

本实施例的抗生素浓度检测系统，可通过两个共振谷对温度进行补偿。由于SPR共振波长对温度和折射率的灵敏度取决于入射角，所以通过测量两个不同入射角下的SPR波长响应，可以确定温度和折射率的变化情况。在两个选定的入射角下，温度和折射率同时变化所导致的总波长变化表示如下。

其中，Δλ₁和Δλ₂分别对应于入射角θ₁和θ₂产生的波长漂移，Δn和ΔT分别对应于外界折射率和温度的变化量。M是一个考虑了RI变化和温度变化的交叉灵敏度的满矢矩阵(灵敏度矩阵)，其中m_ni和m_Ti(i＝1，2)分别是SPR传感器的折射率和温度灵敏度。从公式(1)中，RI和温度随波长漂移的变化可以通过求逆矩阵得到。值得注意的是，这个灵敏度矩阵总是可逆的，因为SPR共振波长对不同角度的RI和温度变化都有不同的灵敏度。因此，以1.331RIU为例，折射率和温度的变化可以通过两个入射角的波长漂移来计算：

只要计算了两个入射角的SPR波长漂移，就可以通过逆矩阵计算出折射率和温度的变化量。

本实施例的抗生素浓度检测系统在不同折射率下的温度自补偿过程如下：

N1：用UV胶和玻璃片在镀有SPR金属薄膜的桥楔形棱镜上制作出一个2厘米高的反应池。

N2：将带有反应池的桥楔形棱镜放置在实施例1的表面等离子体共振传感装置的光路中。

N3：将待测溶液在热台上加热到60℃，然后取5mL折射率溶液加入反应池中，温度从55℃降到25℃。

N4：在测试溶液中放置一个温度计以监测实时温度，每隔5℃记录一次光谱数据。

N5：随着温度的降低，测试溶液的折射率增加，而共振波长也会随之红移。计算两个入射角的SPR波长漂移，通过公式(2)的计算出折射率和温度的变化量，完成温度的自补偿。

本实施例的抗生素浓度检测系统的工作流程为：

在SPR金属膜上化学修饰抗生素抗体；

配置不同浓度的抗生素溶液；

将不同浓度的抗生素溶液通入所述的基于棱镜的SPR传感器，测试每个浓度的抗生素溶液对应的共振波长漂移量，并得到共振波长总漂移量与抗生素溶液浓度的对应关系；

将待测抗生素溶液通入所述的基于棱镜的SPR传感器，测试该待测抗生素溶液对应的共振波长漂移量，根据共振波长总漂移量与抗生素溶液浓度的对应关系得到该待测抗生素溶液的浓度测试结果。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于棱镜的SPR传感器，其特征在于，包括棱镜；

所述棱镜具有第一表面和第二表面；所述第一表面和第二表面均为平面，呈一夹角β，β大于0；所述第一表面镀有SPR金属膜；所述第二表面镀有反射膜。

2.根据权利要求1所述的基于棱镜的SPR传感器，其特征在于，所述棱镜呈桥楔形，底部设有一开口向下的槽状开口，所述槽状开口的顶部为第二表面。

3.根据权利要求2所述的基于棱镜的SPR传感器，其特征在于，所述棱镜的前表面、后表面相互平行；所述棱镜的上表面与前表面垂直；所述第一表面为棱镜的上表面。

4.根据权利要求3所述的基于棱镜的SPR传感器，其特征在于，所述棱镜的上表面与左表面、右表面的夹角均为锐角。

5.根据权利要求4所述的基于棱镜的SPR传感器，其特征在于，所述棱镜的左表面或右表面为光的入射面。

6.根据权利要求5所述的基于棱镜的SPR传感器，其特征在于，所述SPR金属膜为金薄膜或银薄膜或铜薄膜。

7.根据权利要求1所述的基于棱镜的SPR传感器，其特征在于，所述反射膜为银薄膜。

8.根据权利要求1或7所述的基于棱镜的SPR传感器，其特征在于，所述反射膜的厚度为150～250nm。

9.根据权利要求2所述的基于棱镜的SPR传感器，其特征在于，所述槽状开口的横截面为方形。

10.一种抗生素浓度检测系统，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的基于棱镜的SPR传感器、光源、准直透镜组、光谱仪、红外偏振器和耦合透镜；

所述光源通过光纤与准直透镜组连接；所述耦合透镜通过光纤与光谱仪连接；

所述准直透镜组、红外偏振器、基于棱镜的SPR传感器、耦合透镜依次排列。

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