[发明专利]一种双束p偏振棱镜SPR重金属离子传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种双束p偏振棱镜SPR重金属离子传感器及其制备方法。本发明提供了一种双束p偏振棱镜SPR传感结构，包括单轴晶体、二分之一波片、棱镜、第一探测阵列和第二探测阵列，所述棱镜全反射面的膜系结构由传感区和参考区组成，光源垂直入射到单轴晶体产生o光和e光，其中o光的振动方向经二分之一波片旋转90°角，此时两束光均为p偏振，分别入射到棱镜全反射面的传感区和参考区，传感区产生的SPR信号由第一探测阵列接收，参考区产生的SPR信号由第二探测阵列接收。本发明能够极大降低甚至消除湿度、温度、pH值等环境因素对测量信号的影响，提高精度和检测限，同时提高了光源功率的利用率，降低了成本，并且结构简单紧凑，利于轻小型化设计，具有强大的推广应用前景。

技术领域

本发明涉及重金属离子检测技术领域。具体地，涉及一种偏振无关的、温度与pH值等参数不敏感的双束p偏振棱镜SPR重金属离子传感器及其制备方法。

背景技术

随着我国社会的快速发展，时常有水和土壤受到重金属污染的现象。重金属很难降解，通过饮用水或食物链被人体吸收后，日积月累，重金属离子不断的沉积和富集于人体内，最终危及人们的健康。铜是其中一种重金属，参与体内的重要代谢和生理过程，是人体必不可少的微量元素，机体内铜的缺乏或对铜的过量摄取都将导致诸如肝功能衰竭、头痛、溶血性贫血、胃病、Wilson氏病、Menke氏病等病症。为了人们的健康生活，铜离子的痕量检测显得尤为重要，开展铜离子的高灵敏度、特异性检测方法及传感机理研究具有重要意义。

重金属铜离子含量的检测方法主要有原子吸收光谱法、原子发射光谱法、原子荧光光谱法、质谱法、酶抑制法和电化学分析检测法等。这些传统的仪器分析测试方法有各自的优点，但是检测繁琐，缺点不少，一直困扰目前重金属铜离子的检测。

随着光学技术、信号检测和计算机技术的迅速发展，以及消逝波的深入研究与利用、高分子材料薄膜构建能力的不断增强，SPR传感技术对重金属离子特异性检测的前景越来越明朗。SPR传感技术属于光学检测方法，最早由Wood等人于20世纪初提出，并在20世纪80年代首次被运用于气体和生物传感领域，与传统的检测方法相比具有免标记、灵敏度高、快速响应、实时监测等优点。产生SPR的是输入光信号的p偏振分量。当光信号入射到光学元件表面时，反射光和折射光都依赖于光的偏振特性，以入射光束和反射光束构成的平面(纸面)为基准，偏振矢量在该平面内的分量称之为p偏振，偏振矢量垂直于该平面的分量称之为s偏振。棱镜型SPR的典型模型是一个全反射棱镜，全反射表面镀有一层或多层金属膜，当光信号在全反射面的入射角大于临界角时，光信号发生全反射，在此条件下，光信号的p偏振在棱镜全反射面与金属膜的分界面向金属膜介质传输光信号，该光信号即为倏逝波，其振幅呈指数衰减，导致金属介质中的自由电子形成表面等离子波。如果调整光信号的入射角或波长为某一数值时，入射光在界面切向方向的波矢分量与表面等离子波的波矢相等，它们将发生能量耦合，产生共振，随即入射光信号的能量被吸收，反射光强相应降低，此时在反射光谱出现共振峰，对应的入射角/光波长分别称之为共振角和共振波长。SPR传感技术分为角度调制、波长调制、偏振调制、相位调制和强度调制等类型。SPR传感芯片可实现同时将大量不同的探针固定于芯片表面，所以可以一次性对样品中多种不同物质进行检测和分析，从而解决了传统检测技术操作繁杂、自动化程度低、检测目标序列数量少、检测效率低等不足。因此该技术具有高速度、高通量、高效率、并行地检测与之杂交的生物样品的特点。与传统的诊断技术相比，芯片技术具有明显的优势。而且，通过设计不同的探针阵列、使用特定的分析方法可使该技术具有多种不同的应用价值。凭借SPR独特的优点，目前该技术已经在食品安全、国土安全、疾病诊断、药物研发、环境监测、毒品检测、法医鉴定、重金属离子和农药残留等多个领域广泛应用。然而，入射光信号的s偏振对SPR传感器是没有贡献的，即s偏振不会在全反射面激发SPR，从而导致SPR传感器光源功率的利用率大大降低，也因为s偏振对SPR没有贡献，所以在SPR传感系统的棱镜前面通常会设置一个偏振片，使得入射到棱镜的光信号是p偏振，确保传感器具有更高的信噪比，设置偏振片提高信噪比无疑是漏掉另外一个正交方向的偏振。另外，SPR传感器易受环境温度、溶液的pH值等因素的影响，从而导致传感器的精度和探测极限降低。