基于自由空间耦合的光波导生化传感器及测量系统

摘要

一种用于精密分析与测量仪器领域的基于自由空间耦合的光波导生化传感器及测量系统，光波导生化传感器固定在光学旋转平台上，光学旋转平台支撑整个光波导生化传感器，光波导生化传感器固定在光学旋转平台的上转盘的中心，光波导生化传感器包括：上层金属膜、上层光学玻璃片、溶液腔、下层光学玻璃片、下层金属膜、垫块、平台、螺旋测微计。上层金属膜沉积在上层光学玻璃片上，下层金属膜沉积在下层光学玻璃片上，上层光学玻璃片的金属膜面向上，下层光学玻璃片的金属膜向下，上层光学玻璃片、溶液腔、下层玻璃片依次叠放，并放在平台上，用垫块抵住，通过旋动螺旋测微计将整个结构抵紧。本发明结构简单，灵敏度高，成本低，易于加工制造。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种传感器及由其组成的测量系统，特别是一种无棱镜耦合单元的基于自由空间耦合的光波导生化传感器及测量系统。用于精密分析与测量仪器领域。

背景技术

自上世纪八十年代后期以来，以表面等离子共振(SPR)、光波导和光纤技术为基础的传感器受到了广泛的重视。这类传感器结构简单、使用方便、可靠，可应用于生物、化学和物理等领域多个参数的测量，尤其是在蛋白质结构、抗体抗原检测等领域有重要的应用。这类传感器的一个共同特点是待测样品处于共振模(表面等离子波和光导波)的迅衰场区域。因此，这类传感器也被称为迅衰场传感器。缺点：(1)对以泄露光波导和光纤技术为基础的传感器而言，共振模ATR吸收峰的宽度可能很窄，但其样品通常作为光波导或光纤的覆盖层，而覆盖层中的光能仅占共振模全部光能的百分之几。因此，以泄露光波导和光纤技术为基础的迅衰场传感器的灵敏度通常不可能做得很高。(2)而对SPR型传感器而言，虽然有大于一半的光能处于探测区，具有较高的探测效率，但由于金属膜的吸收，导致其ATR吸收峰的宽度很大，同样难以达到很高的探测灵敏度。

经检索发现，中国专利公开号：1396445A，名称为：双面金属波导测量方法及其装置，该发明专利中提出了双面金属包覆波导传感器。该双面金属波导装置由上至下由耦合器件、上层金属膜、待测薄膜层、下层金属膜构成，待测薄膜层和上下层金属膜构成双层金属波导结构，激光主要在待测薄膜层中传播。该传感器的一个重要特点是利用棱镜等耦合器件将激光从外面耦合进入传感器探测腔，利用金属包覆层的优良性质实现探测。但是，该传感器中使用棱镜等耦合器件，这使得在要求器件尺寸较小的测量领域上面方法受到很大限制，同时在实现小角度探测方面有一定困难。

发明内容

本发明针对以上技术中存在的缺陷，提出了一种基于自由空间耦合的光波导生化传感器及测量系统，使其基于自由空间耦合原理，光直接从金属膜耦合到导波层中去，无需使用耦合器件，可以使入射光的探测角度很小，利用波导高阶导模的优良特性，结构简单，灵敏度高，成本低，易于加工制造，并对待测样品的折射率范围要求低，实用性强。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明光波导生化传感器包括：上层金属膜、上层光学玻璃片、溶液腔、下层光学玻璃片、下层金属膜、垫块、平台、螺旋测微计。上层金属膜沉积在上层光学玻璃片上，下层金属膜沉积在下层光学玻璃片上。上层光学玻璃片的金属膜面向上，下层光学玻璃片的金属膜向下，上层光学玻璃片、溶液腔、下层玻璃片依次叠放，并放在平台上，用一垫块抵住，通过旋动螺旋测微计将整个结构抵紧。上层光学玻璃片、下层光学玻璃片分别被上层金属膜、下层金属膜夹住，使上层金属膜、上层光学玻璃片、溶液腔和下层光学玻璃片、下层金属膜构成一光波导，其中上层光学玻璃片、溶液腔和下层光学玻璃片构成光波导的导波层。下层光学玻璃片上钻有两个小孔，分别是传感器的溶液入口和溶液出口，待测样品通过溶液入口进入溶液腔，而废液通过溶液出口排出。

本发明由光波导生化传感器组成的测量系统，包括：光波导生化传感器、光学旋转平台、样品输送部分和光电接收部分。光波导生化传感器固定在光学旋转平台上，并且保证其上层金属膜的中心位置和旋转平台上转盘的中心在同一位置，光学旋转平台支撑整个光波导生化传感器。

光学旋转平台由支撑底座、驱动接口和上下两层转盘构成，支撑底座支撑着上下两层转盘，驱动接口通过螺钉固定在支撑底座的侧面，上下两层转盘的旋转中心同轴，当计算机通过驱动接口使上转盘匀速转动时，下转盘相对与上转盘以两倍角速度朝反方向旋转。

样品输送部分包括：样品池、橡胶管、恒流泵、废液收集容器。橡胶管共有三段，恒流泵的入口和样品池通过第一段橡胶管连接起来。恒流泵的出口和溶液入口通过第二段橡胶管连接。光波导生化传感器溶液腔的溶液出口和废液收集容器通过第三段橡胶管连接。待测样品被恒流泵从样品池中吸取，通过橡胶管从光波导生化传感器的溶液入口进入溶液腔，同时废液从传感器溶液腔的溶液出口通过橡胶管流到废液收集容器里。

光电接收部分包括：激光器、偏振器、光学小孔、光电探测器和计算机。光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘的外圈上，激光器、偏振器、光学小孔安装在光学旋转平台外，它们保持等高共轴，光轴指向光波导生化传感器的中心。激光器发射的激光通过偏振器出射单偏振光，经光学小孔后入射到光波导生化传感器的中心轴，光电探测器、激光器关于光波导生化传感器的中心轴对称，光电探测器固定在光学旋转平台的下转盘外圈，光学旋转平台在激光器位置固定的情况下，匀速改变入射光相对与传感器表面的入射角，同时光电探测器以两倍角速度反向旋转，总能使反射光落在光电探测器上，光电探测器与计算机相连，计算机采集、转换和存储光电探测器接收的信号。

旋转平台静止时，恒流泵通过橡胶管将待测样品输送到光波导生化传感器的溶液腔中，打开激光器，出射激光通过偏振器，选择单偏振光，经过光学小孔后得到一定光斑大小的光入射光波导生化传感器的上层金属膜的中心位置，空气与上层金属膜分界面处的反射光进入光电探测器，光电探测器同计算机的数模转换器(A/D)相连，计算机开始数据采集，通过程序控制驱动光学旋转平台，激光相对光波导生化传感器的入射角就发生改变，观察采集数据的结果，选择合适的入射角后停止驱动光学旋转平台，以此入射角作为工作点连续观测记录，通过检测反射光强的改变，可以反演溶液腔中待测样品的折射率变化。

本发明光波导器件具有以下优点：基于自由空间耦合，无需棱镜作为耦合单元，这样可以实现小角度测量；包覆层为金属，作为导波芯子层的样品折射率可不受限制，即可以是液体，也可以是气体；芯子层的厚度可以达到亚毫米量级，不仅扩大了样品的存放空间，而且为形成光波导的超高阶导模提供了可能，同时增加玻璃层作为导波层，对热噪声产生一定的抑制作用；虽然包覆层采用金属薄膜会引起吸收，但理论指出，吸收会随着芯子层的厚度增加而减小，本发明中ATR吸收峰的宽度比SPR传感器减小1-2个量级；超高阶导模的传播常数对样品的折射率(样品浓度和吸收)的变化极为灵敏；样品处于光能密度极大的振荡场中，探测效率极高；光波导共振模的灵敏度比现有的迅衰场传感器高一个数量级以上。还由于没有棱镜耦合器，使得器件本身可以更小，同时溶液腔可以做到毫米量级，这为激发灵敏度高的高阶导模创造了条件。本发明具有创新的结构设计，抗干扰性能好，结构简单，成本低，易于加工，并对样品的折射率范围要求低，实用性强，具有广阔的市场开发前景。

附图说明

图1本发明测量系统示意图

图2本发明光波导生化传感器结构示意图

图3本发明光波导生化传感器俯视图

图4本发明光波导生化传感器主视图

图5本发明光波导生化传感器和光学旋转平台装配图

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明光波导生化传感器1包括：上层金属膜9、上层光学玻璃片10、溶液腔11、下层光学玻璃片12、下层金属膜13、垫块14、平台15、螺旋测微计16。上层金属膜9沉积在上层光学玻璃片10上，下层金属膜13沉积在下层光学玻璃片12上。将上层光学玻璃片10的金属膜面向上，下层光学玻璃片12的金属膜向下，上层光学玻璃片10、溶液腔11、下层玻璃片12依次叠放，并放在平台15上，用一垫块14抵住，通过旋动螺旋测微计16将整个结构抵紧。其中上层光学玻璃片10、下层光学玻璃片12分别被上层金属膜9、下层金属膜13夹住，使上层金属膜9、上层光学玻璃片10、溶液腔11和下层光学玻璃片12、下层金属膜13构成一光波导，其中上层光学玻璃片10、溶液腔11和下层光学玻璃片12构成光波导的导波层。

下层光学玻璃片12上钻有两个小孔，分别是传感器的溶液入口17和溶液出口18。待测样品通过溶液入口17进入溶液腔11，而废液通过溶液出口18排出。

本发明由上述光波导生化传感器组成的的测量系统包括：光波导生化传感器1、光学旋转平台2、样品输送部分3和光电接收部分4，光学旋转平台2由上下两层转盘5、6，支撑底座7和驱动接口8构成，支撑底座7支撑着上下两层转盘5、6，驱动接口8通过螺钉固定在支撑底座7的侧面，上下两层转盘5、6的旋转中心同轴；样品输送部分3包括：样品池19、橡胶管20、恒流泵21、废液收集容器22，通过橡胶管20将样品池19、恒流泵21、溶液入口17、溶液出口18、废液收集容器22依次连接起来；光电接收部分4包括：激光器23、偏振器24、光学小孔25、光电探测器26和计算机27，激光器23、偏振器24、光学小孔25固定在光学旋转平台2外，它们保持等高共轴，光轴指向上层金属膜9的中心，光电探测器26、激光器23关于光波导生化传感器1的中心轴对称，光电探测器26固定在光学旋转平台2上，光电探测器26与计算机27相连，光波导生化传感器1固定在光学旋转平台2上，光波导生化传感器1的上层金属膜9的中心位置和旋转平台上转盘5的中心在同一位置，光学旋转平台2支撑光波导生化传感器1，光波导生化传感器1固定在光学旋转平台2的上转盘5的中心。

当电机通过驱动接口8驱动上转盘5匀速转动时，下转盘6相对于上转盘5以两倍角速度朝反方向旋转，光电探测器26固定在下转盘6的外圈上。

光学旋转平台2在激光器23位置固定的情况下，匀速改变入射光相对与光波导生化传感器1的入射角，同时光电探测器26以两倍角速度反向旋转，使反射光落在光电探测器26上。