[發明專利]串聯分布式棱鏡SPR傳感器系統

有效

• 申請號: 200910026860.1
• 申請日: 2009-05-27
• 公開（公告）號: CN101620063A
• 公開（公告）日: 2010-01-06
• 發明（設計）人: 曾捷;張曉麗;梁大開;趙志遠;萬艷
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/21
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司
• 代理人: 唐小紅

技術領域

本發明屬于表面等離子體波傳感器技術領域，具體為串聯分布式棱鏡型表面 等離子體波傳感器。

背景技術

表面等離子體波共振(以下簡稱SPR)效應是一種發生在金屬與電介質界面 上的物理光學現象，它對附著在金屬表面電介質的折射率變化非常敏感。自從 1983年瑞典人Liedberg首次將SPR效應應用于IgG蛋白質與其抗原的相互作用 反應的測定，基于SPR效應的傳感器已在環境監測、生化檢測以及食品科學等多 個領域得到各國科研人員的極大重視。

棱鏡SPR傳感器是其中發展最為成熟，應用最為廣泛的一類，并主要基于角 度調制型和相位調制型檢測方法。這兩種方法雖然檢測精度高，但是結構復雜、 儀器笨重、價格昂貴，于是逐漸發展出了波長調制型檢測系統。該方法檢測精度 略低，但結構簡單易操作，價格便宜，適用于大規模配置在惡劣的檢測環境中。 美國熱電公司子光譜部以其10年傅立葉變換紅外技術經驗結合最新的SPR技術 研制了單通道波長調制型棱鏡SPR傳感器檢測模塊-SPR100，其典型結構依次由 寬帶光源、多膜光纖、P型偏振分光棱鏡、單個棱鏡SPR傳感器、聚焦透鏡、多 模光纖耦合器、光譜儀、USB數據線和計算機組成。

在實際測量環境中，被測參量往往呈現一定空間分布，或者是多個被測參量 共存于同一環境，而單通道波長調制型棱鏡SPR傳感器檢測系統一次只能檢測一 個目標參量，無法實現有效、快捷的檢測。所以，為獲得這一類實測對象比較完 整的信息，實現同時檢測多個檢測環境或同一環境的多個目標參量，需研制具備 高集成度、高通量、多組分和多位點同時測定能力的新型分布式SPR檢測系統。

美國華盛頓大學Jiri?Homola等人2001年在《Sensors?and?Actuators?B》 期刊上發表題為“A?novel?multichannel?surface?plasmon?resonance?biosensor” 的文章，提出了雙通道棱鏡SPR傳感器結構，其示意圖如圖1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 調制層，從而形成兩個分別基于Kretschmann三層模型和四層模型的獨立傳感區 域。當不同的液體分別與兩傳感區接觸時，通過棱鏡入射到底面上的光可同時激 發兩次SPR效應，表現在反射率光譜上就是在寬帶光源帶寬范圍內同時出現兩個 共振波谷，每一個共振波谷分別對應一種待測液體。計算共振波谷對應的共振波 長即可實現對待測液體性質的檢測。這種結構的缺點是當目標參量增加時需要增 加鍍膜層數，膜系結構更加復雜，對鍍膜工藝要求更高。同時也不便于通過改變 自身參數來及時適應更高的檢測分辨率要求。

南京航空航天大學曹振武等人2007年在《壓電與聲光》期刊上發表“基于 四棱鏡結構的分布式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，其結構如圖2所示。通過在四棱鏡的三個面上增鍍金屬薄膜，構造了三 個傳感區域。當光線從棱鏡下底面以一定角度入射時，可分別在三個面上激發 SPR效應，在寬帶光源帶寬范圍內觀察到三個共振波谷，實現三通道分布式測量。 但是這種結構需要在三個相交的面上鍍膜，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、六棱鏡等更復雜的棱鏡面上鍍膜來實現更高的通道 數，對鍍膜工藝要求較高。此外，不便于通過改變自身結構參數來適應更高的檢 測分辨率要求。

發明內容

本發明的目的在于研制一種便于加工、便于通過改變自身結構適應更多檢測 參數和更高檢測分辨率要求的分布式SPR傳感器檢測系統，從而提出了串聯分布 式棱鏡SPR傳感器系統。該系統結構簡單，制作方便，當檢測精度或檢測分辨率 要求提高時，容易通過將單個棱鏡SPR傳感器置換為不同調制層厚度、同樣尺寸 的其他棱鏡SPR傳感器適應要求變化。

一種串聯分布式棱鏡SPR傳感器系統，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數據 線、計算機組成；其特征在于：上述棱鏡SPR傳感器由多個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排布，且該間距大 于0，小于等于1/3等腰直角棱鏡腰長。