駱 琰， 石福權(quán)， 戴歡歡， 陳佳佳， 彭保進

(浙江師范大學 信息光學研究所,浙江 金華 321004)

0 引 言

折射率是物質(zhì)的固有屬性，也是分析物質(zhì)信息的重要依據(jù).目前，用于溶液折射率測量的方法有:光纖阿貝折射法[1]、楊氏干涉法[2-3]、掠面入射法[4-6]、激光照射法[7]等.這些方法都可測得溶液折射率，但也存在一些缺點，比如：阿貝儀只能測量透明液體折射率；楊氏干涉法的精度雖高但穩(wěn)定性差；掠面入射法的全反射原理局限了它的測量范圍；激光照射法測量范圍較廣但測量時液體的需求量很大.

對比上述折射率測量法，表面等離子體共振(surface plasmon resonance,SPR)技術(shù)具有靈敏度高、可無標記實時測量[8]等優(yōu)點.SPR發(fā)生在金屬-電介質(zhì)表面，它對外界折射率的變化尤其敏感，且不局限于透明液體的測定，可用于化學量和物理量的測量.目前，基于SPR原理的傳感器已被廣泛應用于食品、環(huán)境、生化檢測等各個領(lǐng)域[9-11].已有很多基于強度調(diào)制SPR的傳感器被報道，它們的明顯缺點是靈敏度不夠高.角度調(diào)制SPR棱鏡耦合的靈敏度[12]優(yōu)于3×10-7RIU(refrective index unit, RIU.本文定義為折射率單位，表示每改變一個單位折射率時，所測量參量的變化量，下文同)，遠高于強度調(diào)制.

基于SPR角度調(diào)制技術(shù)，本文設(shè)計了一個溶液折射率檢測系統(tǒng).通過標準溶液測量出SPR共振角，標定出標準溶液時共振角與折射率之間的關(guān)系.可應用于不同種類溶液的折射率測量；同時，因不同濃度溶液的折射率大小不同，系統(tǒng)加以改進后還可對不同溶液濃度進行檢測.

1 棱鏡SPR耦合原理

表面等離子體振蕩[13](surface plasmon resonance,SPR)，是發(fā)生在金屬-電介質(zhì)表面的一種復雜物理光學現(xiàn)象.它對外部折射率十分敏感，當電介質(zhì)的折射率發(fā)生細微的變化時，共振峰會相應發(fā)生漂移[14].而折射率是物質(zhì)的固有屬性，因此，可以用SPR技術(shù)檢測與折射率有關(guān)的物理量，比如水含量、物質(zhì)濃度等.

目前，衰減全反射棱鏡耦合是最常見的SPR結(jié)構(gòu)類型，其中典型的包括Otto模型與Kretschmann模型[15-16].Otto模型中采用的是空氣層結(jié)構(gòu)，Kretschmann模型采用在基底直接鍍金屬膜層，金屬膜作為該結(jié)構(gòu)感應外部介質(zhì)的部位.實驗中采用棱鏡-金屬膜-空氣3層結(jié)構(gòu)的Kretschmann模型.

圖1 Kretschmann模型下的SPR原理圖

圖2 實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(1)

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(4)

(5)

圖3 VB控制界面示意圖

2 實驗系統(tǒng)設(shè)計

實驗采用角度調(diào)制法[21]，光源為半導體激光器發(fā)出的單色光(632 nm).檢測過程中，改變?nèi)肷浣?，反射光的強度隨之改變，記錄反射強度最小時的入射角即為共振角；被測溶液的折射率變大，共振角也隨之變大；通過共振角的大小反映出折射率、濃度等的變化[22-23].

利用偏振片濾除S偏振光，保留P偏振光與表面等離子波發(fā)生共振.旋轉(zhuǎn)臺上放置SPR傳感器件(由鍍膜棱鏡和樣品池兩部分組成：棱鏡采用濺射鍍膜法，在其中一面鍍上約60 nm厚的金屬膜，用強力膠固定樣品池上).激光器出射的光經(jīng)過偏振片入射到SPR傳感器上，棱鏡的金屬膜為傳感面，出射光經(jīng)由光電檢測電路，光信號轉(zhuǎn)化為電信號并放大；利用采集卡采集信號并傳輸?shù)接嬎銠C.通過VB程序?qū)崿F(xiàn)實時溶液折射率檢測.程序控制過程為：VB程序控制旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)，計算機實時接收電信號.旋轉(zhuǎn)臺每轉(zhuǎn)動0.1°，計算機自動記錄對應的角度與電壓值.當旋轉(zhuǎn)臺從0°轉(zhuǎn)動到180°時，計算機分析記錄數(shù)據(jù)得到一個共振角；接著旋轉(zhuǎn)臺反方向旋轉(zhuǎn)180°，再次測得一個共振角.如此循環(huán)檢測，便可得到不同折射率下的共振角，進而根據(jù)定標數(shù)據(jù)報告折射率值.VB控制界面如圖3所示.

根據(jù)設(shè)計搭建實驗系統(tǒng)如圖4所示，并對系統(tǒng)定標，定標完成后進行實驗.

1.光源；2.偏振片；3.SPR傳感器；4.光電探測器；5.旋轉(zhuǎn)臺；6.步進電機控制器；7.光電放大電路；8.采集卡；9.計算機

3 角度調(diào)制實驗結(jié)果與分析

3.1 蔗糖溶液定標結(jié)果

圖5 20 ml溶液樣品旋轉(zhuǎn)角度-電壓關(guān)系圖

選取蔗糖溶液，用角度調(diào)制法對系統(tǒng)進行定標，在20 ml水中逐滴加入飽和蔗糖水(6滴清水合約0.2 ml)，配置不同濃度(對應不同折射率)的蔗糖溶液進行共振角的測量.以某一確定折射率的溶液為例，控制旋轉(zhuǎn)臺，每次自動掃描0.1°，記錄每個角度所對應的電壓值(系統(tǒng)用光電轉(zhuǎn)化電路將反射光強的改變轉(zhuǎn)化為對應的電壓值)，并對數(shù)據(jù)進行描點處理，得到圖5.從圖5可以看出，旋轉(zhuǎn)角度-8.6°處為此時溶液的共振點，對應的電壓約為2.202 V.

在已測定共振角的20 ml水中逐滴加入飽和蔗糖水溶液，多次測量，完成角度調(diào)制下的定標.表1為定標數(shù)據(jù)表.

表1 角度調(diào)制下蔗糖溶液定標數(shù)據(jù)表

對表1數(shù)據(jù)進行處理可以得到實時電壓和相對共振角、折射率與實時電壓的關(guān)系，以及折射率與相對共振角之間的關(guān)系.

圖6為實時電壓與不同共振角、折射率值的擬合直線.圖中2條曲線均可以近似擬合為直線，說明共振角與電壓、折射率與電壓之間均近似為線性關(guān)系.圖中擬合直線a為電壓與共振角的擬合線；擬合直線b為電壓與折射率值擬合線，其靈敏度為251.192 V/RIU.

圖7為相對共振角與折射率的擬合直線.從該擬合直線中可以看出，角度調(diào)制下共振角與折射率的靈敏度為-203.884°/ RIU.

3.2 乳制品折射率檢測結(jié)果

利用上述定標結(jié)果，本文以乳制品為例進行溶液折射率檢測.配置不同濃度的乳制品(市售袋裝伊利牛奶)，將配置好的溶液倒入金屬容器，用定標結(jié)果下的角度范圍和實驗參數(shù)進行實驗數(shù)據(jù)的采集.數(shù)據(jù)采集的過程中步驟操作與定標過程一致.測量得到角度調(diào)制下乳制品溶液的實驗數(shù)據(jù)如表2所示.

圖6 角度調(diào)制下實時電壓與相對共振角及折射率之間的擬合曲線圖

圖7 角度調(diào)制下相對共振角與折射率的擬合曲線圖

表2 角度調(diào)制下乳制品實驗數(shù)據(jù)表

圖8 角度調(diào)制下折射率與實時電壓、共振角的擬合直線圖

對表2的實驗數(shù)據(jù)進行分析，得到的結(jié)果如圖8所示.從圖8可看出，折射率與實時電壓、共振角之間分別呈線性關(guān)系，且線性度很高.通過上述數(shù)據(jù)分析可得本系統(tǒng)在乳制品折射率測量中的靈敏度達0.208 V/(0.001n)(n為折射率).基于上述的靈敏度及簡單的結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)在溶液折射率的檢測方面有很大的應用價值.

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)基于SPR角度調(diào)制原理，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，靈敏度明顯高于強度調(diào)制系統(tǒng)[24]；可以針對各類溶液進行實時的折射率檢測；基于液體折射率與其濃度有對應關(guān)系，本系統(tǒng)可在測量溶液濃度方面加以應用.由于本系統(tǒng)具有較高的折射率檢測靈敏度，也可應用于水質(zhì)等環(huán)境監(jiān)測中.此外，在金屬膜上固定特殊物質(zhì)敏感的傳感層，本系統(tǒng)還可以用于不同領(lǐng)域的物質(zhì)檢測，比如生化反應中的物質(zhì)檢測.由于SPR的角度調(diào)制技術(shù)可對不透明液體進行高靈敏度折射率測量，本文報道的成果有推廣應用價值.

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