表面等離子體共振透明液體折射率檢測系統(tǒng)及檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域，涉及一種透明液體折射率檢測系統(tǒng)，具體涉及一種表面等離子體共振透明液體折射率檢測系統(tǒng)及檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)傳感技術(shù)是一種新興的檢測技術(shù)。SPR傳感技術(shù)基于一種名為表面等離子體共振的物理光學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)光線由光密介質(zhì)照射到光疏介質(zhì)，其入射角大于某個特定角度時，會發(fā)生全反射現(xiàn)象。如果在兩種介質(zhì)的界面之間，存在一層合適厚度的金屬膜，在發(fā)生全反射的條件下，入射光線P偏振分量產(chǎn)生的消逝波將穿透導(dǎo)電金屬層，并與金屬層中的自由電子相互作用，激發(fā)出沿金屬導(dǎo)體表面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體波。適當(dāng)改變?nèi)肷涔獾娜肷浣嵌然蛘卟ㄩL，當(dāng)入射光波矢在介質(zhì)與金屬界面方向上的分量同表面等離子體波的固有傳播波矢滿足匹配時發(fā)生共振。共振時入射光的大部分能量被表面等離子體波吸收，使得反射光能量急劇下降，從而出現(xiàn)共振吸收峰。理論計算表明當(dāng)金屬膜兩側(cè)介質(zhì)折射率發(fā)生極細(xì)微的變化時，將會相應(yīng)地改變諧振吸收峰的位置。SPR傳感技術(shù)就是利用上述原理對附著金屬表面的待分析物進(jìn)行檢測的。
[0003]掃描SPR的設(shè)備分為角度掃描、波長掃描兩種。掃描裝置一般分為棱鏡型、光纖型、波導(dǎo)型和光柵型，其中棱鏡型應(yīng)用較為廣泛。在棱鏡型角度掃描裝置中，根據(jù)幾何原理，棱鏡轉(zhuǎn)動致使出射光出射角度的變化是入射光入射角度變化的2倍，這就要求有相應(yīng)的設(shè)備去滿足角度匹配。目前比較普遍的技術(shù)有內(nèi)盤外盤讀數(shù)法、連桿讀數(shù)法、橢球讀數(shù)法等。內(nèi)盤外盤讀數(shù)法，外盤的轉(zhuǎn)速是內(nèi)盤的2倍，棱鏡放置在內(nèi)盤，探測器放置于外盤。連桿測量法(專利號98102366.5)，光源和探測器放置于同軸的連桿上，角度同時變化。橢球讀數(shù)法(專利號200910071979.0)，棱鏡和探測器位于同一橢圓的兩個焦點處，轉(zhuǎn)動棱鏡可以無誤差接收反射光?？梢?，現(xiàn)有這些方法需要附屬設(shè)備來滿足角度匹配，增加了表面等離子體共振檢測系統(tǒng)的復(fù)雜性。此外，目前的棱鏡結(jié)構(gòu)多采用三角棱鏡或半圓柱棱鏡結(jié)構(gòu)，在棱鏡底面鍍金屬膜，待測樣品直接接觸金屬膜，以此測量待測樣品的折射率；這樣由于金屬膜清洗困難，增加了金屬膜重復(fù)使用的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種表面等離子體共振透明液體折射率檢測系統(tǒng)。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種表面等離子體共振透明液體折射率檢測系統(tǒng)，它包括:
激光光源，所述激光光源用于發(fā)射光線；
偏振棱鏡，所述偏振棱鏡與所述激光光源相配合設(shè)置，用于將所述激光光源發(fā)射的光線轉(zhuǎn)換成向下垂直入射的P偏振光；
樣品盒，所述樣品盒安裝在所述偏振棱鏡的下方，用于盛放待測透明液體并將所述P偏振光反射成與其相平行的第一出射光；所述P偏振光在所述樣品盒內(nèi)的入射點位置固定;
半透半反鏡，所述半透半反鏡對應(yīng)設(shè)置在所述樣品盒的上方，用于將所述第一出射光反射成第二出射光；
透鏡，所述透鏡用于匯聚所述第二出射光；
探測器，所述探測器安裝在所述透鏡的焦點處；
轉(zhuǎn)臺，所述轉(zhuǎn)臺用于固定所述樣品盒并帶動其與所述P偏振光形成不同度數(shù)的入射角；
控制器，所述控制器與所述轉(zhuǎn)臺相電連接；
計算機，所述計算機分別與所述探測器、所述控制器相通訊。
[0006]優(yōu)化地，所述樣品盒包括對應(yīng)設(shè)置在所述偏振棱鏡下方的金屬膜基片、對應(yīng)設(shè)置于所述半透半反鏡下方的全反射鏡，所述全反射鏡和所述金屬膜基片形成夾角為直角的V形結(jié)構(gòu)且側(cè)邊密封。
[0007]優(yōu)化地，所述樣品盒通過連接件固定在所述轉(zhuǎn)臺上。
[0008]進(jìn)一步地，所述金屬膜基片為外表面鍍金屬膜的透明薄片。
[0009]進(jìn)一步地，所述透明薄片的材質(zhì)為玻璃或硅，所述金屬膜的材質(zhì)為金、銀或鋁。
[0010]進(jìn)一步地，所述透明薄片厚度為0.01-100毫米，所述金屬膜厚度為10~500納米。
[0011]本發(fā)明的又一目的在于提供一種表面等離子體共振透明液體折射率檢測方法，使用上述的表面等離子體共振透明液體折射率檢測系統(tǒng)，包括以下步驟:
(a)向樣品盒中加入待測透明液體；
(b)在計算機中輸入入射角度，利用控制器控制轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動至對應(yīng)角度；
(C)打開激光光源發(fā)射光線，使光線依次通過偏振棱鏡、樣品盒、半透半反鏡、透鏡，隨后利用探測器將探測到的信號輸送給計算機處理，得到樣品盒的反射率；
(d)重復(fù)步驟和步驟多次，利用計算機將輸入的不同信號處理后形成樣品盒的反射率角譜；
(e)根據(jù)所述反射率角譜確定待測透明液體的折射率。
[0012]由于上述技術(shù)方案運用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點:本發(fā)明表面等離子體共振透明液體折射率檢測系統(tǒng)，通過將激光光源、偏振棱鏡、樣品盒、半透半反鏡等進(jìn)行有機地組合，這樣當(dāng)樣品盒在豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動時，P偏振光的入射點和第一出射光的出射方向不變，從而最終可以利用半透半反鏡間接實現(xiàn)向計算機發(fā)送不同強度的信號，克服了傳統(tǒng)棱鏡型結(jié)構(gòu)除轉(zhuǎn)動平臺外還需加入光源或者探測器的運動機械裝置的弊端，簡化了系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0013]附圖1為本發(fā)明表面等離子體共振透明液體折射率檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2為本發(fā)明表面等離子體共振透明液體折射率檢測系統(tǒng)樣品盒的示意圖；
附圖3為利用本發(fā)明表面等離子體共振透明液體折射率檢測方法測得的體積比1:1的乙醇/水混合溶液反射率角譜；
其中，1、激光光源；2、偏振棱鏡；3、半透半反鏡；4、樣品盒；41、全反射鏡；42、金屬膜基片；43、入射點；44、待測透明液體；45、液面；5、透鏡；6、探測器；7、計算機；8、控制器；9、轉(zhuǎn)臺；10、連接件。
【具體實施方式】
[0014]下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進(jìn)行詳細(xì)說明:
如圖1所示的表面等離子體共振透明液體折射率檢測系統(tǒng)，主要包括激光光源1、偏振棱鏡2、半透半反鏡3、樣品盒4、透鏡5、計算機7和轉(zhuǎn)臺9等部件。
[0015]其中，激光光源I用于產(chǎn)生并發(fā)射光線；偏振棱鏡2與激光光源I相配合設(shè)置(在本實施例中，偏振棱鏡2對應(yīng)設(shè)置于所述激光光源I的正下方)，用于將激光光源I發(fā)射的光線轉(zhuǎn)換成向下垂直入射的P偏振光。
[0016]樣品盒4安裝在偏振棱鏡2的下方，在本實施例中，如圖2所示，樣品盒4包括全反射鏡41和金屬膜基片42，金屬膜基片42設(shè)置在偏振棱鏡2的下方，用于將P偏振光反射至全反射鏡41上，定義P偏振光與金屬膜基片42的交點為入射點43，該入射點43在金屬膜基片42的位置保持不變；全反射鏡41對應(yīng)設(shè)置于半透半反鏡3的下方，它與金屬膜基片42形成夾角為直角的V形結(jié)構(gòu)并且側(cè)邊密封(即全反射鏡41的底邊與金屬膜基片42的底邊密封連接，而它們與底邊相鄰的側(cè)邊也通過其它部件密封連接，從而形成縱切面為直角三角形的容器結(jié)構(gòu))，用于將從全反射鏡41反射來的光線反射成與P偏振光相平行但方向相反的第一出射光。在本實施例中，定義金屬膜基片42與全反射鏡41相向的一面為內(nèi)表面，它與全反射鏡41相背的一面為外表面，則金屬膜基片42為外表面鍍金屬膜的透明薄片；透明薄片的材質(zhì)為玻璃或硅，其厚度為0.01-100毫米；金屬膜的材質(zhì)為金、銀或鋁，其厚度為10~500納米。傳統(tǒng)棱鏡型結(jié)構(gòu)，棱鏡加工困難、鍍膜工藝復(fù)雜、鍍膜成本高，而且樣品必須與金屬膜直接接觸，金屬膜易受到污染，清洗困難，影響二次測量精度，并直接影響金屬膜的使用壽命；本發(fā)明采用透明薄片為襯底進(jìn)行鍍膜，加工方便、成本低、利于更換；而樣品與透明薄片接觸，金屬膜與