CN115839930B - 一种通过等离激元共振测量液体折射率的光学平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过等离激元共振测量液体折射率的光学平台，包括基台，在基台的上部依次设有光束发射***、载物平台和测定***，光束发射***发射入射光束经照射载物平台后形成反馈光束射入至测定***中；载物平台包括承载架、载物台和样品组件，样品组件位于载物台上且与入射光线相对应，载物台底部通过承载架与基台相连接，样品组件包括柱状棱镜和多个用于存放待测样品的样品仓，在柱状棱镜和样品仓的底部与载物台之间还设有用于旋转样品仓的转换平板组件，初始，其中一个样品仓位于柱状棱镜的一侧、且其与柱状棱镜之间通过金属膜相接触，本发明的检测平台，其结构更加简单紧凑，在检测液体样品折射率时更加便捷，并极大的方便了检测人员。

Description

一种通过等离激元共振测量液体折射率的光学平台

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，具体为一种通过等离激元共振测量液体折射率的光学平台。

背景技术

表面等离子体共振（SPR），是一种物理光学现象，入射光入射在金属和电介质表面时会在金属表面产生表面等离子体，当达到特定的入射角时，入射光和金属表面的等离子体会产生共振现象，此时反射光的光强和相位会发生急剧的衰减和跃变。在这一过程中，电介质微弱的折射率变化会引起共振状态的变化，使得反射光的光学性质（光强、相位、空间分布、频谱分布）产生灵敏响应，因此可以通过对反射光的光学性质的检测实现对电介质折射率高灵敏传感。表面等离子体共振现象于1902年首次被美国物理学家伍德观测到。伍德在实验时将偏振光照射在带有金属衍射光栅的反射镜，反射光中产生异常的明暗条纹图案。这一物理现象产生的机理先后被英国物理学家瑞利和意大利物理学家法诺等人所提出并改善。由德国物理学家奥托、克雷奇曼于1968年分别提出两种采用全反射倏逝波激发表面等离子体的结构，这两种结构可以非常便捷地激发表面等离子体共振，使得表面等离子体共振现象得以应用于现代光学。

随着时代发展，尤其是近几十年以来基于 SPR技术的检测装置凭借其高可靠性、高灵敏度以及实时分析等突出优点，已广泛应用于生物化学检测、临床医学、食品安全检测、药物分析、环境监测等，为人类提供了不可替代的便利并创造了巨大的经济价值。但目前的检测平台，其机械结构和电气***较为复杂，且在检测时，其只能检测单一的液体样品，而在需要对多种液体样品进行同时检测的时候，只能在检测完一种样品后，对用于存放的液体样品池进行简单冲洗后进行再次检测，因此大大限制了检测设备的检测效率，且在检测时存在不可控的因素（如因未对样品池中的前面的检测样品进行完全冲洗干净时），会极大的影响检测精度，因此难以满足使用需求。

鉴于上述情况，亟待开发出一种通过等离激元共振测量液体折射率的光学平台。

发明内容

本发明目的在于提供一种通过等离激元共振测量液体折射率的光学平台，用于解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种通过等离激元共振测量液体折射率的光学平台，包括基台，在所述基台的上部依次设有光束发射***、载物平台和测定***，所述光束发射***发射入射光束经照射载物平台后形成反馈光束射入至测定***中；

所述光束发射***包括光源发射器、可调光阑和偏振镜片，所述光源发射器、可调光阑和偏振镜片位于同一水平线上，所述光源发射器的发射的入射光束依次通过可调光阑和偏振镜片照射至载物平台；所述载物平台包括承载架、载物台和样品组件，所述样品组件位于载物台上且与入射光线相对应，所述载物台底部通过承载架与基台相连接，所述样品组件包括柱状棱镜和多个用于存放待测样品的样品仓，在所述柱状棱镜和样品仓的底部与载物台之间还设有用于旋转样品仓的转换平板组件，初始时，其中一个所述样品仓位于柱状棱镜的一侧、且其与柱状棱镜之间通过金属膜相接触。

鉴于目前的检测平台在测量液体样品时，只能检测单一的液体样品，而在需要对多种液体样品进行检测时，只能待测完一种样品后，对用于存放的液体样品池进行简单冲洗后进行再次检测，因此大大限制了检测设备的检测效率。并极大地影响了检测结果的精度，如样品池中沾附有上次未冲洗干净的液体样品，则会对下次另外样品的检测结果造成极大的干扰。基于此，在本方案中特在载物台上设有多个用于存放液体样品的样品仓，且其中一个样品仓与柱状棱镜相接触，同时在样品仓和柱状棱镜的底部与载物台之间设有用于转动样品仓的转换平板组件，因此基于上述结构，在对多种样品进行检测时，可预先将待测的液体样品逐一放入至样品仓中，而后转换平板组件可带动样品仓进行旋转，从而带动每个样品仓在检测过程中都与柱状棱镜相接触，以此实现对多种液体样品进行逐一检测，避免了在检测多种样品时，只能进行单一检测，且检测后需要对样品仓进行冲洗，因而大大提升了检测平台的检测效率和检测效果。

进一步地，所述转换平板组件包括支撑板、转台、驱动部件和滑动架，在支撑板的内部开设有凹槽，位于凹槽的一侧开设有条形槽，所述转台包括位于凹槽内的基板部和设在基板部上的支撑部，且支撑部尺寸大于基板部，多个所述样品仓呈环形阵列状分布在支撑部上，所述基板部的周侧设有多个与样品仓相对应的凹陷缺口，所述驱动部件位于支撑板的底部、且其输出端贯穿至凹槽内并与基板部相连接，所述驱动部件用于驱动转台转动，所述滑动架包括位于条形槽内、一端通过滚轮与凹陷缺口相抵接、另一端与条形槽端面之间设有弹性伸缩杆的滑块，所述滑块顶部连接有柱状棱镜并使其与样品仓相平齐；为进一步确保液体样品的检测精度，在对其进行检测时，需要保证每一样品仓与柱状棱镜之间都贴合紧密，而在样品仓与柱状棱镜贴合紧密后，会对样品仓的旋转造成阻碍，因此针对柱状棱镜，需要其尽可能在检测时与样品仓贴紧而在样品仓旋转与其保持一定距离，因此基于上述转换平板组件的具体结构，可以实现在样品仓进行旋转换位时，推动柱状棱镜进行联动位移，使其与样品仓保持一定距离，而在样品仓旋转换位后，与柱状棱镜保持贴紧，从而在提升检测平台检测效率的同时，进一步保证检测结果的精度。

作为优选地，所述柱状棱镜端面呈半圆形，所述柱状棱镜的弧形面为入射光束的入射面和反馈光束的出射面，且所述柱状棱镜与样品仓相接触的一面为非弧形面，所述金属膜贴合在柱状棱镜的非弧形面上，确保检测结果的精确性。

进一步地，所述光束发射***还包括设置在光源发射器、可调光阑和偏振镜片下方的横移导轨，所述横移导轨的上部对应光源发射器和可调光阑位置处均通过横移滑台与其滑动连接，基于上述结构，可在检测时，对光源发射器和可调光阑的位置进行调节，从而进一步使检测平台使用更加便捷。

作为优选地，所述载物台与承载架之间转动连接，且所述载物台上一侧位置处安装有游标；所述测定***的底部设有用于支撑其的导轨支架，所述导轨支架的一端与同轴套设在载物台外环面的刻度环相连接，所述游标和刻度环形成角度测量装置。通过游标和刻度环形成角度测量装置实现对入射光束的入射角进行精准测量。

进一步地，所述测定***包括光束信号接收器和测定单元，所述光束信号接收器用于采集反馈光束的光强信号并将其转化为光电信息，所述测定单元包括：键入模块、数据处理模块和显示模块；所述键入模块用于将角度测量装置测量的角度数值转化为数字信息；所述数据处理模块的输入端分别与光束信号接收器和键入模块相连接，用于接收数字信息和光电信息并经预设算法计算得出待测样品折射率信息；所述显示模块输入端与数据处理模块相连接，用于接收待测样品折射率信息并进行实时显示。基于上述，大大提升检测平台的使用便捷性，并极大的方便了检测人员。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

 1、本方案通过设置多个样品仓和转换平板组件，在检测时，预先将多种待测样品分别装入不同样品仓，并通过转换平板组件带动多个样品仓进行旋转，以此使每一个样品仓在检测过程中都能与柱状棱镜相接触，从而使检测平台对多种液体样品进行逐一检测，避免了在检测多种样品时，只能进行单一检测，且检测后需要对样品仓进行冲洗，因而大大提升了检测平台的检测效率和检测效果；

 2、本发明中转换平板组件在推动样品仓进行旋转换位时，可带动柱状棱镜进行联动位移，使其与样品仓保持一定距离，并在样品仓旋转换位后，与柱状棱镜保持贴紧，以此在提升样品检测效率的同时，进一步确保检测精度的精度；

 3、本发明的检测平台，其结构更加简单紧凑，在检测液体样品折射率时更加便捷，并极大的方便了检测人员。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图（实施例一）；

图2为本发明转换平板组件结构示意图（支撑部俯视）；

图3为本发明转换平板组件结构示意图（基板部俯视）；

图4为本发明滑动架结构示意图；

图5为本发明测定单元框图；

图6为本发明结构示意图（实施例二）；

图7为本发明光波长转换器框图。

上述附图中，附图标记对应的部件名称如下：

 1、光束发射***；10、光源发射器；11、可调光阑；12、偏振镜片；13、横移导轨；2、载物平台；20、承载架；21、载物台；22、样品组件；220、样品仓；221、柱状棱镜；222、金属膜；23、转换平板组件；230、支撑板；231、转台；2310、支撑部；2311、基板部；23110、凹陷缺口；232、驱动部件；2330、弹性伸缩杆；2331、滑块；2332、滚轮；24、凹槽；25、条形槽；3、测定***；30、光束信号接收器；31、测定单元；4、光波长转换器；40、第一光电耦合器；41、半导体光放大器；42、第二光电耦合器；5、角度测量装置；50、游标；51、刻度圆环。

实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1至图5所示，本实施例提供一种通过等离激元共振测量液体折射率的光学平台，包括基台，在所述基台的上部依次设有光束发射***1、载物平台2和测定***，所述光束发射***1发射入射光束经照射载物平台2后形成反馈光束射入至测定***3中；所述光束发射***1包括光源发射器10、可调光阑11和偏振镜片12，所述光源发射器10、可调光阑11和偏振镜片12位于同一水平线上，所述光源发射器10的发射的入射光束依次通过可调光阑11和偏振镜片12照射至载物平台2；所述载物平台2包括承载架20、载物台21和样品组件22，所述样品组件22位于载物台21上且与入射光线相对应，所述载物台21底部通过承载架20与基台相连接，所述样品组件包括柱状棱镜221和多个用于存放待测样品的样品仓220，在所述柱状棱镜221和样品仓220的底部与载物台21之间还设有用于旋转样品仓220的转换平板组件23，初始时，其中一个所述样品仓220位于柱状棱镜221的一侧、且其与柱状棱镜221之间通过金属膜222相接触。

本方案中特在载物台21上设有多个用于存放液体样品的样品仓220，且其中一个样品仓220与柱状棱镜221相接触，同时在样品仓220和柱状棱镜221的底部与载物台21之间设有用于转动样品仓220的转换平板组件23，因此基于上述结构，在对多种样品进行检测时，可预先将待测的液体样品逐一放入至样品仓220中，而后转换平板组件23可带动样品仓220进行旋转，从而带动每个样品仓220在检测过程中都与柱状棱镜221相接触，以此实现对多种液体样品进行逐一检测，避免了在检测多种样品时，只能进行单一检测，且检测后需要对样品仓220进行冲洗，因而大大提升了检测平台的检测效率和检测效果。

基于上述实施例1，所述转换平板组件23包括支撑板230、转台231、驱动部件232和滑动架，在支撑板230的内部开设有凹槽24，位于凹槽24的一侧开设有条形槽25，所述转台231包括位于凹槽24内的基板部2311和设在基板部2311上的支撑部2310，且支撑部2310尺寸大于基板部2311，多个所述样品仓220呈环形阵列状分布在支撑部2310上，所述基板部2311的周侧设有多个与样品仓220相对应的凹陷缺口23110，这里需要说明的是，凹陷缺口23110优选为弧形，所述驱动部件232位于支撑板230的底部、且其输出端贯穿至凹槽24内并与基板部2311相连接，所述驱动部件用于驱动转台231转动，这里还需要说明的是，为了确保转台231的转动精度，驱动部件232优选为精度较高的伺服电机，所述滑动架包括位于条形槽25内、一端通过滚轮2332与凹陷缺口23110相抵接、另一端与条形槽25端面之间设有弹性伸缩杆2330的滑块2331，所述滑块2331顶部连接有柱状棱镜221并使其与样品仓220相平齐；基于上述转换平板组件23的具体结构，可以实现在样品仓220进行旋转换位时，推动柱状棱镜221进行联动位移，使其与样品仓220保持一定距离，而在样品仓220旋转换位后，又与柱状棱镜221保持贴紧，从而在提升检测平台检测效率的同时，进一步保证检测结果的精度，具体来说，在进行转换时，驱动部件232可带动转台231转动，而转台231转动时，位于凹槽24的内的基板部2311同步转动并通过凹陷缺口23110推动滚轮2332使其带动滑块2331在条形槽25内滑动，也即是初始时，滚轮2332位于基板部2311四周的其中一个凹陷缺口23110内，而随着基板部2311的转动，滚轮2332会慢慢从开始的凹陷缺口23110中移出，直至随着基板部2311的继续转动而进入至下一凹陷缺口23110中（滚轮2332整个运动过程分为三部分：凹陷缺口23110-基板部2311外周面-下一凹陷缺口23110），而在整个过程中，由于滑块2331是设置在条形槽25内且通过弹性伸缩杆2330与条形槽25另一端面相连接，因此在整个运动过程中仅有滑块2331可进行一定的径向位移，在滚轮2332从凹陷缺口23110移至基板部2311外周面时，滚轮2332是从距离弹性伸缩杆2330较远位置处移动至较近位置，因此其可推动滑块2331挤压弹性伸缩杆2330进行移动（此时滑块2331带动柱状棱镜221与样品仓220之间分离，避免对样品仓220的旋转换位造成阻碍），而在滚轮2332从基板部2311的外后面移至下一凹陷缺口23110时，滚轮2332是从距离弹性伸缩杆2330较近位置处移动至较远位置，因此其可带动滑块2331在弹性伸缩杆2330弹性恢复力的作用下回至原位，进而带动柱状棱镜221与换位后的样品仓220相贴紧。

基于上述实施例1，较为优选地，所述柱状棱镜221端面呈半圆形，所述柱状棱镜221的弧形面为入射光束的入射面和反馈光束的出射面，且所述柱状棱镜221与样品仓220相接触的一面为非弧形面，所述金属膜222贴合在柱状棱镜221的非弧形面上。以增加样品仓220与柱状棱镜221的接触面积，确保其检测结果更加精确，进一步柱状棱镜221优选K9玻璃制成。

更进一步地，所述光束发射***1还包括设置在光源发射器10、可调光阑11和偏振镜片12下方的横移导轨13，所述横移导轨13的上部对应光源发射器10和可调光阑11位置处均通过横移滑台与其滑动连接，基于上述结构，可在检测时，对光源发射器10和可调光阑11的位置进行调节，从而进一步使检测平台使用更加便捷。

基于上述实施例1，优选地，所述载物台21与承载架20之间转动连接，且所述载物台21上一侧位置处安装有游标50；所述测定***3的底部设有用于支撑其的导轨支架，所述导轨支架的一端与同轴套设在载物台21外环面的刻度环相连接，所述游标50和刻度环形成角度测量装置5。通过游标50和刻度环形成角度测量装置5在发生等离激元共振时对入射光束的入射角进行测量，即保证测量的共振角更加精确。

基于上述实施例1，进一步来说，所述测定***3包括光束信号接收器30和测定单元31，所述光束信号接收器30用于采集反馈光束的光强信号并将其转化为光电信息，所述测定单元31包括：键入模块、数据处理模块和显示模块；所述键入模块用于将角度测量装置5测量的角度数值转化为数字信息；所述数据处理模块的输入端分别与光束信号接收器和键入模块相连接，用于接收数字信息和光电信息并经预设算法计算得出待测样品折射率信息；所述显示模块输入端与数据处理模块相连接，用于接收待测样品折射率信息并进行实时显示。基于上述，大大提升检测平台的使用便捷性，并极大的方便了检测人员。

需要说明的是，通过等离激元共振测量待测液体样品的折射率，主要是基于光波传播过程中发生的全内反射现象，会因为倏逝波的产生而使得反射光波在两种不同折射率介质的分界面处移动一个的距离。如果光波传输的媒介是很纯净的介质，那么光波能量在介质传播的过程中就不会被吸收，此时全内反射的光波强度不会改变，而倏逝波会在分界面处沿着光疏介质在水平方向传播，传播距离为半个光波波长，之后会传回光密介质中。如果光疏介质不是很纯净，那么光波能量将会被光疏介质吸收一部分，导致反射光波的强度有一定的衰减。光波能量的损耗形式主要有两种：吸收介质导致的衰减全反射与非吸收性透明物质导致的抑制全反射。前者光波能量的损耗是因为存在不纯净介质的吸收，所以光波能量的损耗程度是由传输介质的纯净度来决定的；后者是因为光波在非吸收性透明介质传输时会产生部分折射，这部分折射使得光波能量损失一部分，因此这些非吸收性透明介质的折射率大小决定了光波能量的损耗程度。由于衰减全反射和抑制全反射是同时发生的，所以如果不严格区分的话，则将两者统称为衰减全反射。人们利用衰减全反射的原理，将入射光波的能量通过倏逝波传输到金属薄膜的表面，与金属表面的等离子体波耦合共振，进而产生等离子体振荡现象，因此大部分入射光波能量被表面等离子体波吸收，导致反射光波的能量急剧减少，通过分析表面等离子体共振现象的光谱曲线来分析待测物质的折射率。具体来说，就是将其检测到的参数（包括已知的共振角、金属介电常数及柱状棱镜221（K9玻璃）的折射率）代入如下公式中：

其中 θ为测出的共振角， R _E ( ε _M )为金属膜介电常数， N _p 为柱状棱镜的折射率， N _S 为待测液体样品的折射率。

实施例2

如图6至图7所示，需要说明的是，本实施例是在实施例1的基础上提出的，由于在发生等离激元共振时，其共振波长与待测物质的折射率存在正相关关系，基于此，在本实施例中，光束发射***1有一优选方案为，在光源发射***中还设有用于对光源发射器10发出的光束进行波长调换的光波长转换器4，其包括第一光电耦合器40、两个相互并联的半导体光发大器和第二光电耦合器42，所述第一光电耦合器40的输入端用于接收光源发射器10发出的光束并经过两个相互并联的半导体光放大器41分为频率不同的第一激光脉冲和第二激光脉冲，所述第二光电耦合器42的输出端与两个半导体光放大器41相连接，并对第一激光脉冲和第二激光脉冲的频率进行调节叠合，进而对入射光束的波长进行调节。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种通过等离激元共振测量液体折射率的光学平台，包括基台，其特征在于，在所述基台的上部依次设有光束发射***（1）、载物平台（2）和测定***（3），所述光束发射***（1）发射入射光束经照射载物平台（2）后形成反馈光束射入至测定***（3）中；

所述光束发射***（1）包括光源发射器（10）、可调光阑（11）和偏振镜片（12），所述光源发射器（10）、可调光阑（11）和偏振镜片（12）位于同一水平线上，所述光源发射器（10）的发射的入射光束依次通过可调光阑（11）和偏振镜片（12）照射至载物平台（2）；所述载物平台（2）包括承载架（20）、载物台（21）和样品组件（22），所述样品组件（22）位于载物台（21）上且与入射光线相对应，所述载物台（21）底部通过承载架（20）与基台相连接，所述样品组件包括柱状棱镜（221）和多个用于存放待测样品的样品仓（220），在所述柱状棱镜（221）和样品仓（220）的底部与载物台（21）之间还设有用于旋转样品仓（220）的转换平板组件（23），初始时，其中一个所述样品仓（220）位于柱状棱镜（221）的一侧、且其与柱状棱镜（221）之间通过金属膜（222）相接触；

其中，所述转换平板组件（23）包括支撑板（230）、转台（231）、驱动部件（232）和滑动架，在支撑板（230）的内部开设有凹槽（24），位于凹槽（24）的一侧开设有条形槽（25），所述转台（231）包括位于凹槽（24）内的基板部（2311）和设在基板部（2311）上的支撑部（2310），且支撑部（2310）尺寸大于基板部（2311），多个所述样品仓（220）且呈环形阵列状分布在支撑部（2310）上，所述基板部（2311）的周侧设有多个与样品仓（220）相对应的凹陷缺口（23110），所述驱动部件（232）位于支撑板（230）的底部、且其输出端贯穿至凹槽（24）内并与基板部（2311）相连接，所述驱动部件（232）用于驱动转台（231）转动，所述滑动架包括位于条形槽（25）内、一端通过滚轮（2332）与凹陷缺口（23110）相抵接、另一端与条形槽（25）端面之间设有弹性伸缩杆（2330）的滑块（2331），所述滑块（2331）顶部连接有柱状棱镜（221）并使其与样品仓（220）相平齐；同时，所述柱状棱镜（221）端面呈半圆形，所述柱状棱镜（221）的弧形面为入射光束的入射面和反馈光束的出射面，且所述柱状棱镜（221）与样品仓（220）相接触的一面为其非弧形面，所述金属膜（222）贴合在柱状棱镜（221）的非弧形面上。

2.根据权利要求1所述的一种通过等离激元共振测量液体折射率的光学平台，其特征在于，所述光束发射***（1）还包括设置在光源发射器（10）、可调光阑（11）和偏振镜片（12）下方的横移导轨（13），所述横移导轨（13）的上部对应光源发射器（10）和可调光阑（11）位置处均通过横移滑台与其滑动连接。

3.根据权利要求1所述的一种通过等离激元共振测量液体折射率的光学平台，其特征在于，所述载物台（21）与承载架（20）之间转动连接，且所述载物台（21）上一侧位置处安装有游标（50）；所述测定***的底部设有用于支撑其的导轨支架，所述导轨支架的一端与同轴套设在载物台（21）外环面的刻度环相连接，所述游标（50）与刻度环形成角度测量装置（5）。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种通过等离激元共振测量液体折射率的光学平台，其特征在于，所述测定***（3）包括光束信号接收器（30）和测定单元（31），所述光束信号接收器（30）用于采集反馈光束的光强信号并将其转化为光电信息，所述测定单元（31）包括：键入模块、数据处理模块和显示模块；

所述键入模块用于将角度测量装置（5）测量的角度数值转化为数字信息；

所述数据处理模块的输入端分别与光束信号接收器和键入模块相连接，用于接收数字信息和光电信息并经预设算法计算得出待测样品折射率信息；

所述显示模块输入端与数据处理模块相连接，用于接收待测样品折射率信息并进行实时显示。

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