[发明专利]串联分布式棱镜SPR传感器系统

说明书

技术领域

本发明属于表面等离子体波传感器技术领域，具体为串联分布式棱镜型表面 等离子体波传感器。

背景技术

表面等离子体波共振(以下简称SPR)效应是一种发生在金属与电介质界面 上的物理光学现象，它对附着在金属表面电介质的折射率变化非常敏感。自从 1983年瑞典人Liedberg首次将SPR效应应用于IgG蛋白质与其抗原的相互作用 反应的测定，基于SPR效应的传感器已在环境监测、生化检测以及食品科学等多 个领域得到各国科研人员的极大重视。

棱镜SPR传感器是其中发展最为成熟，应用最为广泛的一类，并主要基于角 度调制型和相位调制型检测方法。这两种方法虽然检测精度高，但是结构复杂、 仪器笨重、价格昂贵，于是逐渐发展出了波长调制型检测系统。该方法检测精度 略低，但结构简单易操作，价格便宜，适用于大规模配置在恶劣的检测环境中。 美国热电公司子光谱部以其10年傅立叶变换红外技术经验结合最新的SPR技术 研制了单通道波长调制型棱镜SPR传感器检测模块-SPR100，其典型结构依次由 宽带光源、多膜光纤、P型偏振分光棱镜、单个棱镜SPR传感器、聚焦透镜、多 模光纤耦合器、光谱仪、USB数据线和计算机组成。

在实际测量环境中，被测参量往往呈现一定空间分布，或者是多个被测参量 共存于同一环境，而单通道波长调制型棱镜SPR传感器检测系统一次只能检测一 个目标参量，无法实现有效、快捷的检测。所以，为获得这一类实测对象比较完 整的信息，实现同时检测多个检测环境或同一环境的多个目标参量，需研制具备 高集成度、高通量、多组分和多位点同时测定能力的新型分布式SPR检测系统。

美国华盛顿大学Jiri Homola等人2001年在《Sensors and Actuators B》 期刊上发表题为“A novel multichannel surface plasmon resonance biosensor” 的文章，提出了双通道棱镜SPR传感器结构，其示意图如图1所示。在SF14玻 璃制成的等腰直角棱镜底部先增镀一层金属膜，然后在金属膜的一半面积上蒸镀 调制层，从而形成两个分别基于Kretschmann三层模型和四层模型的独立传感区 域。当不同的液体分别与两传感区接触时，通过棱镜入射到底面上的光可同时激 发两次SPR效应，表现在反射率光谱上就是在宽带光源带宽范围内同时出现两个 共振波谷，每一个共振波谷分别对应一种待测液体。计算共振波谷对应的共振波 长即可实现对待测液体性质的检测。这种结构的缺点是当目标参量增加时需要增 加镀膜层数，膜系结构更加复杂，对镀膜工艺要求更高。同时也不便于通过改变 自身参数来及时适应更高的检测分辨率要求。

南京航空航天大学曹振武等人2007年在《压电与声光》期刊上发表“基于 四棱镜结构的分布式SPR传感器研究”一文，提出了一种三通道分布式棱镜SPR 传感器，其结构如图2所示。通过在四棱镜的三个面上增镀金属薄膜，构造了三 个传感区域。当光线从棱镜下底面以一定角度入射时，可分别在三个面上激发 SPR效应，在宽带光源带宽范围内观察到三个共振波谷，实现三通道分布式测量。 但是这种结构需要在三个相交的面上镀膜，不容易控制镀膜厚度和镀膜夹具角 度。而且需要通过在五棱镜、六棱镜等更复杂的棱镜面上镀膜来实现更高的通道 数，对镀膜工艺要求较高。此外，不便于通过改变自身结构参数来适应更高的检 测分辨率要求。

发明内容

本发明的目的在于研制一种便于加工、便于通过改变自身结构适应更多检测 参数和更高检测分辨率要求的分布式SPR传感器检测系统，从而提出了串联分布 式棱镜SPR传感器系统。该系统结构简单，制作方便，当检测精度或检测分辨率 要求提高时，容易通过将单个棱镜SPR传感器置换为不同调制层厚度、同样尺寸 的其他棱镜SPR传感器适应要求变化。

一种串联分布式棱镜SPR传感器系统，依次由宽带光源、多模光纤、P型偏 振分光棱镜、棱镜SPR传感器、聚焦透镜、多模光纤耦合器、光谱仪、USB数据 线、计算机组成；其特征在于：上述棱镜SPR传感器由多个完全相同的单通道等 腰直角棱镜SPR传感器依次按照正立一倒置的方式等间距串联排布，且该间距大 于0，小于等于1/3等腰直角棱镜腰长。