一种基于平面光波导的集成型SPR传感器 |
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| 申请号 | CN202210803239.7 | 申请日 | 2022-07-07 | 公开(公告)号 | CN115015182B | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 合肥工业大学; | 发明人 | 夏果; 高琳; 封志伟; 施文杰; 张龙; 方凡; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种基于平面光 波导 的集成型SPR 传感器 ，包括： 光源 模 块 和平面光波导，平面光波导设有楔形入射端面、反射端、聚焦柱面端和出射端，平面光波导的反射端处粘接有反射光栅，平面光波导的聚焦镜端 镀 有反射膜，平面光波导的出射端安装有线性阵列探测器，平面光波导的 正面 位于楔形入射端面与反射端的光路之间设有纳米金属片；光源模块发出的光束从楔形入射端面进入平面光波导中，光束经过纳米金属片、反射光栅和反射膜后被线性阵列探测器接收。有益效果是：将SPR传感与 光谱 传感相结合，从而有效地提高了系统紧凑性，显著减小了传感器的尺寸，真正实现了SPR传感器的集成化，该设计方案为SPR传感器的小型化方向提供了新思路。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于平面光波导的集成型SPR传感器，其特征在于，包括： |
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| 说明书全文 | 一种基于平面光波导的集成型SPR传感器技术领域背景技术[0002] 表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术是物理光学中的一种光电共振现象，入射光在介质‑金属表面发生全反射时，金属表面的自由电子受到库仑力作用发生有序的集体震荡形成表面等离子波(Surface Plasmon Wave，SPW)，当入射光与表面等离子波满足一定条件就会产生共振现象，此时入射光能量被吸收，同时在光谱上出现“下降尖峰”。利用这一原理，可根据下降尖峰出现位置的不同来判断被测样品折射率的变化，从而实现不同样品的检测。 [0003] SPR技术是生物传感器领域的一个重要分支，因其自身的光学特性而具有无标记检测、实时监测、无损检测、灵敏度高且成本低等优点，在2016年被正式收录于美国和日本药典。目前，SPR技术广泛应用于药物和生物制剂开发、生命科学及医学研究、生物制剂质量控制以及食品安全评价等多个领域。 [0004] 当前在SPR生物传感器研究领域，为了满足出现SPR现象的共振条件，需要利用衰减全反射或者衍射原理来补偿入射光的波矢，主要的补偿耦合结构可分为四类，分别是棱镜耦合结构、波导耦合结构、光纤耦合结构和光栅耦合结构。其中，波导耦合型SPR传感器易与MEMS技术相结合，形成微纳级别的高度集成化检测装置。 [0005] 传统的SPR传感器发展成熟，稳定性好且检测精度高，但系统结构复杂且体积庞大，无法满足当前发展的检测需求。近年来，为了实现传感器小型化，国内外研究人员对于SPR传感器的研究方向大都集中在传感耦合结构的优化上，忽视了信号检测装置可以与传感模块相结合，因此在SPR传感器小型化方面还有较大的发展空间。 发明内容[0006] 本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种基于平面光波导的集成型SPR传感器。 [0007] 为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现： [0008] 一种基于平面光波导的集成型SPR传感器，包括： [0010] 平面光波导，所述平面光波导设有楔形入射端面、反射端、聚焦柱面端和出射端，所述平面光波导的反射端处粘接有反射光栅，所述平面光波导的聚焦镜端镀有反射膜，所述平面光波导的出射端安装有线性阵列探测器，所述平面光波导的正面位于楔形入射端面与反射端的光路之间设有纳米金属片； [0011] 所述光源模块发出的光束从楔形入射端面进入平面光波导中，所述光束经过纳米金属片、反射光栅和反射膜后被线性阵列探测器接收。 [0012] 其中，所述楔形入射端面自下向上向反射端方向倾斜。 [0014] 本发明的有益效果是：本发明创新性地利用光束在平面光波导中的传输特性，在平面光波导的弧矢方向上设置纳米金属片，将SPR传感与光谱传感相结合，从而有效地提高了系统紧凑性，显著减小了传感器的尺寸，真正实现了SPR传感器的集成化，该设计方案为SPR传感器的小型化方向提供了新思路。附图说明 [0016] 图1是本发明实施例一中集成型SPR传感器的连接关系结构示意图； [0017] 图2是本发明实施例一中平面光波导的子午面光路图； [0018] 图3是本发明实施例一中平面光波导的弧矢面光路图； [0019] 图4是本发明实施例二中平面光波导的结构示意图； [0020] 图5是本发明实施例二中平面光波导的子午面光路图； [0021] 图6是本发明中集成型SPR传感器对纯水进行检测时的检测光谱； [0022] 图中标号说明：光源1、准直镜2、偏振片3、平面光波导4、楔形入射端面5、反射光栅6、反射膜7、线性阵列探测器8、纳米金属片9、计算机10。 具体实施方式[0023] 下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。 [0024] 如图1至图3所示的实施例一，一种基于平面光波导的集成型SPR传感器，包括光源模块和平面光波导4。 [0025] 光源模块包括光源1、准直镜2、偏振片3，光源的出光端中心轴、准直镜的中心轴和偏振片的中心轴位于同一直线上，准直镜设置在光源与偏振片之间。准直镜收集光源发出的光并将其调制为准直偏振光束，偏振片将准直偏振光束调制为表面等离子体共振所需要的偏振光。光源选用卤钨灯。 [0026] 平面光波导4为熔融石英片，平面光波导4的正投影形状为“N”形。 [0027] 平面光波导4设有楔形入射端面5、反射端、聚焦柱面端和出射端，楔形入射端面5自下向上向反射端方向倾斜，楔形入射端面5与平面光波导4底面之间的夹角为60°；平面光波导4的反射端处用紫外固化光学胶粘接有反射光栅6；平面光波导4的聚焦镜端镀有反射膜7，反射膜7采用金属蒸镀技术将银沉积在聚集柱面端上形成；平面光波导4的出射端安装有线性阵列探测器8，平面光波导4的正面位于楔形入射端面与反射端的光路之间设有纳米金属片9；纳米金属片9采用金属蒸镀技术将金沉积在平面光波导4上形成，纳米金属片9为正方形，纳米金属片9的边长为15毫米，纳米金属片9的厚度为50纳米。 [0028] 光源模块发出的光束从楔形入射端面5进入平面光波导4中，光束经过纳米金属片9、反射光栅6和反射膜7后被线性阵列探测器8接收，用数据线将线性阵列探测器8与计算机 10连接，利用计算机对接收的数据进行处理。 [0029] 纳米金属片与楔形入射端面底边之间的最小距离为Lmin，计算公式如下： [0030] θ0＝90°‑α [0031] [0032] Lmin＝D tanθ [0033] 上式中：θ0为偏振光在楔形入射端面的入射角度，n0为空气的折射率，n1为平面光波导的折射率，α为楔形入射端面与平面光波导底面之间的夹角角度，θ为光束在纳米金属片与平面光波导交界处的入射角度，D为平面光波导的厚度。 [0034] 检测原理：检测时将待测样品滴在纳米金属片的表面，待测样品在纳米金属片上呈半球状分布，光源模块发出的偏振光的光束进入平面光波导中，光束在子午方向上以全反射的形式向前传输，当光束到达纳米金属片位置时，在弧矢方向上平面光波导、纳米金属片和待测样品构成三层SPR激励结构，光束在此处发生SPR现象，随后光束继续以全反射的形式传输到达反射光栅，光束经反射光栅发生分光后，再经过聚焦柱面端的反射膜反射，使光束汇聚至线性阵列探测器上，由线性阵列探测器接收并传输到计算机进行数据处理。 [0035] 如图4和5所示的实施例二，一种基于平面光波导的集成型SPR传感器，包括光源模块和平面光波导。 [0036] 光源模块包括光源、准直镜、偏振片，光源的出光端中心轴、准直镜的中心轴和偏振片的中心轴位于同一直线上，准直镜设置在光源与偏振片之间。准直镜收集光源发出的光并将其调制为准直偏振光束，偏振片将准直偏振光束调制为表面等离子体共振所需要的偏振光。光源为碘钨灯。 [0037] 平面光波导为熔融石英片，平面光波导的正投影形状为“4”字形。 [0038] 平面光波导设有楔形入射端面、反射端、聚焦柱面端和出射端，楔形入射端面自下向上向反射端方向倾斜，楔形入射端面与平面光波导底面之间的夹角为45°；平面光波导的反射端处用紫外固化光学胶粘接有反射光栅；平面光波导的聚焦镜端镀有反射膜，反射膜采用金属蒸镀技术将银沉积在聚集柱面端上形成；平面光波导的出射端安装有线性阵列探测器，平面光波导的正面位于楔形入射端面与反射端的光路之间设有纳米金属片；纳米金属片采用金属蒸镀技术将金沉积在平面光波导上形成，纳米金属片为正方形，纳米金属片的边长为12毫米，纳米金属片的厚度为50纳米。 [0039] 平面光波导的厚度为2.5mm。 [0040] 除了上述实施例一和实施例二记载的内容之外，光源还可以使用白炽灯。纳米金属片的边长还可以为10毫米、16毫米、18毫米或20毫米。 [0041] 楔形入射端面与平面光波导底面之间的夹角最小为30°，楔形入射端面与平面光波导底面之间的夹角最大为89°。 [0042] 线性阵列探测器能够用其他光电探测器代替，工作原理相同。 [0043] 使用该集成型SPR传感器对纯水进行检测，得到如图6所示的检测光谱。 [0044] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。 |
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