專利名稱：高精細(xì)度腔表面等離子體共振傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種表面等離子體共振傳感裝置，特 別是一種基于高精細(xì)度腔的表面等離子體共振傳感系統(tǒng)，主要用于食品安 全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物、化學(xué)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的痕量物質(zhì)檢測(cè)。
背景技術(shù)：
表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance,簡(jiǎn)稱SPR)是一禾中物 理光學(xué)現(xiàn)象，在上世紀(jì)初被Wood發(fā)現(xiàn)。60年代，德國(guó)科學(xué)家0tto和 Kretchmarm分別獨(dú)立發(fā)明了用可見(jiàn)光激發(fā)表面等離子體的方法。80年代， 瑞典科學(xué)家Liedberg將這一技術(shù)用于生物大分子相互作用的檢測(cè)。之后， 表面等離子體共振傳感技術(shù)迅速發(fā)展，發(fā)展成為十分有用的檢測(cè)技術(shù)。
表面等離子體共振傳感技術(shù)可廣泛應(yīng)用到食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物、 化學(xué)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。在食品安全領(lǐng)域主要應(yīng)用包括農(nóng)、獸藥殘留量的檢 測(cè)，食品中微生物污染檢測(cè)，生物毒素的檢測(cè)等等。在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，表 面等離子體共振檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)多環(huán)芳烴類、多氯聯(lián)苯類、酚類、烷烴、 芳香族化合物和重金屬離子等有毒有污染物質(zhì)。在生物學(xué)以及相關(guān)領(lǐng)域， 基于表面等離子體共振的生物傳感技術(shù)，通過(guò)分析生物分子如蛋白質(zhì)-蛋白 質(zhì)、藥物-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-核酸、核酸-核酸之間的相互作用，得到相應(yīng)組 分的痕量濃度以及有關(guān)性質(zhì)。
由于對(duì)檢測(cè)靈敏度的要求越來(lái)越高，高靈敏度表面等離子體共振傳感 系統(tǒng)成為痕量物質(zhì)測(cè)量技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。在先技術(shù)中，有一種表面等離 子體傳感器(參見(jiàn)中國(guó)發(fā)明專利"波長(zhǎng)調(diào)制偏振型表面等離子體波傳感器"， 專利號(hào)號(hào)ZL01136673.7)。該表面等離子體共振傳感器具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)點(diǎn)， 但是，仍然存在不足，主要為用于測(cè)量的光束在傳感部件中發(fā)生一次全反 射，致使探測(cè)器探測(cè)到的表面等離子體共振吸收信號(hào)為被測(cè)物質(zhì)一次作用 于光束的信號(hào)，所以導(dǎo)致探測(cè)靈敏度不高，有很大的探測(cè)靈敏度提升空間。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題在于克服了上述在先技術(shù)的不足，提供一種高精 細(xì)度腔表面等離子體共振傳感裝置，具有檢測(cè)靈敏度高，模塊化程度高、 系統(tǒng)簡(jiǎn)單，技術(shù)可以移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。
本發(fā)明的基本構(gòu)思是將高精細(xì)度腔吸收光譜技術(shù)思想應(yīng)用表面等離 子體共振傳感，在作為表面等離子體共振傳感部件棱鏡上，將光束入射和 光束出射兩個(gè)面上鍍有與入射光束波長(zhǎng)相匹配的高反射膜，兩個(gè)高反射面 構(gòu)成高精細(xì)度腔。光束傳播經(jīng)過(guò)棱鏡時(shí)，光束在高精細(xì)度腔內(nèi)往返傳播， 每次往返均在棱鏡鍍有金屬模的一面發(fā)生表面等離子體共振，與被測(cè)物質(zhì) 相互所用，在出射高反射面發(fā)射反射時(shí)，均有部分光透射。探測(cè)器探測(cè)光 束出棱鏡的光強(qiáng)，是經(jīng)過(guò)多次表面等離子體共振效應(yīng)后光束，具有高檢測(cè) 靈敏度高，模塊化程度高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為包括激光光源、表面等離子體傳感器、光 電探測(cè)器。表面等離子體傳感器為柱形棱鏡，其橫截面為等腰三角形，表 面等離子體傳感器的底面鍍有平面的金屬反射膜，腰面分別鍍有入射高反 射膜和出射高反射膜；入射高反射膜和出射高反射膜為球面結(jié)構(gòu)。激光光 源設(shè)置在入射高反射膜一側(cè)，其發(fā)射光路沿入射高反射膜的球面的徑向指 向球心。激光光源與入射高反射膜之間沿激光光源的發(fā)射光路依次設(shè)置有 光隔離器和起偏器。出射高反射膜一側(cè)沿出射光路依次設(shè)置有檢偏器和光 電傳感，所述的出射光路沿出射高反射膜的球面的徑向指向球心。入射高 反射膜的球面球心、出射高反射膜的球面球心和金屬反射膜的全反射點(diǎn)構(gòu) 成的平面柱形棱鏡的軸向垂直，并且滿足<formula>formula see original document page 4</formula>
其中，《為入射高反射膜的球面的曲率半徑，^為出射高反射膜的球面的 曲率半徑，丄光束由入射高反射膜經(jīng)金屬反射膜傳播到出射高反射膜所經(jīng) 過(guò)的距離。
所述的光電探測(cè)器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中的一種。 本發(fā)明裝置的工作過(guò)程為激光光源發(fā)出光束，經(jīng)過(guò)光隔離器和起偏器，形成縣偏振光束，入射到表面等離子體傳感器的入射高反射膜上，部分光 束投射后在的底面發(fā)生全反射，反射光束經(jīng)過(guò)出射高反射膜透射，經(jīng)過(guò)檢 偏器傳向光電探測(cè)器。光束的線偏振光束偏振平面與光束傳輸所在平面平 行，入射高反射膜和出射高反射膜為球面結(jié)構(gòu)，形成光束傳播的諧振的高 精細(xì)度腔，為光學(xué)穩(wěn)定腔，光束在高精細(xì)度腔內(nèi)往返傳播，每次經(jīng)過(guò)光束 出射面時(shí)，有部分光透射，達(dá)到光電探測(cè)器。從而，光電探測(cè)器得到傳感 平面上發(fā)生全反射的反射光強(qiáng)度信息，通過(guò)調(diào)節(jié)激光光源改變光束波長(zhǎng)參 數(shù)，在共振波長(zhǎng)時(shí)，傳感平面上發(fā)生等離子體共振，形成共振吸收峰。發(fā) 生全反射區(qū)域?yàn)榻佑|被測(cè)物質(zhì)區(qū)域。共振吸收峰幅值和共振波長(zhǎng)與傳感平 面全反射區(qū)域附近物質(zhì)特性有關(guān)，從而可以得到被測(cè)物質(zhì)信息，例如，折 射率，濃度等。通過(guò)改變檢偏器檢偏方向，可以得到不同光束出射面出射 的不同偏振方向光束的表面等離子體共振吸收峰幅值和共振波長(zhǎng)的變化， 從而可以得到被測(cè)物質(zhì)影響光束偏振的特性測(cè)量。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)1)具有檢測(cè)靈敏度高；2)模塊化 程度高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單；3)精細(xì)腔構(gòu)成簡(jiǎn)單，只有一個(gè)光學(xué)元件；4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單穩(wěn)定，對(duì)機(jī)械定位要求低；5)技術(shù)可以移植性強(qiáng)。
圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
本實(shí)施例的一種高精細(xì)度腔表面等離子體共振傳感裝置，具體結(jié)構(gòu)如 圖l所示。
高精細(xì)度腔表面等離子體共振傳感裝置包括激光光源1、表面等離子 體傳感器4、光電探測(cè)器6。表面等離子體傳感器4為柱形棱鏡，其橫截面
為等腰三角形，表面等離子體傳感器的底面鍍有平面的金屬反射膜402， 腰面分別鍍有入射高反射膜401和出射高反射膜403;入射高反射膜401 和出射高反射膜403為球面結(jié)構(gòu)。激光光源1設(shè)置在入射高反射膜401 — 側(cè)，其發(fā)射光路沿入射高反射膜401的球面的徑向指向球心。激光光源1 與入射高反射膜401之間沿激光光源1的發(fā)射光路依次設(shè)置有光隔離器2和起偏器3。出射高反射膜403 —側(cè)沿出射光路依次設(shè)置有檢偏器5和光 電傳感器6，所述的出射光路沿出射高反射膜403的球面的徑向指向球心。 入射高反射膜401的球面球心、出射高反射膜403的球面球心和金屬反射 膜402的全反射點(diǎn)構(gòu)成的平面柱形棱鏡的軸向垂直，并且滿足
0<(l_^)x(l-&)<4 丄 丄
其中，《為入射高反射膜的球面401的曲率半徑，^為出射高反射膜 403的球面的曲率半徑，丄光束由入射高反射膜經(jīng)金屬反射膜402傳播到 出射高反射膜403所經(jīng)過(guò)的距離。
激光發(fā)射模塊1為波長(zhǎng)可調(diào)諧線偏振光激光器，表面等離子體傳感器 4的金屬反射膜402為厚度為50nm的金薄膜，光電探測(cè)器6采用光電倍增 管，被測(cè)樣品選擇醇類。
本發(fā)明裝置的工作過(guò)程為激光光源1發(fā)出光束，經(jīng)過(guò)光隔離器2和起偏 器3，形成縣偏振光束，入射到表面等離子體傳感器4的入射高反射膜401 上，部分光束投射后在金屬反射膜402發(fā)生全反射，反射光束經(jīng)過(guò)出射高 反射膜403透射，經(jīng)過(guò)檢偏器5傳向光電探測(cè)器6。光束的線偏振光束偏 振平面與光束傳輸所在平面平行，入射高反射膜401和出射高反射膜403 為球面結(jié)構(gòu)，形成光束傳播的諧振的高精細(xì)度腔，為光學(xué)穩(wěn)定腔，光束在 高精細(xì)度腔內(nèi)往返傳播，每次經(jīng)過(guò)光束出射面時(shí)，有部分光透射，達(dá)到光 電探測(cè)器6。從而，光電探測(cè)器6得到傳感平面上發(fā)生全反射的反射光強(qiáng) 度信息，通過(guò)調(diào)節(jié)激光光源1改變光束波長(zhǎng)參數(shù)，在共振波長(zhǎng)時(shí)，金屬反 射膜402上發(fā)生等離子體共振，形成共振吸收峰。發(fā)生全反射區(qū)域?yàn)榻佑| 被測(cè)物質(zhì)區(qū)域。共振吸收峰幅值和共振波長(zhǎng)與金屬反射膜402附近物質(zhì)特 性有關(guān)，從而可以得到被測(cè)物質(zhì)信息，例如，折射率，濃度等。本實(shí)施例 為濃度測(cè)量。通過(guò)改變檢偏器檢偏方向，可以得到不同光束出射面出射的 不同偏振方向光束的表面等離子體共振吸收峰幅值和共振波長(zhǎng)的變化，從 而得到被測(cè)物質(zhì)影響光束偏振的特性測(cè)量。檢測(cè)靈敏度高，模塊化程度高、 系統(tǒng)簡(jiǎn)單。
權(quán)利要求
1. 高精細(xì)度腔表面等離子體共振傳感裝置，包括激光光源、表面等離子體傳感器、光電探測(cè)器，其特征在于表面等離子體傳感器為柱形棱鏡，其橫截面為等腰三角形，表面等離子體傳感器的底面鍍有平面的金屬反射膜，腰面分別鍍有入射高反射膜和出射高反射膜；入射高反射膜和出射高反射膜為球面結(jié)構(gòu)；激光光源設(shè)置在入射高反射膜一側(cè)，其發(fā)射光路沿入射高反射膜的球面的徑向指向球心，激光光源與入射高反射膜之間沿激光光源的發(fā)射光路依次設(shè)置有光隔離器和起偏器；出射高反射膜一側(cè)沿出射光路依次設(shè)置有檢偏器和光電傳感，所述的出射光路沿出射高反射膜的球面的徑向指向球心；入射高反射膜的球面球心、出射高反射膜的球面球心和金屬反射膜的全反射點(diǎn)構(gòu)成的平面柱形棱鏡的軸向垂直，并且滿足<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mn>0</mn><mo><</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msub> <mi>R</mi> <mn>1</mn></msub><mi>L</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo>×</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac><msub> <mi>R</mi> <mn>2</mn></msub><mi>L</mi> </mfrac> <mo>)</mo></mrow><mo><</mo><mn>4</mn> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100619177C00011.gif" wi="48" he="10" top= "143" left = "94" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->其中，R1為入射高反射膜的球面的曲率半徑，R2為出射高反射膜的球面的曲率半徑，L光束由入射高反射膜經(jīng)金屬反射膜傳播到出射高反射膜所經(jīng)過(guò)的距離。
2、 如權(quán)利要求l所述的高精細(xì)度腔表面等離子體共振傳感裝置，其特征在于所述的光電探測(cè)器為光電二極管、雪崩管、光電倍增管中的-一 種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高精細(xì)度腔表面等離子體共振傳感裝置?，F(xiàn)有傳感裝置探測(cè)靈敏度低。本發(fā)明高精細(xì)度腔表面等離子體共振傳感裝置激光光源、表面等離子體傳感器、光電探測(cè)器。表面等離子體傳感器為等腰三棱鏡，底面鍍有平面的金屬反射膜，腰面分別鍍有球面結(jié)構(gòu)的入射高反射膜和出射高反射膜。斜邊面為光束入射面和光束出射面，底邊面為傳感平面，光束入射面和光束出射面為光束高反射率面，構(gòu)成高精細(xì)度腔，探測(cè)器探測(cè)光束出棱鏡的光強(qiáng)，是經(jīng)過(guò)多次表面等離子體共振效應(yīng)后光束。本發(fā)明具有高檢測(cè)靈敏度高，模塊化程度高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/55GK101294900SQ20081006191
公開日2008年10月29日 申請(qǐng)日期2008年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月27日
發(fā)明者健 王, 高秀敏 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)