多通道光纖型表面等離子共振譜儀的製作方法

2023-05-30 06:18:11

本發明涉及檢測技術領域，特別是涉及一種多通道光纖型表面等離子共振譜儀。

背景技術：

表面等離子體是指金屬表面自由電子在外部電磁場的作用下發生的相干振蕩。當金屬的自由電子受到光的電磁場擾動時，電子的密度分布會變得不均，形成局部正電荷積累；在庫侖引力作用下，正電荷區域會將臨近的電子吸引過來，而由於電子在該過程中獲得額外動量，又會使該區域過多積累負電荷；隨後電子間的斥力使其再次分開。該過程在極短的時間內多次重複，形成金屬表面電子的密度振蕩。表面等離子體可存在於金屬與電介質的界面，由這種電荷密度振蕩產生的電磁場沿界面傳播，形成表面等離子波。表面等離子波是偏振的橫波，場矢量垂直于波的傳播方向，平行於金屬與電介質的界面，而且表面等離子波的場矢量在界面處達到最大值，並在兩側介質中呈指數快速衰減。當外部電磁場與表面等離子波的波矢量相匹配時，兩者會發生共振，外部電磁場的能量被表面等離子波吸收而發生很強烈的衰減，這種現象被稱為表面等離子共振。表面等離子波傳播界面的兩側介質(尤其是臨近金屬表面處)的介電常數變化會影響外部電磁場在界面處的波矢量大小，從而改變激發表面等離子共振的條件(電磁波的波長和入射角度)。這也正是表面等離子共振技術可以用於生物傳感的理論依據，根據這個特性，當生物分子反應在金屬表面發生時，會使表面等離子共振激發條件隨之改變，通過檢測這種變化就可以反映生物分子反應的過程。

表面等離子共振現象的研究源自20世紀初。20世紀70年代，科學家們又論證了表面等離子共振現象在生物化學檢測方面的應用。20世紀90年代，biacoreab公司研製出了以表面等離子共振現象為核心的生物傳感晶片。與傳統的生化檢測方法相比，表面等離子共振分析檢測技術具有實時性好、靈敏度高、無需標記等特點，因而具有廣闊的應用前景。

在光纖中，由於光線能以全反射的形式傳輸，我們可將光纖與表面等離子體共振技術結合起來，發展新型的光纖表面等離子體共振傳感器。與傳統的稜鏡結構的spr傳感器相比，光纖spr傳感器具有一系列的優點：(1)體積小巧，重量輕便，可彎折，適用於複雜環境；(2)結構穩定，採用波長檢測方式，不易受機械結構及光源強度波動的影響；(3)使被測空間縮小到光纖直徑尺寸的數量級；(4)利用光纖的傳輸功能，可以實現在線實時遠距離檢測；(5)具有非常好的電磁絕緣性；(6)便於實現傳感器陣列和光學集成。因此，該技術在環境監測、食品衛生、生物醫藥、生化檢測等領域有著廣闊的應用前景。然而目前，無論是稜鏡型還是光纖型，常見的表面等離子共振檢測儀器多為單通道或雙通道，無法實現對樣品的多種不同指標同時進行檢測。

技術實現要素：

為了解決現有表面等離子體檢測儀器無法實現對樣品不同指標同時進行檢測的問題，本發明提供一種多通道光纖型表面等離子共振譜儀。

為此，本發明的技術方案如下：

一種多通道光纖型表面等離子共振譜儀，包括：光路系統、液路系統和控制系統，所述光路系統、液路系統集成在一個機箱中。

所述光路系統包括：光源、多通道光纖轉換器、分束光纖、核心傳感器和光譜儀，所述多通道光纖轉換器分別與所述光源、光譜儀及多根所述分束光纖連接；每根所述分束光纖分別與一個所述核心傳感器連接；每個核心傳感器分別插入所述多通道樣品池的一個傳感器插入口，並與樣品池中流過的待測液體接觸，獲得檢測信號；

所述液路系統包括多通道樣品池和廢液收集器，樣品依次流經所述多通道樣品池，在所述核心傳感器上實現不同組分的檢測，最後流入所述廢液收集器；

所述控制系統為一臺計算機，其通過數據傳輸線控制所述光譜儀和多通道光纖轉換器，光源發出的光經所述多通道光纖轉換器進行多通道光路之間的切換後經多根所述分束光纖分別進入各核心傳感器，在核心傳感器處發生表面等離子共振，所獲得的反饋信號經分束光纖反射回所述多通道光纖轉換器，由光譜儀採集信號後傳輸至所述計算機，由計算機對所採集的信號進行分析處理。

優選的是，所述多通道樣品池包括池體、液路進口、內部液路、液路出口和傳感器插入口，所述液路進口和液路出口分別與所述池體內的內部液路的兩端連通；所述傳感器插入口間隔設置有多個，所述各傳感器插入口的位置使得各傳感器的軸線共面且各傳感器在軸向方向上形成高度差，以避免相鄰傳感器的固定配件發生相互幹涉；所述內部液路由多段組成，每段液路由傳感段液路和串聯段液路構成，所述串聯段液路連接相鄰兩傳感器的傳感段液路且與這兩段傳感段液路之間形成的夾角均為鈍角；每個所述傳感器插入口均與所述液路進口和液路出口的方向垂直。

優選的是，所述串聯段液路與相鄰傳感段液路形成的夾角均為135°。

所述多通道樣品池還可以由多個單獨的樣品池串聯而成。

優選的是，所述光源採用dh-2000-bal型氘鎢光源；所述多通道光纖轉換器的型號為mpm-20002x8型；所述分束光纖為的型號為split-400-vis-nir型；所述光譜儀的型號為usb2000+,200-850nm型。

本發明的共振譜儀具有以下有益效果：

本發明解決了普通光纖型表面等離子共振譜儀無法同時檢測多個指標的問題，引入多通道概念，利用光纖型表面等離子共振傳感器的基本設計原理，利用多通道光纖轉換器製成多通道光纖型表面等離子共振譜儀。通過多通道光纖轉換器和相應的軟體控制，實現僅需一次進樣即可對樣品的多個不同指標進行檢測的功能。選擇相關組件並開發使用相關軟體，實現通過一次進樣，可對樣品的多個不同指標同時進行檢測。

本發明中使用的流通池，其中各傳感器插入口的位置使得各傳感器的軸線共面且各傳感器在軸向方向上形成高度差，在使相鄰傳感器的固定配件不發生相互幹涉的情況下，減小了相鄰傳感器之間的距離，因此大大減小了流通池的面積；整個流通池僅設置了一個進口和一個出口，所以大大降低了漏液機率；該流通池大大縮短了流路的長度，從而節省了待測樣品用量，該結構的流通池尤其適用於生化等珍貴藥品的檢測；在該流通池中，串聯段液路與相鄰傳感段液路形成的夾角均為鈍角，大大減小了液路死區體積，降低了液體流動阻力。

附圖說明

圖1是本發明一個實施例的多通道光纖型表面等離子共振譜儀的組成示意圖；

圖2是本發明另一實施例中，顯示流通池中液路方向和傳感器插入方向的示意圖，其中，箭頭的指向分別代表液體的流向和傳感器的插入方向；

圖3是一種光纖spr傳感器的結構示意圖。

圖中：

1.固定配件2.光纖3.傳感區域

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明的多通道光纖型表面等離子共振譜儀的結構進行詳細說明。

參見圖1所示的本發明的一個實施例。一種多通道光纖型表面等離子共振譜儀，包括：光路系統、液路系統和控制系統，所述光路系統、液路系統集成在一個機箱中。

所述光路系統包括：光源、多通道光纖轉換器、分束光纖、核心傳感器和光譜儀，所述多通道光纖轉換器分別與所述光源、光譜儀及多根所述分束光纖連接；每根所述分束光纖分別與一個所述核心傳感器連接；每個核心傳感器分別插入所述多通道樣品池的一個傳感器插入口，並與樣品池中流過的待測液體接觸，獲得檢測信號；所述液路系統包括多通道樣品池和廢液收集器，樣品依次流經所述多通道樣品池，在所述核心傳感器上實現不同組分的檢測，最後流入所述廢液收集器；所述控制系統為一計算機，其通過數據傳輸線控制所述光譜儀和多通道光纖轉換器，光源發出的光經所述多通道光纖轉換器進行多通道光路之間的切換後經多根所述分束光纖分別進入各核心傳感器，在核心傳感器處發生表面等離子共振，所獲得的反饋信號經分束光纖傳回所述多通道光纖轉換器，由光譜儀採集信號後傳輸至所述計算機，由計算機對所採集的信號進行分析處理。

所述多通道樣品池可以如圖1中所示，由多個單獨的樣品池串聯而成。

所述的核心傳感器是將光纖的端面打磨、柱面鍍金後連接在分束光纖末端，用於檢測樣品溶液，產生檢測信號。

在本發明的一個實施例中，分別採用dh-2000-bal型氘鎢光源、美國oceanoptics公司生產的mpm-20002x8多通道光纖轉換器、美國oceanoptics公司生產的split-400-vis-nir型分束光纖、自行開發的多通道樣品池以及usb2000+,200-850nm型光譜儀。光源可穩定提供400～900nm的可見光。

通過split-400-vis-nir型分束光纖可實現將氘鎢光源發出的光傳導至核心傳感器並將核心傳感器產生的光信號傳回。

mpm-20002x8多通道光纖轉換器可以偶聯一個輸入通道和16個不同的輸出通道。它包含一個由編碼器精密控制的直流電機和一套在旋轉模塊上的終端開關，光路通過紫外準直稜鏡耦合。該轉換器還含有一個電腦數值控制器，以控制定位模式。所有的準直位置都存儲在控制單元的內存中，準直操作也可通過軟體很容易地實現。多通道光纖轉換器可由軟體控制，通過rs-232協議與電腦連接。軟體可實現對轉換順序和延遲時間的全面控制。該轉換器也可實現雙通道輸入和八通道輸出操作。該儀器可用於程序控制，比如，多個位點需要由多個探測器測量，所有探針共用一個光譜儀通道和/或一個光源。該轉換器可以作為一個獨立裝置，因為它自帶了程序；也可以作為一個軟體控制的單元。

採用mpm-2000software軟體控制，實現輸出光路的切換與表面等離子共振信號的採集，以實現既能使用單通道方式對單一指標進行檢測，又能使用多通道方式同時對2～8種不同指標進行檢測，如，1、2、3、4、5、6、7、8多通道樣品池分別檢測a、b、c、d、e、f、g、h八種指標，當需要檢測b、e、g三種指標時，便可利用軟體將光路和信號檢測鎖定在2、5、7三個通道之間以自動輪動循環切換的方式對三個通道的相應指標進行檢測。

將dh-2000-bal型氘鎢光源、mpm-20002x8型多通道光纖轉換器、split-400-vis-nir型分束光纖、自行設計的多通道樣品池、廢液收集系統、usb2000+,200-850nm型光譜儀以及裝有操作軟體的計算機按附圖1所示進行組裝，並運行mpm-2000software軟體對儀器進行調試。

本發明自行設計的一種多通道樣品池包括：池體、液路進口、內部液路、液路出口和傳感器插入口。參見圖2，所述液路進口和液路出口分別與所述池體內的內部液路的兩端連通；所述傳感器插入口間隔設置有多個，所述各傳感器插入口的位置使得各傳感器的軸線共面且各傳感器在軸向方向上形成高度差，以避免相鄰傳感器的固定配件發生相互幹涉；所述內部液路由多段組成，每段液路由傳感段液路和串聯段液路構成，所述串聯段液路連接相鄰兩傳感器的傳感段液路且與這兩段傳感段液路之間形成的夾角均為鈍角；每個所述傳感器插入口均與所述液路進口和液路出口的方向垂直。在圖2所示的實施例中，串聯段液路與相鄰傳感段液路形成的夾角均為135°；所述傳感段液路的長度比所述傳感器傳感區域的長度長0.5cm。

下面以8通道光纖型表面等離子共振譜儀為例，對該儀器的使用方法進行說明。

1)取8根表面偶聯了不同抗體的核心傳感器，以用於檢測樣品的8個不同指標，其待測物濃度-表面等離子吸收峰信號偏移量的計算曲線已知；

2)將上述8根核心傳感器通過光纖接頭連接在分束光纖的單頭末端，而後插入樣品池，旋緊密封螺絲，連接好儀器的光路系統以及液路系統和作業系統；

3)向8個串聯的樣品池通入純水，通過操作軟體，將光譜儀信號採集模式調至「折射率」模式，將多通道光纖轉換器調至「自動輪循」模式，此時開始，多通道光纖轉換器將光源產生的可見光通過分束光纖依次在1、2、3、4、5、6、7、8號核心傳感器之間切換，產生的8種表面等離子共振吸收信號通過光譜儀採集後，在作業系統的顯示界面上產生8個譜圖，待8個譜圖信號穩定後，通過作業系統保存上述8個譜圖，分別命名為1-1、2-1、3-1、4-1、5-1、6-1、7-1、8-1；

4)將待測樣品依次通過8個串聯的樣品池，此時，8根核心傳感器表面的抗體可以對待測樣品的8個相應目標物進行識別和特異性結合，如果待測樣品中含有相應目標物，則在軟體界面中，譜圖的表面等離子共振吸收峰會發生偏移，待8個譜圖信號穩定後，通過作業系統將其保存，分別命名為1-2、2-2、3-2、4-2、5-2、6-2、7-2、8-2；

5)分別對比上述步驟5)和步驟4)中的譜圖1-1與1-2、2-1與2-2、3-1與3-2、4-1與4-2、5-1與5-2、6-1與6-2、7-1與7-2、8-1與8-2，獲得其表面等離子吸收峰信號的偏移量，分別將其代入步驟2)中的1～8號核心傳感器待測物濃度-表面等離子吸收峰信號偏移量的計算曲線，即可求得相應待測物的濃度值。