（测试计量技术及仪器专业论文）基于spr技术的流动体系分析仪器检测器研究.pdf

浙江大学硕上论文 摘要 摘要 流动体系分析仪器是最常用的分析测试设备之一，检测器是流动体系分析 仪器的关键部件之一，其性能直接影响到仪器的性能。传统的检测器在应用于 流动体系分析仪器时往往具有局限性。发展通用、灵敏、便携、价廉的检测器 对于微量物质的检测具有很强的实用价值，也是分析测试仪器领域研究的热门 课题。表面等离子体共振( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 检测技术是一种 新型的光电检测技术，具有灵敏度高、样品无需标记、响应速度快、装置简单、 价格低廉等特点，已在众多领域得到了广泛的应用。本文建立了一种基于s p r 技术的检测器，并对其在流动体系分析仪器中的应用进行了实验研究。本文的 主要研究内容和创新点包括- 1 ) 构建了包括微型流通池、s p r 传感器和电路系统在内的s p r 检测器。 2 ) 采用v i s u a lc + + 和数据库技术编写了s p r 检测器的工作站软件，用于数据的 采集、处理、分析、显示、保存等。 3 ) 研究了s p r 光谱信号的数据处理方法。针对现有的动态基线一阶距分析方法 存在的算法复杂费时等不足，提出了一种新颖的基于幅值的动态基线一阶距 分析方法。该方法以s p r 光谱信号幅度的一定比例加上光谱信号的最小值作 为动态基线值。实验结果表明，基于幅值的动态基线一阶距分析方法不但可 以有效降低光源光强波动的影响而且简单快速。 4 ) 搭建了包括高压泵、进样器、s p r 检测器在内的流动体系检测系统，通过实 验分析了流速因素对检测器性能的影响，测试了所设计的检测器的噪声与漂 移，同时将该检测系统应用于对盐类、糖类和无机小分子类物质的检测，分 析其检测限。 5 ) 搭建了包括高压泵、进样器、色谱分析柱、s p r 检测器在内的高效液相色谱 系统，对蔗糖和半乳糖的混合溶液进行了色谱分离检测。 关键词：流动体系分析仪器；检测器；表面等离子体共振；工作站软件；动态基 线一阶距数据分析法 浙江大学硕士论文摘要 a b s t r a ct f l o ws y s t e ma n a l y s i si n s t r u m e n ti so n eo ft h em o s tp o p u l a ra n a l y t i c a lt e s t i n g i n s t r u m e n t s ，d e t e c t o ri so n eo fi t sk e yp a r t s ，a n dd e t e c t o r sp e r f o r m a n c ei n f l u e n c et h e f l o ws y s t e ma n a l y s i si n s t r u m e n t sp e r f o r m a n c ed i r e c t l y t r a d i t i o n a ld e t e c t o r su s u a l l y h a v el i m i t a t i o n sw h e nt h e ya r eu s e di nf l o ws y s t e ma n a l y s i si n s t r u m e n t d e v e l o p i n ga u n i v e r s a l ，s e n s i t i v e ，e a s y - t a k i n ga n dl o wc o s td e t e c t o rh a ss t r o n gp r a c t i c a lv a l u e sf o r t h et e s t i n go ft r a c es u b s t a n c e sa n da l s oi sah o tr e s e a r c ha r e ao fa n a l y t i c a lt e s t i n g i n s t r u m e n t s s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) d e t e c t i o nt e c h n i q u ei san e w p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o nt e c h n i q u e ，a n d i th a sc h a r a c t e r i s t i c sa sh i 曲s e n s i t i v i t y , l a b e l f r e e ，f a s tt e s t i n g ，s i m p l i c i t y , a n dl o wc o s t ，a n di th a sb e e nw i d l yu s e di nm a n y f i e l d s t h i sp a p e rd e v e l o p e dan e wd e t e c t o rb a s e do ns p rt e c h n i q u e ，a n de x p e r i m e n t s w e r et a k e na b o u tt h i ss p rd e t e c t o r t h em a i nr e s e a r c ha n di n n o v a t i v ep o i n t si n c l u d e ： 1 ) an e ws p rd e t e c t o ri n c l u d i n gm i c r of l o wc e l l ，s p rs e n s o ra n dc i r c u i tw a sb u i l d 2 ) s p rd e t e c t o r sw o r k s t a t i o ns o f t w a r ew a sd e v e l o p e du s i n gv i s u a l 刮- + a n dd a t a b a s e t e c h n i q u e ，a n di tw a su s e df o rd a t ac o l l e c t i n g ，p r o c e s s i n g ，a n a l y s i n g ，d i s p l a y i n g a n ds a v i n g 3 ) r e s e a r c ho fd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d so fs p rs p e c t r u mw a sd e v e l o p e d i no r d e rt o i m p r o v et h ee x i s t i n g1s tm o m e n ta n a l y s i sm e t h o d so fd y n a m i cb a s e l i n e ，ak i n do f 1s tm o m e n ta n a l y s i sm e t h o do fd y n a m i cb a s e l i n eb a s e do i la m p l i t u d ew a s p r o p o s e d t h eb a s e l i n eo ft h i s m e t h o da d j u s t sd y n a m i c a l l ya c c o r d i n gt ot h e m i n i m u mv a l u e t h er e s u l t ss h o w1s tm o m e n ta n a l y s i sm e t h o do fd y n a m i c b a s e l i n eb a s e do na m p l i t u d ec a nr e d u c en o to n l yt h ei n f l u e n c eo ff l u c t u a t i o n si n o p t i c a lp o w e r o ns p rs p e c t r u ms i g n a l sb u ta l s ot h ec a l c u l a t i n gt i m e 4 ) a k i n do ff l o ws y s t e md e t e c t i o ni n s t r u m e n ti n c l u d i n gh i 曲p r e s s u r ep u m p ， s a m p l e ra n ds p rd e t e c t o rw a sb u i l d u s i n gt h i si n s t r u m e n t , t h ef l o wr a t e s i n f l u e n c eo ns p rd e t e c t o rw a ss t u d i e d ；n o i s ea n dd r i f to fs p rd e t e c t o rw e r et e s t e d u s i n gt h i si n s t r u m e n t ，s a l t s ，c a r b o h y d r a t e s ，i n o r g a n i cs m a l lm o l e c u l a r sa n dt h e i r d e t e e t i o nl i m i t sw e r ed e t e c t e d 5 ) ak i n d o fh i g h p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h ys y s t e mi n c l u d i n gh i g h i i i 浙江大学硕上论文 摘要 p r e s s u r ep u m p ，s a m p l e r , a n a l y t i c a lc o l u m na n ds p r d e t e c t o rw a sb u i l d u s i n gt h i s s y s t e m ，ac h r o m a t o g r a p h yo fm i x e ds o l u t i o no fs u c r o s ea n dg a l a c t o s ew a sg o t k e y w o r d ：f l o ws y s t e ma n a l y s i si n s t r u m e n t ；d e t e c t o r ；s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ； w o r k s t a t i o ns o f t w a r e ；1s tm o m e n ta n a l y s i sm e t h o do fd y n a m i cb a s e l i n e 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 1 5 月彳e t l 本学位论文作者完全了解迸江盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 1 5 ；8 | 5 嘶 导师签名： 签字日期：秒f o 年5 月1 日 签字日期：圳。年 日 浙江大学硕一卜论文 致谢 致谢 时光匆匆，两年半的研究生即将结束。我觉得很有必要对读研期间所关心过、 指导过、帮助过我的师长和同学表示感谢，没有他们的帮助，我无法顺利完成工 作。 感谢我的导师王晓萍教授，是您将我领入智能检测监控仪器世界，给我全面 的支持和指导。没有您的关心和指导，就没有我良好的学习科研条件和锻炼机会。 导师渊博的知识、严谨的工作态度给我留下了深刻的印象。这必将鼓舞我在未来 的日子里，更加刻苦钻研，脚踏实地地工作。 感谢化学系朱岩老是和化学系的同学，在你们的指导下，我掌握了很多分析 化学方面的知识。 感谢实验室的每个师兄师弟师姐师妹和同学，和你们在一起我很快乐。你们 在科研过程中给我了大力帮助，让我少走了许多弯路。 深深感谢我的父母和男朋友，他们对我的关爱和鼓励，是我终身前进的动力。 浙江大学硕七论文第一章绪论 第一章绪论 科学技术发展的历史表明，科学仪器对认识自然界的规律，促进生产技术的 进步，起着非常重要的作用。科学仪器的水平直接反应了一个国家科学技术和工 业发展的水平。流动体系分析仪器是科学仪器的重要组成部分，其一般由流体样 品输送系统、分离系统和检测系统( 检测器) 等组成。检测器是流动体系分析仪 器的关键部件之一，被称为仪器的“眼睛”，检测器的性能直接影响到仪器的性能。 n 。1 近年来，随着对微量、痕量以及微量样品的检测需求的不断提出，对特殊的 物质、组分、状态等检测对象的不断扩展，传统的检测器已无法满足要求，因此 研究一种灵敏、通用、便携、微量进样、能在线检测、又相对价廉的检测器具有 重大意义。表面等离子体共振( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 技术作为一 种新型的光电检测技术，以其灵敏度高、所需试样少、样品无需标记、响应速度 快、可实现实时监控、装置简单、价格低廉等特点，在医疗、环保、生物、食品 检测等领域得到了广泛的应用。s p r 现象可反应出被测介质的折射率变化，而折 射率的变化与介质的浓度、特性等的变化有关。研制出一种基于s p r 技术的测 量参数为折射率的灵敏、通用、便携、价廉、快速的新一代流动体系分析仪器检 测器，则将丰富检测器的种类，改变检测器的现状，扩大检测器的应用范围，促 进仪器科学与分离分析学科的发展。 1 1 流动体系分析仪器介绍 流动体系分析仪器包括传统的高效液相色谱仪器( h p l c ) 、离子色谱仪器 ( i c ) ，以及近年来发展较快的毛细管液相色谱( c a p i l l a r yh p l c ) ，毛细管电泳 色谱( c e c ) 、微流控芯片( l a bo nc h i p ) 等微分离分析系统，在环境、农业、 工业、临床、医药、生物和食品等众多领域有着广泛应用，已成为分析测试技术 最常用的设备之一。当今发展最快的科技领域如生命科学、现代医学、生物工程、 环境科学和纳米科技等领域的基础研究和应用工作，都离不开各种类型的流动体 系分析仪器。3 跏 高效液相色谱、离子色谱仪器是重要的现代分析手段之一。它具有分离效率 浙江大学硕上论文第一章绪论 高、分析速度快和应用范围广的特点，是分析化学家和生物化学家解决各种实际 分析和分离课题必不可少的工具。液相色谱仪器由储液罐、泵、进样器、色谱柱、 检测器等几部分组成。储液罐中的流动相被泵打入流路，样品溶液经进样器进入 流动相，并随流动相进入固定相即色谱柱内，由于样品溶液中的各组分在流动相 和固定相中具有不同的分配系数，在两相中作相对运动时，经过反复多次的吸附 解吸，各组分在移动速度上产生较大的差别，被分离成单个组分依次从柱内流出， 通过检测器时，样品浓度被转换成电信号经电路系统转换为数字信号传送到计算 机，数据以图谱形式显示出来。眨枷 分离科学与技术的发展，特别是新材料和微制造技术的进步，极大地推进了 微分离分析技术乃至其它分析仪器微型化的发展。如色谱领域的微分离技术，毛 细管电泳色谱、毛细管液相色谱及微流控芯片等发展迅速。与常规液相色谱仪器 相比，微型化的分析仪器可以大大降低流动相消耗，从而降低有机溶剂对环境的 二次污染；大大减少了样品用量，非常适合价格昂贵、难以获得的生物样品以及 样品量少的有毒物质的分析；且分析速度快，装置小，可以实现多通道同时检测。 1 5 - 7 l 目前被广大生物、化学工作者关注的微流控芯片实验室，是一种在微米尺度 的空间中对流体进行操控的科学技术，是一种把生物和化学等领域中所涉及的样 品制备、生物与化学反应、分离、检测等基本操作单元集成或基本集成到一块几 平方厘米的芯片上，用以完成不同的生物或化学反应过程，并对其产物进行分析 的技术。从某种意义上说微型化是人类社会发展的一种趋势，特别在面对我们过 度消耗的地球时，微型化更反应了对资源的优化利用。微流控芯片实验室的发展 有可能对人类未来的生活方式或生存质量产生革命性的影响。 8 - 9 1 2 流动体系分析仪器检测器综划l 作为流动体系分析仪器的“眼睛”，检测器的作用是将流物中样品组成和含量 变化转化为可供检测的信号，完成定性、定量的任务，因此检测器的性能直接影 响到仪器的性能。现在常用的检测器主要有：紫外检测器、荧光检测器、电导检 测器、安培检测器和示差折光检测器等。 浙江大学硕士论文第章绪论 1 2 1 紫外检测器 紫外检测器，是液相色谱中应用最广的检测器。它通过测定样品在检测池中 吸收紫外光的大小来确定样品的含量的。在各种检测器中，其使用率占7 0 左右， 对占物质总数约8 0 的有紫外吸收的物质均有响应。几乎所有的液相色谱装置都 配有紫外检测器。 紫外检测器具有很高的灵敏度，线性范围宽，受温度流速影响小等优点。但 是它却有一个很大的弱点：对无紫外吸收的物质如饱和烃及有关衍生物无响应， 如糖类、饱和脂肪酸类等。 1 2 2 荧光检测器 许多化合物都有光致发光现象。化合物受到入射光的照射后，吸收辐射能， 发出比吸收波长长的特征辐射，这种辐射光就是荧光。荧光强度与被测物质的浓 度成正比，通过对荧光强度进行检测可以对化合物进行浓度分析。 荧光检测具有很高的灵敏度，最小检测量，比紫外检测器还高两个数量级。 还具有选择性好、线性范围宽受外界影响小等特点。但是它的通用性很差，因为 并不是所有的化合物都能发生荧光。 1 2 3 电导检测器 电导检测器的核心部分是一个电导池，电导池工作时，溶液中的阴离子向阳 极移动，阳离子向阴极移动。在电解质中离子数目和离子的移动速度决定溶液中 电阻的大小，离子的迁移率或单位电场中离子的速率取决于离子的电荷及其大 小、介质类型、温度和离子浓度。离子的迁移速率取决于施加电压的大小。当施 加的有效电压确定后，即可测量出电路中的电流值，即能测出电导值。 电导检测器作为离子色谱仪最主要的检测器可以解决绝大多数离子态化合 物的检测，有很好的检测限与线性范围。但电导检测器却有一个很大的弱点：只 能用来检测离子态化合物，且要是强电离的化合物，若是弱电离的物质用电导检 测器时，灵敏度很低或者根本没有什么信号。 浙江大学硕士论文第一章绪论 1 2 4 安培检测器 安培检测器是测定被测物在工作电极表面由氧化还原所引起的电流或电荷的 变化。在氧化反应过程中，被测物的电子从工作电极转移到安培池；相反在还原 过程中，电子从被测物转移到工作电极。 被测物如果能够被氧化或还原，检测就具有很高的灵敏度和选择性。安培检 测器常用于分析解离度较低，用电导检测器难以检测，同时又具有电活性即易于 发生氧化还原反应的离子。可见安培检测器比电导检测器有更强的选择性，只能 作为电导检测器的一种补充。 1 2 5 示差折光检测器 示差折光检测器的原理是任意一束光线由一种介质射入另一种介质时，由于 两种介质的折射率不同而发生折射现象。示差折光仪是通过连续测定色谱柱流出 液折射率的变化而对样品浓度进行检测的。检测器的灵敏度与溶剂和溶质的性质 都有关系，溶有样品的流动相和流动相本身之间折射率之差反应了样品在流动相 中的浓度。每种物质都有一定的折射率，如果选择合适的溶剂，几乎所有的物质 都可以进行检测。示差折光检测器在液相色谱中处于特殊的地位，是很少有的通 用型检测器之一。但是示差折光仪也有很大弱点：由于示差折光检测器测量的是 所测量溶质和溶剂的大批属性中的差异，因此示差折光检测器天生就不如其它检 测方法灵敏，其检测限比紫外检测器小3 个数量级。受温度压力影响较大，因为 温度压力的变化极大地影响了流动相与样品的折射率。鉴于其精度局限性，示差 折光仪一直用于没有强u v 发色团、荧光团、电化学或离子活动，即用于其它检 测器检测不了的化合物，如糖类、脂类等。 1 2 6 各类检测器综合比较 表1 1 概括了几种常用检测器主要性能。 表1 1 各类检测器性能比对表 浙江大学硕上论文第一章绪论 从表1 1 可以看到无论电导、安培还是紫外、荧光检测器，都具有灵敏度比 较高，检测限比较小的优点。但它们都有致命的弱点：选择性很强，即通用性差。 而通用性较强的示差折光检测器，灵敏度比其它检测器低，且池体积比较大，要 求的样品量比较多，一般只能用于常规流动体系检测仪器如普通高效液相色谱、 流动注射分析器。 1 3s p r 检测技术的研究现状 表面等离子体共振( s p r ) 检测技术是一种新型的光电检测技术，利用光在 玻璃界面处发生全内反射时的消失波，可以引发金属表面的自由电子产生表面 等离子体。在入射角或波长为某一适当值的条件下，表面等离子体与消失波将发 生共振，入射光被吸收，使得在反射光谱上出现共振峰。当金属薄膜表面的介质 折射率不同时，共振峰位置将不同。利用该技术可以获得被测样品的折射率等信 息，继而得出样品性质、浓度等信息。 自1 9 0 2 年，伍德( r w o o d ) t l o 】从非正常的衍射光强分布中发现了表面等离子 体共振以来，经过一个多世纪的众多研究者持续研究，s p r 技术已经有了长足发 展，特别是近几年取得了较为快速的进展。图1 1 显示了在i s iw e bo f k n o w l e d g e 检索平台上s p r 技术相关学术论文近十年增长图。 浙江大学硕士论文第一章绪论 3 5 0 0r 3 0 0 0 2 5 0 0 籁 篓2 0 0 0 弼 粼 1 5 0 0 5 q 蘸7 1 9 9 8 一1 ，1 ，。】j j 。j 一。，。j j 2 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 年份 图1 1 i s i w e b o f k n o w l e d g e 检索平台上s p r 技术相关学术论文近十年增长图 由于s p r 技术具有能实时监测反应动态过程、分析样品不需要纯化、检测 灵敏度高、抗电磁干扰性能好等特点，目前在在医疗、生物、环保、食品检测等 领域得到了广泛的应用，如在蛋白质、多肽、d n a 、复杂配合物，细菌、过敏 源、病毒、毒素、药物、农药，以及葡萄糖、酒精、有机膜等物质或体系等的研 究中有较大进展1 1 1 - 1 5 1 。 将s p r 技术应用于高效液相色谱、毛细管电泳、流动注射分析器等各个方面 也是近几年的研究热点1 1 6 - 1 9 1 文献【1 6 1 报道了将s p r 技术应用于液相色谱和 流动注射分析器的理论分析和实验。文献【1 7 1 系统研究了将s p r 作为液相色 谱检测器的可行性，并与示差折光检测器进行了比较。文献【1 8 1 报道了将s p r 技术应用于毛细管电泳色谱的理论分析和实验。文献【1 9 1 将s p r 技术和高效 液相色谱技术结合对母乳的溶菌酶含量进行了定量的测量，取得了良好的效果。 1 4 项目的研究意义 传统的检测器在应用于流动体系分析仪器时往往具有一定的局限性，比如紫 外检测器要求被测物质对紫外有吸收、电导检测器要求被测物质是强电离的化合 物、示差折光检测器只能用于测量透明的物质。近年来，随着对微量、痕量以及 微量样品的检测需求的不断提出，同时对特殊的物质、组分、状态等检测对象的 浙江大学硕 论文 第一章绪论 不断扩展，传统的检测器已无法满足要求，而且传统检测器都属于“大型精密仪 器”，体积庞大、操作繁琐、价格昂贵。迄今为止还没有一种便携、廉价且具有 良好通用性的检测器出现。因此检测器是现代流动体系分析仪器中有待进一步发 展的薄弱环节。 由于s p r 检测器的测量参数是折射率，因此其有很好的通用性，几乎所有用 流动体系检测的物质都可以用s p r 检测器来检测，这是任一选择性检测器都无 法比拟的。在没有强的u v 发色团、荧光团、电化学或离子活动的化合物如糖类、 脂类、高分子化合物、非透明的物质等的检测中，s p r 检测器都可以发挥很大的 优势。另外s p r 检测器还具价廉、便携、操作简单等优点。 s p r 技术经过几十年的发展，在基础理论、检测方式、传感器设计等方面都 有了长足发展。且s p r 的检测灵敏度也不断提高，最常见的基于棱镜结构的s p r 传感器的检测灵敏度就达1 0 撕r i u ( r e f r a c t i v ei n d e xu n i t 折射率单位) ，新型的 光栅s p r 传感器、纳米颗粒s p r 传感器的检测灵敏度更是可达1 0 培r i u 眨。圳1 。 s p r 技术的快速发展促进了将s p r 技术应用于流动体系分析仪器的检测器研究。 发展通用、灵敏、便携、价廉的检测器对于微量物质的检测具有很强的实用 价值，也是分析仪器领域研究的热门课题，因此研制出一种基于s p r 技术的 灵敏、通用、便携、价廉、快速的新一代流动体系分析仪器检测器，则将丰富检 测器的种类，改变现有检测器“笨重、繁琐、昂贵”的形象，扩大检测器的应用范 围，促进仪器科学与分离分析学科的发展。 1 5 论文的研究内容和目标 结合国家8 6 3 资助项目赤潮毒素的生物光学检测技术与快速监测仪器研究 ( 2 0 0 7 a a 0 9 2 11 4 ) 和浙江大学2 0 0 7 年学科交叉预研基金资助项目( 8 1 2 6 5 1 ) 开展本 论文的研究工作。研究目标是建立一种基于s p r 技术的通用、便携、微量进样、 能在线检测、又相对价廉的检测器，并将其应用于流动体系分析仪器。 本论文的主要研究内容包括： 1 ) 流动体系分析仪器及检测器现状研究。综合分析和比较现有的各类流动体系 分析仪器检测器的特点，追踪s p r 检测技术的研究进展，确立本论文的研究 目标和主要研究内容。 浙江大学顾上论文第一章绪论 2 ) 构建包括微型流通池、s p r 传感器和电路系统在内的s p r 检测器。 3 ) 编写s p r 检测器的工作站软件，用于数据的采集、处理、分析、显示、保存 也 守o 4 ) 研究s p r 光谱信号的数据处理方法。针对现有的动态基线一阶距数据分析方 法存在的算法复杂费时等不足，研究一种新颖的动态基线一阶距数据分析方 法以更好地满足检测系统实时性强等要求。 5 ) 搭建包括高压泵、进样器、s p r 检测器在内的流动体系检测系统，并通过实 验分析了流速、一阶距数据分析法、检测器的噪声与漂移等因素对检测器性 能的影响，同时将该检测系统应用于对盐类、糖类和无机小分子类物质的检 测，分析其检测限。 6 ) 搭建包括高压泵、进样器、色谱分析柱、s p r 检测器在内的高效液相色谱系 统，对蔗糖和半乳糖的混合溶液进行色谱分离检测。 浙江大学硕十论文 第二章s p r 检测器研制 第二章s p r 检测器研制 本章首先从理论上简单介绍了表面等离子体共振技术。然后介绍基于s p r 技 术的新型检测器，以及各组成部分如s p r 传感器、微型流通池、电路系统等。 最后分析了s p r 检测器的特点，与同样基于折射率敏感的示差折光检测器进行 了分析比较。 2 1s p r 基本原理 表面等离子体共振是一种物理光学现象，可以结合图2 1 用以下原理对这种 现象进行解释：当入射p 偏振光以大于临界角入射到玻璃与金属薄膜界面上时， 所产生的倏逝波会引起金属薄膜内自由电子的振动，形成表面等离子波，在倏逝 波与表面等离子波频率和波数相同的情况下，界面处的全反射条件将被破坏，呈 现衰减全反射现象，此时反射率出现最小值，对应的角度称为表面等离子共振角 口渺【2 2 彩】。而当金属薄膜另一侧介质层的折射率发生微小变化时，共振角会产 生偏移。 图2 1 表面等离子体共振原理示意图 因此可以通过测量反射光强来确定共振角，根据共振角与介质折射率之间的 关系，求出被测介质的折射率。基于这个原理，本文提出并研制了测量参数为折 射率的s p r 检测器。 浙扛太学颈l 论文第二章s p r 检测器研制 2 2s p r 检测器 研制的s p r 检测器装置示意图如图2 2 所示流通池的一面是s p r 传感器 表面的金膜。流物从入口处流入，流经传感器金膜表面，再从出口流出。在流物 流经传感器表面的同时，s p r 检测器连续采集能够反映传感器表面液体折射率的 s p r 光谱信号，即将表面液体的折射率转化为光谱信号，经电路系统放大、滤波 a d 转换等处理后，传送至计算机，经过s p r 检测器软件的分析、处理，从而得 到流经传感器表面物质的原始折射率信号。 金膜 2 2 1s p r 传感嚣o “2 1 i 圉2 2s p r 检剥器装置示意围 s p r 检测器的关键部件是s p r 传感器。为获得简单，可靠，经济，精度较 高的装置，目前选用美国德州仪器( t i ) 公司的t s p r i a l 7 0 1 0 0s p r e e t a t m 传感 器，该传感器为非扫描宽角度调制方式。由它产生s p r 光谱信号。其实物图23 所示。 图2 3t i t s p r i a l 7 0 1 0 0s p r e e t a t ms p r 传譬器实物图 其示意目如图2 4 所示。传感器内的l e d 光源通过起偏器，得到p 偏振光 p 偏振光再以一定的发散角范围入射到棱镜底面，底面为镀了金膜的传感面， m 学1 论文 第= 章s p r 榆月# 研制 s p r 的反射光由线阵c c d 接收，c c d 各像元输出的模拟信号，经a d 转换和 单片机处理，可以得到s p r 光谱信号，根据光谱数据得到共振像素，根据共振 像素就可以计算出此刻被测介质的折射率。样品缓缓流经传感器金膜表面，$ p r 传感器实时采集光谱数据，就能宴时监控被测溶液的折射率信号。 起 2 2 2 微型流通池 囝2 as p r 恃感器示意图 微型流通池由s p r 传感嚣的金膜与薄膜贴合而成。薄膜靠近金膜一端挖有 凹槽，凹槽两端有入口与出口，薄膜与金膜贴合部位的凹槽空隙构成7 流通池。 其切面示意圉如图2 5 ( a ) 所示，薄膜平铺示意圈如图2 5 ( b ) 所示。流通池实 物圈如图25 ( c ) 所示。 人口出口 浙大学颂沧文第：章s p r 捡女i # 研制 人口 出口 ，一= _ 耐 蓄 ( c ) 圈2 5 嫩型流通池( a ) 流逼池切面示意图( b ) 薄膜正面示意圉( c ) 流通池实物图 薄膜材料所用材料为p d m s ，凹槽尺寸为1 0 r a m 06 m m 00 8 r a m ，池体积约 为：o5 u l 。所设计流通池池体积小，宽度较宽，该结构设计容易诱发层流效应， 样品与流动相不易混合，适合于微流体系的应用。 2 2 3 电路系统 电路系统的原理结构如图2 6 ( a ) 所示，实物图如图2 6 ( b ) 所示。信号处 理电路对s p r 光谱信号进行放大滤波，控制芯片对信号进行模数转换和简单的 运算处理，同时发出s p r 传感器需要的控制信号，串口通信电路将采集到的s p r 光谱信号数据通过r s 2 3 2 串口上传到计算机，串口转u s b 芯片电路将采集到的 s p r 光谱信号数据通过u s b 接口上传到计算机。 阄瑟 歹 浙江大学硕t 论立 第一口s p r 榆测研制 s p r 光谱信号 传感器控制信号 黪雾翼慧嚣。”| ”鬻霎霪凰 餮鬻篓溅离 2 2 4 工作站软件 工作站软件通过r s 2 3 2 或u s b 接口接受、计算、显示或保存s p r 光谱信号 数据将在下一章中做详细介绍。 2 3s p r 检测器的特点 由于测量的参数都为折射率，所以s p r 检测器在很大程度上与示差折光相 似，如都为通用性检测器。当然由于两者在原理上的根本的差别及成熟度的高低， 浙江大学硕上论文第- 二章s p r 检测器研制 在某些地方互有优缺点。 2 3 1s p r 与示差折光的相似之处1 1 2 6 l 和示差折光检测器相似，s p r 检测器属于总体性能的检测器，其响应值取决 于含有样品的流物与不含样品的流物的折射率之差，具有广泛的适用范围。对于 没有紫外吸收的物质，如高分子化合物、糖类、脂肪烷烃s p r 检测器都能检测。 对流动相紫外吸收本底大的物质s p r 检测器也很适用。在凝胶色谱中，尤其对 聚乙烯、聚二乙醇、丁苯橡胶等的分子量分部的测定中，折射率性质检测器必不 可少。另外在制备色谱中也能用到，即使不了解待测样品的物理化学性质，s p r 检测器也能给出有用的信息。理论上，如果选择合适的溶剂，几乎所有的物质都 可以用s p r 检测器进行检测。总之s p r 检测器其少有的通用性特征是其最大的 优点。 和示差折光检测器相似，s p r 检测器其最大的优点也造就了其最大的缺点。 正因为折射率对流动相和样品都有响应，本底过大，导致s p r 检测器与紫外等 选择性检测器相比，灵敏度不高，这也是它的最大弱点。当然，在不苛求灵敏度 的情况下，s p r 检测器还是很有效的。 和示差折光检测器相似，由于溶剂之间的折射率相差约零点几个折光单位， 溶剂组成的任何变化对测定都有明显的影响，如二元与三元混合溶剂的不完全混 合，色谱柱的漏液、溶剂中溶解气量的改变及溶剂的分解等。同时s p r 检测器 还对压力和温度的变化很敏感。因温度、压力的变化将引起物质密度的变化，进 而导致折射率的改变。常用有机溶剂折射率的温度系数( d n d t ) 为4 9 , 1 0 4 0 c 一， 压力系数为o 1 6 , 1 0 - 9 0 9 1 0 习m 2 n 之间。而流动相流速的稳定性因为s p r 检测 器对温度和压力敏感而对检测器也有一定的影响，该影响也受到多种因素如流通 池的几何形状、流通池的大小及材料等的影响。 2 3 2s p r 与示差折光的相异之处 示差折光检测器由于受光路的影响，只能用于测量透明溶剂，虽然大部分溶 剂都是透明的，但s p r 检测器却不受这个限制；同样示差折光检测器不能用于 浊液，而s p r 可以；示差折光通过几十年的积累，包括在恒温、恒流、流路等 浙江大学硕士论文第二章s p r 检测器研制 这一块已经相当成熟，而s p r 技术才刚刚发展，很多地方作为一个检测器还不 是很成熟，而折射率参数对整个系统的稳定性要求相当之高，因此当前s p r 检 测器检测限在一定程度上还没有超越示差折光；但作为一个新型的检测器，s p r 有着广阔的发展前景，很多文选研究显示s p r 检测器的精度在数量级似的增长， 从1 0 6 至01 0 、1 0 。8r i u 2 0 2 1 2 7 】。 因此s p r 检测技术自身的不断发展，若能再融合示差折光成熟的恒温、恒流 技术，再加上在价格和体积等方面的优势，s p r 检测器必将成为一种成功的流动 系统仪器检测器，在仪器学科、分析分离学科发挥自己的作用。 浙江大学硕十论文第三章s p r 检测器工作站软件设计 第三章s p r 检测器工作站软件设计 检测器工作站软件的主要功能是对电路系统进行控制和接受电路系统上传 的s p r 光谱信号，同时进行相应的数据处理、计算、显示、分析、保存等功能。 软件主要使用面向对象的编程思想来设计，用v i s u a lc h6 0 编写，总代码约1 万5 0 0 0 行。数据用s q ls e v e r 数据库保存。软件通过o d b c 接口和s q l 语言与 数据库保持通信。采用v i s u a lc + + 编写的程序有着标准的w i n d o w s 界面和友善 的人际对话系统。整个s p r 检测器工作站软件有6 个界面构成，主要构架如图 3 1 所示。主要功能集中在数据采集界面、积分及定性界面、数据库及定量界面。 【2 r 3 2 】 3 1 数据采集界面 图3 1s p r 检测器工作站软件架构图 数据采集界面主要由电路系统通信、s p r 光谱信号采集与显示、s p r 折射率 信号计算与显示这3 个部分组成，且这3 部分以切分窗口的形式分别分布在数据 采集界面的上左，上右和下。此界面承担着：串口通信，s p r 光谱信号采集与显 示、折射率计算与显示、数据保存等功能。其界面图如图3 2 所示。 渐走学硬j 论女 第二章s p r 传测$ i 作软件# t ! 矍墨旦至堕二一监r 里= 萎“。h “! 搿嚣。：嚣 。，。 鬻篱蓍i 笛”，o 广1 百i 丽孬一苎到墨! 曼j m j 画圃 3 1 1 软件与电路系统的通信 图3 2 数据采集界面 电路系统适信模块位于界面上左切分窗口。模块通过r s 2 3 2 串口实现电路系 统与软件之间的通信，实现s p r 光谱数据的采集。通信过程中，软件为主动。 串口设置如下：波特为5 7 6 0 0 ，无校验，8 位数据位，1 位停止位。串口通信的 具体实现采用m i c r o s o f t 自带的a e 6 v e x 控件：m i 盯o s o rc o m m u n i c a t i o n sc o n t r o l ( m s c o m m 控件) 。通过添加m s c o m m 控件自带消息响应函鼓o n c o m m 来响应 电路系统上传的数据，即电路系统一旦有数据上传，那么消息响应函数o n c o m m 就会被激发，实现过程简单、清晰1 3 3 1 软件与电路系统之间的通信主要包括： 电路连接，空气初始化、纯水采样、开始监控和结束监控这几步。具体通信流程 如图3 3 所示。 浙江丈学硕士论文第三章s p r 硷测器i 作站轼件设计 田3 3 软件与电路春统通信漉程囤 具体步骤如下：( 1 ) “检查仪器”，确定仪器连接正确，电豫打开，s p r 传感 器金膜干净干燥；( 2 ) 进行“电路连接”，如“连接失败”，则返回啦壹仪器”，避 接成功”则继续；( 3 ) 进行“初始化”，若“初始化失败则退回“检查仪器”，“初始 化成功”则继续；( 4 ) 进行“纯水采样”，确定8 p r 曲线“正常”，若s p r 曲线“异 常”，则返回“检查仪器”；( 5 ) 进行“纯水枝准”，再进行“校准点设置”，校准折射 率计算公式的参数；( 6 ) 进行“开始监控”，电路系统以每秒约6 组的速度通过 r s 2 3 2 串口上传s p r 光谱数据到计算机；( 7 ) “结束监控”，电路系统停止采集 数据，停止上传数据；( 8 ) 结束监控后“保存数据”到数据库的普通表。保存数据 对话框如图3 , 4 所示 暖雹宙墨器曩豳 l 寿选择普通表睬乜l 广面 r _ 百丽丽r 一l 剖| 二。苯串酸数据库 ! ! ! ! ! 10 苯甲酸1 0 0 0 p p m l 霹霹瓣 lo 苯甲酸标样表 lo 苯甲酿待测样表 lo 葡萄糖数据库 第! $ s p r 检# t 作# # 件设* 圈3 0 保存折射率赦据对话框 除数据采集功能外，对应工具栏中还设置了：“导出初始化数据”、“导出当前 采集数据”“算法设置”和“初始化参数设定”等功能控件“导出韧始化数据”用于 导出当前空气初始化数据到t x t 文件。“导出当前采集数据”用于导出当前采集 并计算得到的折射率数据到t x t 文件。“算法设置”= 用于设置计算光谱信号得 到折射率信号的算法和参数，其对话框如图3 5 所示“初始化参数设定”= 主要 设置l e d 亮度、积分时闻和平均次数等参数，用于“初始化时”下发给电路系统， 其对话框如图3 6 所示。 圉35 算法设置对话框 i 空气初始化时下发的l e d 毫度是7 积分时问是16 6 u o 亮度o 卜一1 5 l 墨垡丝! 些l 2 2 积分时问o ，一5 0 三竺竺l j 平均次数匾司0 【空气初始化对下发的平均次数是4 次晦秒呆辆点l 下住机平均次数为1 时每秒呆8 - 9 点 田36 韧姑化参数设置对话框 3 , 1 2s p r 光谱信号显示 s p r 光谱信号显示模块位于界面上右切分窗i ：1 。“初始化”时，模块用于显示 浙江大学硕十论文第三章s p r 检测器工作站软件设计 空气的s p r 光谱信号。“采样”及“开始监控”时，用于实时显示s p r 光谱信号曲 线。该模块的设置，可以让用户实时观察到s p r 传感器表面流物的状态。如： 当有气泡流进s p r 传感器金膜表面时，s p r 光谱曲线将不再呈如图3 2 所示的 规则倒峰型，而将呈杂乱无章型。因此用户可根据实时s p r 信号曲线来判断当 前s p r 传感器状态如何，所采集数据是否准确等问题。 3 1 3s p r 折射率信号显示 s p r 折射率信号显示模块位于界面下方切分窗口，主要用于显示折射率信 号。“开始监控”后，软件对采集到1 2 8 点光谱数据先进行减空气初始化数据再平 滑处理，然后利用一阶距数据分析法求得其共振像素点。再根据t i 公司提供的 “共振像素折射率”公式根据共振像素计算出其对应折射率。得到折射率以后再 以动态曲线的形式显示在窗口内，其中横轴表示时间( s ) ，纵轴表示折射率 ( r i u ) 。 曲线的动态显示采用“最大化缩进法”。“最大化”即在纵轴方向，曲线满屏显 示。“缩进法”即在横轴方向