专利名称：一种痕量物质分析装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光学技术领域，涉及一种物质分析装置，特别是一种痕量物质分析装置，广泛应用于现代科学实验、工农业生产、冶金、地质、石油化工、医药卫生、环境保护、宇宙探索、国防等领域。
背景技术：
表面等离子体共振时一种物理光学现象，在上世纪初被Wood发现。60年代，德国科学家Otto和Kretchmarm分别独立发明了用可见光激发表面等离子体的方法。80年代， 瑞典科学家Liedberg将这一技术用于生物大分子相互作用的检测。之后，表面等离子体共振传感技术迅速发展，发展成为十分有用的检测技术。表面等离子体共振传感技术可广泛应用到食品安全、环境监测、生物、化学及医学等领域。由于对检测灵敏度要求的越来越高， 高灵敏度表面等离子体共振传感系统成为痕量物质测量技术发展趋势之一。在先技术中， 有表面等离子体传感系统，例如一种表面等离子体传感系统(参见中国发明专“角度扫描等离子体共振测量系统”，专利申请号200510108184. 4)，以及著名表面等离子体共振传感系统具有相当的优点，但是，仍然存在不足，采用角度扫面进行测量，存在机械运动部件和用于调控角度扫描的部件，系统结构以及测量分析与控制复杂，降低系统稳定性，影响系统的工作特性。小型化光谱分析仪的研究已取得了较好进展，并已得到较为广泛的应用。但是， 生物医学等领域迫切需要的微型光谱分析在国际上尚处于研究阶段。以现有公开的基于法-珀腔的微型光谱分析报导中，美国东北大学、西班牙的学者Carlos Calaza都研究过基于法-珀腔的微型光谱仪，但这些方案中，为改变法-珀腔的折射率，是通过改变上下极板的距离而实现的，由于存在运动部件，其制造难度和可靠性、重复性都还需要进行进一步的研究。重庆大学于2003年公布了一种基于法-珀腔的微型光谱仪的专利(申请号 03117658. 5 ；公开号CN1442677A)但该方案，法-珀腔只能通过预先设计好的、单一波长的光谱，不能对被测光进行光谱扫描。
发明内容本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种痕量物质分析装置，将表面等离子体共振技术和法-珀腔技术相结合，具有高光通量、高灵敏、无机械运动部件、系统结构简单、稳定性高等特点。本实用新型的基本构思是将光谱分析应用到表面等离子体共振传感，采用宽光谱光源，经过表面等离子体共振传感部件后，经过法-珀腔单元，入射到光电探测器上。该分析装置包括电压源、表面等离子体共振器、偏振态调节器、光电探测器、法-珀腔装置和光源六部分。法-珀腔装置包括第一透明导电膜层、入射高反射膜、电光材料平板、出射高反射膜和第二透明导电膜层五部分组成。入射高反射膜和出射高反射膜的材料为铝或金。 第一透明导电膜层和入射高反射层相连，位于电光材料平板的左侧，并且和电压源的负极相连。第二透明导电膜层和出射高反射层相连，位于电光材料平板的右侧，并且和电压源的正极相连。光电探测器位于整个装置最右侧。通过改变电光材料平板两端电压调节折射率变化，实现无活动部件波长扫描；光电探测器探测到不同波长光强度分布，得到表面等离子体共振吸收峰信号，实现痕量物质检测分析。
图1是本实用新型的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步详述。如图1，一种痕量物质分析装置包括光源1、偏振态调节器2、表面等离子体共振器 3、光电探测器9、法-珀腔装置和电压源10六部分。法-珀腔装置由第一透明导电膜4、入射高反射膜5、电光材料平板6、出射高反射膜7、第二透明导电膜8五部分组成。其中第一透明导电膜层和入射高反射层相连，位于电光材料平板的左侧，并且和电压源的负极相连。 第二透明导电膜层8和出射高反射膜层7相连，位于电光材料平板的右侧，并且和电压源的正极相连。第一透明导电膜层4、入射高反射膜5、电光材料平板6、出射高反射膜7和第二透明导电膜层8构成法-珀腔。入射高反射膜和出射高反射膜的材料为铝或金。偏振态调节器2位于表面等离子共振器3前方，调节光束特性，光电探测器9位于最右侧，用来接收出射光波长和光强度的变化。光源1发出的被测平行光经过偏振态调节器2和表面等离子共振器3，入进入法-珀腔的分光，将入射光变为光谱信号；在共振波长时，传感平面上发生等离子体共振， 形成共振吸收峰也就改变了可以通过法-珀腔的波长；记录下随电压变化的光谱信号；光谱分析软件可以对光谱信号进行融合和分析，给出被测光的光谱图。发生全反射区域为接触被测物质区域。共振吸收峰幅值和共振波长与传感平面全反射区域附近物质特性有关， 改变电压源10的电压，可以改变电光材料的折射率，也就改变了可以通过法-珀腔的波长， 从而可以得到被测物质信息，例如，折射率，浓度等。通过偏振态调节器2改变检偏方向， 可以得到不同光束出射面出射的不同偏振方向光束的表面等离子体共振吸收峰幅值和共振波长的变化，从而可以得到被测物质影响光束偏振的特性测量。典型的折射率可随两端电压变化而改变的材料是具有电光效应的材料，如液晶、电光晶体、某些有机聚合物等，在不同电场下，具有不同的折射率。利用电光材料作为法-珀腔的谐振腔，就可以通过对电光材料电场的控制，使其折射率改变，来控制透过法-珀腔的波长。法-珀腔的透射峰处的波长λ ^可由下式决定λ 0 = 2nL/m(1)式中，η为电光材料的折射率，L为腔厚，m为干涉级次。在美国东北大学、西班牙的学者Carlos Calaza的方案中，是通过改变法-珀腔的厚度参数L来改变法-珀腔的透射峰处的波长λ0Ο而重庆大学于2003年公布的一种基于法-珀腔的微型光谱仪专利(公开号CN1442677A)的方案中，每个法-珀腔的参数n、L都为定值，一旦加工完成，无法再进行调整。本方案通过对电压的控制来扫描波长，使之成为真正意义上的光谱仪。根据法-珀腔滤光片的原理，每个法-珀腔可以通过的光谱带宽可以表示为[0017]Αλ = ~-sin"1 ~J=
滅J (2)式中歹=V^，队和&为腔的两面反射率。通过该式可以看到，反射率越高，
则法-珀腔的带宽越窄，即光谱分辨率越高。在实际设计中，可以针对不同的应用和工艺条件，确定合适的带宽及反射率。法-珀腔的自由光谱范围是由电光材料折射率的变化范围决定的。透射峰处的波长λ ^的变化范围Δ λ ^可表示为
“21 ΛAA0 = — An
m (3)式中Δη为电光材料折射率的可变化范围。在实际设计中，可根据需要和电光材料的折射率变化范围来确定法-珀腔的自由光谱范围。由上可知本实用新型将表面等离子体共振技术和法-珀腔技术相结合，具有高光通量、高灵敏、无机械运动部件、系统结构简单、稳定性高等特点。
权利要求1.一种痕量物质分析装置，其特征为a、包括电压源、表面等离子体共振器、偏振态调节器、光电探测器、法-珀腔装置和光源六部分；b、法-珀腔装置由第一透明导电膜、入射高反射膜、电光材料平板、出射高反射膜和第二透明导电膜五部分组成。
2.如权利要求1所述的一种痕量物质分析装置，其特征在于所述的入射高反射膜和出射高反射膜的材料为铝或金。
3.如权利要求1所述的一种痕量物质分析装置，其特征在于所述的偏振态调节器位于表面等离子共振器前方。
4.如权利要求1所述的一种痕量物质分析装置，其特征在于所述的第一透明导电膜层和入射高反射层相连，位于电光材料平板的左侧，并且和电压源的负极相连。
5.如权利要求1所述的一种痕量物质分析装置，其特征在于所述的第二透明导电膜层和出射高反射层相连，位于电光材料平板的右侧，并且和电压源的正极相连。
6.如权利要求1所述的一种痕量物质分析装置，其特征在于所述的光电探测器位于整个装置最右侧。
专利摘要本实用新型属于光学技术领域，特指一种痕量物质分析装置，主要用于食品安全、环境监测、生物、化学及医学等领域。本实用新型将表面等离子体共振技术和法-珀腔技术相结合，本实用新型的结构包括电压源、表面等离子体共振器、偏振态调节器、光电探测器、法-珀腔装置和光源组成，其中，法-珀腔装置由第一透明导电膜、入射高反射膜、电光材料平板、出射高反射膜、第二透明导电膜组成。本实用新型将表面等离子体共振技术和法-珀腔技术相结合，具有高光通量、高灵敏、无机械运动部件、系统结构简单、稳定性高等特点。
文档编号G01N21/31GK202018423SQ20102063514
公开日2011年10月26日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者李劲松, 鲁通通 申请人:中国计量学院