专利名称：溶液浓度和吸收测量方法
技术领域：
本发明涉及的是一种测量方法，特别是一种溶液浓度和吸收测量方法，属于物理化学测量领域。
背景技术：
近二十年来，随着激光技术的发展，激光传感器在溶液浓度和吸收测量方面的应用取得了长足的进步。经文献检索，发现美国专利号为5055265，名称为生物传感器。这种传感器具有较好的效果，能对溶液的浓度和吸收作出测量。该技术在耦合器件底面上镀一层薄膜，其上镀一层金属薄膜，其下紧贴金属放置样品。金属膜度一般在10到60nm之间。但由于在这种结构中，样本被放置在光波的迅衰场中，即在这种场中，光波矢的能量迅速衰减，减弱了光波与待测样本的相互作用，所以这种方法的测量精度虽然比现有的传统方法要高的多，理论上对样本折射率的检测可以达到1×10-5，耦合器件采用高折射率聚合物材料，折射率为2.0，薄膜采用硅树脂橡胶材料，厚度为1200nm，折射率为1.4，金属膜采用金，厚度为17nm，样品折射率约为1.4，相应的光强变化为0.2％。但难以在此基础上进一步提高。
发明内容
本发明利用激光入射到耦合器件-上层金属膜-样品腔-下层金属膜的波导结构中，其反射光强随溶液样品的浓度和吸收变化极为敏感的特性，通过监测反射光强的变化来测量溶液浓度和吸收。本发明的测量方法进一步具体描述如下第一步选择合适的材料和相应的参数，形成耦合器件-上层金属膜-样品-下层金属膜的波导结构；选择银、金、铝、铜等在光频范围内介电常数虚部较小的金属，要求其介电常数实部εr≤-8，介电常数虚部εi≤5.0，耦合器件用高折射率棱镜(n＞1.7)、光栅、或耦合波导等器件，棱镜的形状选择等边、等腰、柱面、球面等其它常见或特殊形状，上层金属膜的厚度在5nm～60nm之间，样品腔的厚度在10μm～100μm之间，下层金属膜厚度大于10nm，第二步选择合适的激光波长和入射角度以及偏振方法，激光光源的工作波长在560nm～890nm范围内选择，激光器输出的激光束以一定的入射角度入射到耦合器件上，入射角度的选择要求在能激发共振吸收峰的范围内，并处于吸收峰的下降沿，偏振方式可根据样品的实际特性选定，通常可以选择横磁波入射，横电波作为参考光，第三步在耦合器件的另一侧利用光强测量装置接收并测量从耦合器件底面反射的激光束光强，根据反射光强的变化计算得到相应的溶液折射率的变化，选配标准溶液通过定标得出溶液浓度和吸收的数值。
在本发明中，发现衰减全反射导模吸收峰的下降沿随溶液的折射率等特性变化较为敏感，且成线性关系的特点，并提出了在该线性区范围内选择测量工作点。
本发明具有实质性特点和显著进步，可以广泛应用于多种浓度和吸收的测量，尤其是溶液中的残留物浓度测量。本发明可以实现高灵敏度、低消耗量、快速实时的测量，同时保证仪器具有制造工艺简单、价格低廉、易于操作、小型化、便于携带等高技术性能。
具体实施例方式实例1第一步耦合器件选用高折射率等边三角棱镜(ZF6，n＝1.7355)。上层金属膜厚度为25nm，样品腔厚度为800μm，下层金属膜厚度为32nm。金属采用金(690.0nm波长下ε＝-14.4＋i1.22)。
第二步激光波长为690.0nm和入射角为0.55°。能按要求激发共振吸收峰，并处于导模吸收峰的线性区下降沿。入射光为横磁波。
第三步在棱镜的另一侧接收并测量从棱镜底面反射的激光束光强。
根据计算表明对样品折射率的检测可以达到2×10-7(反射光强变化为0.2％)。样品腔内不同样品溶液折射率和反射光强的变化列在下表中。样品折射率反射光强(百分比)1.77＋4×10-719.61.77＋2×10-719.41.77 19.21.77-2×10-719.01.77-4×10-718.8实例2第一步耦合器件选用高折射率等边三角棱镜(ZF6，n＝1.7355)。上层金属膜厚度为5nm，样品腔厚度为1000μm，下层金属膜厚度为10nm。金属采用金(560.0nm波长下ε＝-8.2＋i1.79)。
第二步激光波长为560.0nm和入射角为1.15°。能按要求激发共振吸收峰，并处于导模吸收峰的线性区下降沿。入射光为横磁波。
第三步在棱镜的另一侧接收并测量从棱镜底面反射的激光束光强。根据计算表明对样品折射率的检测可以达到2×10-6(反射光强变化为0.2％)。样品腔内不同样品溶液折射率和反射光强的变化列在下表中。样品折射率反射光强(百分比)1.77＋2×10-611.31.77＋1×10-611.11.77 10.91.77-1×10-610.71.77-2×10-610.5实例3第一步耦合器件选用高折射率等边三角棱镜(ZF6，n＝1.7355)。上层金属膜厚度为600nm，样品腔厚度为10μm，下层金属膜厚度为900nm。金属采用金(890.0nm波长下＝-34.5＋i2.47)。
第二步激光波长为890.0nm和入射角为2.2°。能按要求激发共振吸收峰，并处于导模吸收峰的线性区下降沿。入射光为横磁波。
第三步在棱镜的另一侧接收并测量从棱镜底面反射的激光束光强。
根据计算表明对样品折射率的检测可以达到5×10-6反射光强变化为0.2％)。样品腔内不同样品溶液折射率和反射光强的变化列在下表中。样品折射率反射光强(百分比)1.77＋10×10-670.91.77＋5×10-670.71.77 70.51.77-5×10-670.31.77-10×10-670.权利要求
1.一种溶液浓度和吸收测量方法，其特征在于利用激光入射到耦合器件-上层金属膜-样品腔-下层金属膜的波导结构中，其反射光强随溶液样品的浓度和吸收变化极为敏感的特性，通过监测反射光强的变化来测量溶液浓度和吸收。
2.一种溶液浓度和吸收测量方法，其特征还在于对本方法进一步限定如下第一步选择合适的材料和相应的参数，形成激光入射到耦合器件-上层金属膜-样品腔-下层金属膜的波导结构，选择银、金、铝、铜等在光频范围内介电常数虚部较小的金属，要求其介电常数实部εr≤-8，介电常数虚部εi≤5.0，耦合器件用高折射率棱镜(n＞1.7)、光栅、或耦合波导等器件，棱镜的形状选择等边、等腰、柱面、球面等其它常见或特殊形状，上层金属膜的厚度在5nm～60nm之间而定，样品腔的厚度在10μm～100μm之间，下层金属膜厚度大于10nm，第二步选择合适的激光波长和入射角度以及偏振方法，激光光源的工作波长在560nm～890nm范围内选择，激光器输出的激光束以一定的入射角度入射到耦合器件上，入射角度的选择要求在能激发共振吸收峰的范围内，并处于吸收峰的下降沿，偏振方式可根据样品的实际特性选定，通常可以选择横磁波入射，横电波作为参考光，第三步在耦合器件的另一侧利用光强测量装置接收并测量从耦合器件底面反射的激光束光强，根据样品腔内样品的光强反射率计算得到相应的溶液折射率的变化，选配标准溶液通过定标得出溶液浓度和吸收的数值。
全文摘要
溶液浓度和吸收测量方法利用激光入射到耦合器件－上层金属膜－样品腔－下层金属膜的波导结构中,其反射光强随溶液样品的浓度和吸收变化极为敏感的特性,通过监测反射光强的变化来测量溶液浓度和吸收。本发明具有实质性特点和显著进步,可以广泛应用于多种浓度和吸收的测量,尤其是溶液中的残留物浓度测量。本发明可以实现高灵敏度、低消耗量、快速实时的测量,同时保证仪器具有制造工艺简单、价格低廉、易于操作、小型化、便于携带等高技术性能。
文档编号G01N21/41GK1328256SQ0112637
公开日2001年12月26日 申请日期2001年7月31日 优先权日2001年7月31日
发明者曹庄琪, 陈洸, 方为军, 陈开盛, 窦晓鸣 申请人:上海交通大学