CN2800268Y - 基于表面等离子波传感的双光束检测调制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于表面等离子波传感的双光束检测调制装置。它具有激光器，激光器通过光学组件分成第一光束、第二光束两束偏振光，入射到棱镜，在棱镜端面上蒸镀有Au膜，在Au膜上生长有生物敏感膜，生物敏感膜上设有被测样品流动池，在棱镜端面产生全反射，两束反射光分别进入到第一PD探测器、第二PD探测器。本实用新型既保留了表面等离子共振(SPR)传感技术的特点，同时又由于双光束SPR传感器不需要精密的扫描入射角度，简化了角度调整机构，避免了可动的传动部件带来的测试误差，增强了可操作性。由于检测的是两光束的光强信号，可以用光电二极管代替光谱仪或昂贵的CCD阵列，因而可大大降低系统的复杂性和制造成本，易于设计成便携式仪器。

Description

基于表面等离子波传感的双光束检测调制装置

技术领域

本实用新型涉及生物传感技术、光电检测技术，尤其涉及基于表面等离子波传感的双光束检测调制装置。

背景技术

一般表面等离子共振(SPR)的检测调制方法通常有以下四种：

1.角度调制  以固定的波长λ的光入射，改变入射光波的入射角θ，在某一被测折射率下，依据方程 $\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{pr}}}\frac{\mathrm{\ω}}{c}\sin \mathrm{\θ}=\sqrt{\frac{{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_1{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_2}{{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_1+{\widetilde{\mathrm{\ϵ}}}_2}}\left(\frac{\mathrm{\ω}}{c}\right),$ 总可以找到一个入射角θ，使之满足共振条件，产生表面等离子共振。当被测样品的折射率发生变化时，重新扫描入射角，寻找共振入射角，建立共振入射角与被测样品折射率之间的关系。角度调制方法的检测分辨率可以达到1×10^-7deg RIU^-1(RIU是折射率单元)。

2.波长调制  以固定的入射角θ入射，改变入射光波的波长λ。根据Drude的色散模型，对于基于棱镜的SPR传感器，不同的入射光波长对应不同的金属折射率ε_m和棱镜的折射率ε_pr。当被测样品的折射率一定时，扫描入射光波长，使之满足共振条件，产生表面等离子共振，建立共振入射光波长与被测样品折射率之间的关系。波长调制的检测分辨率与角度调制基本相同，比较适合于波导或光纤表面等离子检测方案。通常入射光往往采用白光源，检测装置用光谱仪或CCD器件。

3.强度调制  以固定的入射角θ、固定的入射波长λ入射，测量当折射率变化产生的光强变化，建立传输光强与折射率之间的关系。强度调制检测方法，结构非常简单，检测装置价格也十分低廉，但是系统的稳定性差，无法区别检测光强信号变化是由折射率变化引起的还是检测装置的误差产生的，检测系统的抗干扰性不好和检测灵敏度低。

4.相位调制  先扫描入射角θ，寻找被测样品的折射率一定时的表面等离子共振入射角，此时固定共振时入射θ，然后测量在此折射率下的共振相位，当被测样品的折射率变化时重复上述过程，建立共振相位和折射率之间关系，根据这种关系就可以得到被测样品的折射率大小。相位调制是一种极具有发展潜力的检测方法，它有较好的信噪比和较高的检测灵敏度，缺点是系统的检测装置复杂，难于实现表面等离子共振传感仪器的便携化。

角度调制、波长调制和强度调制技术已经十分成熟，这些技术已经在表面等离子共振(SPR)传感测试仪器以及所设计的监测分析系统中广泛采用。尽管角度调整方法检测精度高，但由于表面等离子共振角度调制方法需要一套高精度的角度调整装置，不方便用于现场在线监测等。本实用新型专利是在对表面等离子共振传感器的检测技术进行系统分析和实验研究后，提出的一种基于表面等离子波传感原理的双光束检测调制技术。表面等离子波传感器的双光束检测调制原理是：采用两个固定入射角θ₁和θ₂入射，两束光波作用到棱镜端面的金属Au膜与被测物质的分界面后产生反射，分别用两个光电探测器检测其反射光强，建立两束反射光强与被测样品折射率之间的关系，即可以获得被测样品的折射率的值。双光束检测调制装置无需在测试中进行角度扫描，只需要在检测前根据计算值调整入射光的角度。在双光束检测系统中，用光电二极管代替了通常使用的光谱仪或光功率计作反射光信号探测器，因此大大简化了系统的复杂性，降低了系统制造成本，满足了检测系统的高分辨率的要求。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种不降低传感器的分辨率和测试精度的基于表面等离子波传感的双光束检测调制装置。

它具有激光器，激光器通过光学组件分成第一光束、第二光束两束偏振光，入射到棱镜，在棱镜端面上蒸镀有Au膜，在Au膜上生长有生物敏感膜，生物敏感膜上设有被测样品流动池，在棱镜端面产生全反射，两束反射光分别进入到第一PD探测器、第二PD探测器。

Au膜的厚度为40～60nm。棱镜为K9玻璃等腰三角棱镜。

本实用新型既保留了表面等离子共振(SPR)传感技术的特点，同时又由于双光束SPR传感器不需要精密的扫描入射角度，简化了角度调整机构，避免了可动的传动部件带来的测试误差，增强了可操作性。由于检测的是两光束的光强信号，可以用光电二极管代替光谱仪或昂贵的CCD阵列，因而可大大降低系统的复杂性和制造成本，易于设计成便携式仪器。

附图说明

附图是基于表面等离子波传感的双光束检测调制装置结构示意图，图中：激光器1、棱镜2、光学组件3、第一光束4、第二光束5、第一PD光探测器6、第二PD光探测器7、金膜8、生物质敏感膜9、被测样品流动池10。

具体实施方式

如附图所示，基于表面等离子波传感的双光束检测调制装置具有激光器(激光二极管)1，激光器通过光学组件(包括光束准直器、偏振器和分束器)3分成第一光束4、第二光束5两束偏振光，入射到棱镜2，在棱镜2端面上蒸镀有Au膜8，在Au膜上生长有生物敏感膜9，生物敏感膜9上设有被测样品流动池10，在棱镜2端面产生全反射，两束反射光分别进入到第一PD探测器6、第二PD探测器7。Au膜8的厚度为40～60nm。棱镜2为K9玻璃等腰三角棱镜。

在棱镜端面采用磁控溅射蒸镀40～60nm的Au膜8，在Au膜上生长一层生物质敏感膜9，如免疫检测中的抗体等，盛有被测样品的流动池10置于Au膜8的上表面。激光器1通过包括准直器、偏振器和分束器在内的光学组件3，产生两束光波，第一光束4和第二光束5，两光束分别以共振角附近的角度入射到棱镜的端面——Au膜与被测样品的界面，第一PD光电探测器6和第二PD光电探测器7获取两束反射光的功率值p(θ₁)和p(θ₂)。当样品流动池10中被分析的物质与生物敏感膜9相结合时产生折射率变化，计算此时两束反射光的功率差值Δp＝|p(θ₁)-p(θ₂)|，样品浓度变化引起的折射率变化分别对应不同的Δp值，建立Δp与被测样品的折射率值之间的关系，由此关系通过标定则可以获得被测样品的浓度值。

Claims (3)

1.一种基于表面等离子波传感的双光束检测调制装置，其特征在于，它具有激光器(1)，激光器通过光学组件(3)分成第一光束(4)、第二光束(5)两束偏振光，入射到棱镜(2)，在棱镜(2)端面上蒸镀有Au膜(8)，在Au膜上生长有生物敏感膜(9)，生物敏感膜(9)上设有被测样品流动池(10)，在棱镜(2)端面产生全反射，两束反射光分别进入到第一PD探测器(6)、第二PD探测器(7)。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子波传感的双光束检测调制装置，其特征在于，所述的Au膜(8)的厚度为40～60nm。

3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子波传感的双光束检测调制装置，其特征在于，所述的棱镜(2)为K9玻璃等腰三角棱镜。

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