專利名稱：串聯(lián)分布式棱鏡spr傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于表面等離子體波傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體為串聯(lián)分布式棱鏡型表面 等離子體波傳感器。
背景技術(shù)：
表面等離子體波共振(以下簡稱SPR)效應(yīng)是一種發(fā)生在金屬與電介質(zhì)界面 上的物理光學(xué)現(xiàn)象，它對(duì)附著在金屬表面電介質(zhì)的折射率變化非常敏感。自從 1983年瑞典人Liedberg首次將SPR效應(yīng)應(yīng)用于IgG蛋白質(zhì)與其抗原的相互作用 反應(yīng)的測定，基于SPR效應(yīng)的傳感器已在環(huán)境監(jiān)測、生化檢測以及食品科學(xué)等多 個(gè)領(lǐng)域得到各國科研人員的極大重視。
棱鏡SPR傳感器是其中發(fā)展最為成熟，應(yīng)用最為廣泛的一類，并主要基于角 度調(diào)制型和相位調(diào)制型檢測方法。這兩種方法雖然檢測精度高，但是結(jié)抅復(fù)雜、 儀器笨重、價(jià)格昂貴，于是逐漸發(fā)展出了波長調(diào)制型檢測系統(tǒng)。該方法檢測精度 略低，但結(jié)構(gòu)簡單易操作，價(jià)格便宜，適用于大規(guī)模配置在惡劣的檢測環(huán)境中。 美國熱電公司子光譜部以其10年傅立葉變換紅外技術(shù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)合最新的SPR技術(shù) 研制了單通道波長調(diào)制型棱鏡SPR傳感器檢測模塊-SPR100，其典型結(jié)構(gòu)依次由 寬帶光源、多膜光纖、P型偏振分光棱鏡、單個(gè)棱鏡SPR傳感器、聚焦透鏡、多 模光纖耦合器、光譜儀、USB數(shù)據(jù)線和計(jì)算機(jī)組成。
在實(shí)際測量環(huán)境中，被測參量往往呈現(xiàn)一定空間分布，或者是多個(gè)被測參量 共存于同一環(huán)境，而單通道波長調(diào)制型棱鏡SPR傳感器檢測系統(tǒng)一次只能檢測一 個(gè)目標(biāo)參量，無法實(shí)現(xiàn)有效、快捷的檢測。所以，為獲得這一類實(shí)測對(duì)象比較完 整的信息，實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測多個(gè)檢測環(huán)境或同一環(huán)境的多個(gè)目標(biāo)參量，需研制具備 高集成度、高通量、多組分和多位點(diǎn)同時(shí)測定能力的新型分布式SPR檢測系統(tǒng)。
美國華盛頓大學(xué)Jiri Homola等人2001年在《Sensors and Actuators B》 期干U上發(fā)表題為"A novel multichannel surface piasmon resonance biosensor"的文章，提出了雙通道棱鏡SPR傳感器結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖l所示。在SF14玻 璃制成的等腰直角棱鏡底部先增鍍一層金屬膜，然后在金屬膜的一半面積上蒸鍍 調(diào)制層，從而形成兩個(gè)分別基于Kretschmann三層模型和四層模型的獨(dú)立傳感區(qū) 域。當(dāng)不同的液體分別與兩傳感區(qū)接觸時(shí)，通過棱鏡入射到底面上的光可同時(shí)激 發(fā)兩次SPR效應(yīng)，表現(xiàn)在反射率光譜上就是在寬帶光源帶寬范圍內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè) 共振波谷，每一個(gè)共振波谷分別對(duì)應(yīng)一種待測液體。計(jì)算共振波谷對(duì)應(yīng)的共振波 長即可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測液體性質(zhì)的檢測。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是當(dāng)目標(biāo)參量增加時(shí)需要增 加鍍膜層數(shù)，膜系結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對(duì)鍍膜工藝要求更高。同時(shí)也不便于通過改變 自身參數(shù)來及時(shí)適應(yīng)更高的檢測分辨率要求。
南京航空航天大學(xué)曹振武等人2007年在《壓電與聲光》期刊上發(fā)表"基于 四棱鏡結(jié)構(gòu)的分布式SPR傳感器研究" 一文，提出了一種三通道分布式棱鏡SPR 傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過在四棱鏡的三個(gè)面上增鍍金屬薄膜，構(gòu)造了三 個(gè)傳感區(qū)域。當(dāng)光線從棱鏡下底面以一定角度入射時(shí)，可分別在三個(gè)面上激發(fā) SPR效應(yīng)，在寬帶光源帶寬范圍內(nèi)觀察到三個(gè)共振波谷，實(shí)現(xiàn)三通道分布式測量。 但是這種結(jié)構(gòu)需要在三個(gè)相交的面上鍍膜，不容易控制鍍膜厚度和鍍膜夾具角 度。而且需要通過在五棱鏡、六棱鏡等更復(fù)雜的棱鏡面上鍍膜來實(shí)現(xiàn)更高的通道 數(shù)，對(duì)鍍膜工藝要求較高。此外，不便于通過改變自身結(jié)構(gòu)參數(shù)來適應(yīng)更高的檢 測分辨率要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于研制一種便于加工、便于通過改變自身結(jié)構(gòu)適應(yīng)更多檢測 參數(shù)和更髙檢測分辨率要求的分布式SPR傳感器檢測系統(tǒng)，從而提出了串聯(lián)分布 式棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，當(dāng)檢測精度或檢測分辨率 要求提高時(shí)，容易通過將單個(gè)棱鏡SPR傳感器置換為不同調(diào)制層厚度、同樣尺寸 的其他棱鏡SPR傳感器適應(yīng)要求變化。
一種串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)，依次由寬帶光源、多模光纖、P型偏 振分光棱鏡、棱鏡SPR傳感器、聚焦透鏡、多模光纖耦合器、光譜儀、USB數(shù)據(jù) 線、計(jì)算機(jī)組成；其特征在于上述棱鏡SPR傳感器由多個(gè)完全相同的單通道等 腰直角棱鏡SPR傳感器依次按照正立一倒置的方式等間距串聯(lián)排布，且該間距大于O,小于等于l/3等腰直角棱鏡腰長。
本發(fā)明的分布式棱鏡SPR傳感系統(tǒng)工作原理是寬帶光源發(fā)出的光通過多模 光纖入射到偏振分光棱鏡，經(jīng)偏振分光棱鏡分光得到的P偏振光以一定的角度入 射到串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器組上，并在每個(gè)單通道棱鏡SPR傳感器底面上都 激發(fā)出SPR效應(yīng)。此時(shí)入射光中P偏振光分量的大部分能量耦合到表面等離子體 波中，導(dǎo)致某些特定波段的光子能量因滿足共振條件而發(fā)生能量衰減，于是在寬 帶光源帶寬范圍內(nèi)形成多個(gè)SPR共振波谷。
共振波谷個(gè)數(shù)的主要影響因素是串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器組所使用的單 通道棱鏡SPR傳感器個(gè)數(shù)n,而在寬帶光源帶寬范圍內(nèi)所能檢測到的共振波谷個(gè) 數(shù)主要由各個(gè)單通道棱鏡SPR傳感器調(diào)制層材料和厚度決定，這也決定了系統(tǒng)的 檢測分辨率。
P偏振光和S偏振光入射光波的電場可分解成兩個(gè)相互正交的偏振光分量 把平行于入射面，與界面垂直的波稱為P偏振波；把垂直于入射面、與界面平行 的波稱為S偏振波。S偏振光的電場與界面平行，不會(huì)激勵(lì)起表面等離子體波。 當(dāng)P偏振光以全反射臨界角從光密媒質(zhì)入射到光疏媒質(zhì)時(shí)，光疏媒質(zhì)中的折射光 波將沿著平行于界面?zhèn)鞑バ纬少渴挪?，激起表面電子密度起伏并形成局限于金?表面的表面等離子體波。
共振波長利用入射光中的P偏振光在玻璃與金屬薄膜界面處發(fā)生全內(nèi)反射 時(shí)滲透到金屬薄膜內(nèi)的消失波，引發(fā)金屬中的自由電子產(chǎn)生表面等離子體共振。 當(dāng)發(fā)生共振時(shí)界面處的全反射條件將被破壞,入射光能量被金屬表面電子吸收， 使反射光能量急劇下降，表現(xiàn)在反射光譜中出現(xiàn)一個(gè)波谷，此波谷對(duì)應(yīng)的波長即 為共振波長。
本發(fā)明的有益效果是
1. 加工多個(gè)單通道棱鏡SPR傳感器，制備過程中只需按照傳統(tǒng)分立棱鏡型SPR 傳感器的加工工藝進(jìn)行加工，并不增加加工難度，這與已有多通道分布式SPR 傳感器相比，簡化了制備工藝簡化，降低了加工成本；
2. 把多個(gè)單通道棱鏡SPR傳感器按照正立一倒置的形式進(jìn)行排布，得到多通道 串聯(lián)分布式SPR傳感器組，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)參量的測量，提高了檢測效率。
3. 當(dāng)檢目標(biāo)數(shù)或檢測分辨率要求提高時(shí)，可方便的通過增加單通道棱鏡SPR傳感器的數(shù)量和置換某幾個(gè)單通道棱鏡SPR傳感器為同等尺寸不同調(diào)制層厚度的 其他單通道棱鏡SPR傳感器來實(shí)現(xiàn)，靈活的滿足檢測要求。


圖l是雙通道棱鏡SPR傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
圖2是基于四棱鏡結(jié)構(gòu)的棱鏡SPR傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
圖3是串聯(lián)分布式棱鏡型SPR傳感器系統(tǒng)組成示意圖
圖4是分立棱鏡SPR傳感器組成示意圖
圖5是串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器組示意圖
圖6是五通道串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)光譜仿真圖
圖7是未經(jīng)調(diào)制層調(diào)節(jié)的六通道串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)光譜仿真圖
圖8是經(jīng)調(diào)制層厚度調(diào)節(jié)后的六通道串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)光譜仿
真圖
圖9是經(jīng)調(diào)制層材料調(diào)節(jié)后的六通道串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)光譜仿
真圖
上述圖中的標(biāo)號(hào)名稱l.等腰直角棱鏡，2.金屬膜，3.調(diào)制層，4.四棱鏡， 5.金屬膜，6.寬帶光源，7.多模光纖，8.P型偏振分光棱鏡，9.串聯(lián)分布式棱鏡 SPR傳感器組，10.聚焦透鏡，11.多模光纖，12.光譜儀，13.USB數(shù)據(jù)線，14. 計(jì)算機(jī)，15.等腰直角棱鏡，16.金屬膜，17.調(diào)制層，18.樣品池，19.第一棱鏡 SPR傳感器，20.第二棱鏡SPR傳感器，21.第三棱鏡SPR傳感器，22.棱鏡SPR 傳感器n 。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明利用SPR效應(yīng)對(duì)環(huán)境介質(zhì)折射率變化分辨率高、響應(yīng)快、高通量、敏 感、特異、簡便、對(duì)樣品本身無損傷等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物、化學(xué)、生命科學(xué)、環(huán) 境等領(lǐng)域的監(jiān)測研究，并可獲得許多其他方法難以獲得的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)；同時(shí)釆用 分布式的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)檢測環(huán)境或同一檢測環(huán)境的多個(gè)目標(biāo)參量實(shí)時(shí)高通量 測定，提高檢測效率。
由圖3可知，本發(fā)明的串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感系統(tǒng)具體組成是，寬帶光源 1 (可用HL-2000卣鎢寬帶光源)發(fā)出的光經(jīng)多模光纖2進(jìn)入3,經(jīng)3后將S偏振光濾去，僅使P偏振光入射到基于Kretschmarm模型的串聯(lián)分布式棱鏡SPR 傳感器組4上，與待測樣本產(chǎn)生表面等離子波共振效應(yīng)后的透射光經(jīng)聚焦透鏡5 耦合入多模光纖6并傳入光譜儀7 (可用USB2000型光譜儀)上，上述光譜儀7 通過USB數(shù)據(jù)線8與計(jì)算機(jī)9相連，通過9輸出反射光強(qiáng)度與入射光波長之間的 關(guān)系曲線，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)待測樣本的測量。
圖4是棱鏡SPR傳感器組成示意圖。它包括等腰直角棱鏡10、金屬膜11 (如
金、銀等)、調(diào)制層12 (如化205、 7702等)和固連在棱鏡上的樣品池13。樣品
池主要用來盛裝待測電介質(zhì)樣品，保證樣品與金屬膜貼合。發(fā)明中考慮到只在棱 鏡基底鍍金屬膜不利于傳感器的重復(fù)使用，而且檢測共振波長帶寬不便于調(diào)節(jié)， 所以在金屬膜外側(cè)增鍍調(diào)制層。 一方面保護(hù)金膜表面的光潔度，另一方面便于調(diào) 節(jié)共振波長檢測帶寬，有靈活的置換性。
圖5是串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器組示意圖。將單獨(dú)的多個(gè)棱鏡型SPR傳感 器按照正立一倒置方式交替進(jìn)行串聯(lián)組合，引入更多的SPR傳感面，實(shí)現(xiàn)多通道 的同時(shí)檢測。按照一定的比例間距調(diào)整各個(gè)分立棱鏡SPR傳感器之間的距離，即 可使一東入射光依次通過折射和反射遍歷所有棱鏡，而且在每個(gè)傳感面上都以相 同入射角激發(fā)SPR效應(yīng)。在調(diào)整時(shí)，保證每個(gè)棱鏡的傳感面保持平行，而且為保 證光線在每兩個(gè)棱鏡間能有效傳播，最好保證棱鏡間徑向間距與棱鏡腰長之比小 于1/3。采用檢測歸一化光強(qiáng)的波長調(diào)制檢測技術(shù)，當(dāng)不同的待測液體分別流經(jīng) 每個(gè)棱鏡的傳感面時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)依次激發(fā)出多個(gè)SPR共振波谷。
圖6是串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器檢測系統(tǒng)檢測波形模擬仿真圖。橫坐標(biāo)是 入射光波長，縱坐標(biāo)是反射率。仿真時(shí)采用波長范圍為400 - 1000mn的寬帶光源， 分光范圍為500 900nm的偏振分光棱鏡。單通道棱鏡SPR傳感器的棱鏡材料為
SF14，腰長為18mm。金屬膜是厚度為5Snm的金,調(diào)制層是厚度為15咖的7^205(折
射率2. 1)，光線入射角為64° 。采用5個(gè)單通道棱鏡SPR傳感器串聯(lián)，間隙為 5mm。分別檢測折射率為1. 31、 1.33、 1.35、 1.37、 1. 39的五種液體。從圖中可 看出，新型系統(tǒng)同時(shí)激發(fā)了 5個(gè)共振波谷，能同時(shí)對(duì)5種目標(biāo)參量進(jìn)行檢測。
圖7是未經(jīng)調(diào)制層調(diào)節(jié)的六通道串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)光譜仿真圖. 釆用與圖6相同的各個(gè)參數(shù)，將單通道棱鏡SPR傳感器的個(gè)數(shù)n增加到6個(gè)，另 外增加一個(gè)折射率為1.41的待測液體。從圖中可以看出，由于檢測要求的提高，未經(jīng)調(diào)制層調(diào)節(jié)時(shí)，在寬帶光源帶寬范圍內(nèi)只顯示了 5個(gè)共振波谷，造成了折射 率為1.41的待測液體信息的丟失。
圖8是經(jīng)調(diào)制層厚度調(diào)節(jié)后的六通道串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)光譜仿 真圖。通過將第六個(gè)單通道棱鏡SPR傳感器置換成尺寸相同、調(diào)制層厚度為5nm 的單通道棱鏡SPR傳感器，成功在寬帶光源帶寬范圍內(nèi)顯示了六個(gè)共振波谷，真 正實(shí)現(xiàn)了六通道分布式檢測。
圖9是經(jīng)調(diào)制層材料調(diào)節(jié)后的六通道串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)光譜仿
真圖。通過將第六個(gè)單通道棱鏡SPR傳感器置換成尺寸相同、調(diào)制層材料為4/203
(折射率1.63)的單通道棱鏡SPR傳感器，成功在寬帶光源帶寬范圍內(nèi)顯示了 六個(gè)共振波谷，真正實(shí)現(xiàn)了六通道分布式檢測。
權(quán)利要求
1.一種串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)，可對(duì)多個(gè)檢測環(huán)境或同一檢測環(huán)境的多個(gè)目標(biāo)參量實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測，該系統(tǒng)依次由寬帶光源(1)、多模光纖(2)、P型偏振分光棱鏡(3)、棱鏡SPR傳感器、聚焦透鏡(5)、多模光纖耦合器(6)、光譜儀(7)、USB數(shù)據(jù)線(8)、計(jì)算機(jī)(9)組成；其特征在于上述棱鏡SPR傳感器為串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器組(4)，即由多個(gè)完全相同的單通道等腰直角棱鏡SPR傳感器依次按照正立-倒置的方式等間距串聯(lián)排布，且該間距大于0，小于等于1/3等腰直角棱鏡腰長。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)，其特征在于 所述的單通道等腰直角棱鏡SPR傳感器在其金屬膜(11)與樣品池(13 )之間增 覆有用于調(diào)節(jié)共振波長檢測帶寬的調(diào)制層。
全文摘要
一種串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器系統(tǒng)，由寬帶光源(1)、多模光纖(2)、P型偏振分光棱鏡(3)、串聯(lián)分布式棱鏡SPR傳感器組(4)、聚焦透鏡(5)、多模光纖耦合器(6)、光譜儀(7)、USB數(shù)據(jù)線(8)、計(jì)算機(jī)(9)組成。其特征在于上述分布式棱鏡SPR傳感器(4)由多個(gè)分立的等腰棱鏡依次按照正立-倒置形式，以特定比例間距串聯(lián)排布組成。該方法使棱鏡SPR傳感器能同時(shí)檢測多種液體折射率，相對(duì)于傳統(tǒng)單通道棱鏡SPR傳感器提高了檢測效率，具有加工方便、可置換性強(qiáng)等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/17GK101620063SQ200910026860
公開日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者艷 萬, 張曉麗, 捷 曾, 梁大開, 趙志遠(yuǎn) 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)