（电路与系统专业论文）表面等离子体共振检测系统设计与实现.pdf

摘要 表面等离子共振检测技术( s p r ) ，是一种无需标记、无需分离纯化并能在线实时监测 生物分子相互作用、可确定反应物种类和浓度的检测技术。由于具有灵敏度高、所需试 样少、样品无需标记及检测速度快等特点，s p r 被广泛应用于食品、医疗、环境等监测 领域，因此研制小型、低价的s p r 检测设备具有非常重要的意义。 在查阅大量文献并分析了表面等离子体共振技术的背景、原理以及其发展趋势的基 础上，本论文研制了一种新型的s p r 检测系统，该系统具有变角度和定角度两种工作模 式，并且具有角度扫描范围大、分辨率高、可与电化学联用、成本低廉等特点，可以满 足实验和生产中的s p r 检测需求。 论文首先分析了表面等离子体共振现象的原理，设计了s p r 检测设备的系统结构， 设计并制造了角度扫描系统，使其可以在4 0 0 7 0 0 之间连续改变入射角。 其次设计和制作了s p r 检测系统的硬件电路，包括光电转换电路、信号放大电路、 模数转换电路、控制电路和u s b 通信电路等。编写了s p r 检测系统的软件，包括负责 控制硬件的固件程序、负责处理和存储数据并具有友好的操作界面的应用软件程序和负 责u s b 通信的驱动程序。 最后通过实验测定了s p r 检测系统角度扫描系统的稳定性和重现性，分析并测定了 s p r 检测设备的角度分辨率、光强分辨率、时间分辨率等参数。实验结果表明系统的稳 定性较好，具有较高的检测分辨率，可以满足s p r 检测的需要。 关键词：表面等离子体共振；数据采集；u s b 固件编程 a b s t r a c t 7 i h en o v e ld e t e c t i o nt e c h n o l o g yo fs u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) a s s a yi sk n o w nt o m o n i t o ri n t e r a c t i o nb e t w e e nb i m o l e c u l a rr e a lt i m ea n da s c e n a i nt h ek i n d so fr e a c t a n t sa sw e l l a st h e i rc o n c e n t r a t ew i t h o u ti s o l a t i o na n dp u r i f i c a t i o n s p rs e n s o r sa r ev a l u a b l ea n a l y t i c a l t 0 0 l sw i t ha b r o a dr a n g eo fa p p l i c a t i o n sf r o ml a b o r a t o r ya s s a y st 0s t u d yf b rf o o ds a f e t y ，d m g d i s c o v e r ya n de n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n tm o n i t o r i n g ，w h i c hh a v et h ef e a t u r eo fh i g hs e n s i t i v i t y l a b e lf r e e ，s m a l la m o u n to fs a m p l ea n dr a p i ds p e e do fd e t e c t i o n s t u d ya n dd e v e l o p m e n tf o ra c o m p a c t ，i n e x p e n s i v es p r d e t e c t i o ni n s t n l m e n ti sv e r yi m p o n a n t b a s e do nt h en u m e r o u sr e s e a r c h e sw o r k sa n da n a l y z i n gf o r t h eb a c k g r o u n da i l dp r i n c i p l e 0 fs p rt e c h n o l o g ya n di t sd e v e l o p i n gt r e n d 1 n h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n d e x p e r i m e n t a la p p l i c a t i o no f an e ws p rd e t e c t i o ni n s t r u m e n t t h ep a p e ra n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fs p ra n dd e s i g n st h es t m c t u r e0 fs p rd e t e c t i o n s y s t e m ，d e v e l o p saa n g l es w e e p i n gs y s t e mw h i c hc a np r e c i s e l yc h a n g et h ei n c i d e n ta n g l eo f l i g h ts o u r c ef r o m4 5 。t o7 2 。 n e p a p e rd e s i g n s a i l dm a n u f a c t u r e st h eh a r d w a r eo fs p rd e t e c t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gt h e e l e c t r o - o p t i cs w i t c h i n gc i r c u i t ，t h es i g n a la m p l i f y i n gd r c u i t ，t h e dc o n v e r s i o nc i r c u i t ，t h e c o n t r 0 1c i r c u i ta n dt h eu s bc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t t 1 l ep a p e rd e s i g n sa n dd e v e l o p st h e s o f t w a r e o fs p rd e t e c t i o ns y s t e m ， i n c l u d i n gt h ef i 咖w a r ep r 0 黟a mw h i c hc o n t r o l st h e h a r d w a r ea n dc o m p l e t e st h ed e t e c t i o n ，t h eu s e ra p p l i c a t i o np r o 铲a mw i t hf r i e n d l yi n t e m l c et o p r o c e s sa n ds t o r ed a t a ，a n dt h eu s b d r i v e r t h ep a p e ra n a l y z e sa n dd e t e m i n e ss t a b i l i t yo ft h ea n g l es w e e p i n gs y s t e ma n dr e s o l u t i o n o ft h es p rd e t e c t i o ns y s t e m r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mi ss t a b l ea l l di tc a nr e a c hah i g l l f e s o l l l t i o n k e yw o r d s ：s u 渤c ep l a s m o nr e s o n a i l c e ；d a t aa c q u i s i t i o n ；u s bf i n w a r e 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成 果。据我所知，除了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。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：东北师 范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编本学位 论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数 据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服务。 ( 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：钮 日 期：2 塑g 丛彭 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 指导教师签名：互主皇鲥a 日 期一邋回 电话： 邮编： 东北师范大学硕士学位论文 第一章：引言弟一早：i苗 1 1s p r 检测技术概述 1 1 1s p r 原理 s p r ( s u 砌c ep l a s m o nr e s o n 柚c e ) ，通常译为表面等离子体共振1 1 1 或表面等离激元 共振1 2 圳，是一种物理光学现象，它是由于入射光激发表面等离子体产生表面等离子波 ( s p w ) 而形成的。表面等离子体( s p ) 是沿着金属和电介质问界面传播的电磁波形成的。 当平行表面的偏振光以称之为表面等离子体共振角入射在界面上发生衰减全反射时，入 射光被耦合入表面等离子体内，光能大量被吸收，在这个角度上由于表面等离子体共振 引起界面反射光显著减少。由于s p r 对金属表面电介质的折射率非常敏感，因此不同电 介质其表面等离子体共振角不同。同种电介质，其附在金属表面的量不同，则s p r 的响 应强度不同。利用这个原理，建立光学检测系统并将之与计算机有机地结合起来，可以 得到入射角与界面反射光强度的关系曲线，称之为s p r 谱。通过观察共振角和反射强度 的变化，并通过解谱可以实时、定量、灵敏地监测到界面分子间的相互作用，也可以定 量地推算得出待测物的性质。 图1 1s p r 原理图 基于s p r 技术研制而成的生物传感器的工作原理【5 】是：先将其中的一个反应物( 配体) 固定在传感芯片表面( 如图1 1 ) ，含分析物的样品溶液以恒定速率通过传感芯片，传感芯 片上分子间的相互作用导致s p r 信号的改变，再通过计算机将整个反应过程显示出来。 1 1 2s p r 检测技术的特点 s p r 分析方法具有如下特点： 1 实时监测反应的动态过程：生物化学、分子生物学和细胞生物学的主要研究目的 是获取细胞内两个分子( 特别是蛋白质、核酸等分子) 的相互作用情况。由于细胞内生物 分子的相互作用是一个动态的、连续过程，而监测与分析这个动态过程是相当困难的。 东北师范大学硕士学位论文 绝大多数分析方法只适合于反应平衡过程的检测，而不适合于反应过程的实时监测。s p r 传感技术则可方便实时地监测生物分子相互作用的情形。s p r 传感技术响应迅速，通过 计算机实时采集处理，可以同时获取所需要的化学与生物信息。 2 灵敏度高、背景干扰小：s p r 传感技术是通过衰减全内反射所产生的消失波来激 发s p r ，根据衰减全内反射原理，消失波的电场在界面处将被放大，其电场强度是入射 光的2 n o n 2 倍( 其中n o 为棱镜折射率，n 2 为介质的折射率) ，因此提高了s p r 方法的灵敏度。 由于消失波的有效穿透深度只有2 0 0n m 左右，超过消失波有效深度的本体溶液不会干扰 测定。 3 样品无需标记：在现有的各种生物组织分析方法中，大多数分析方法需要对样品 进行标记，如酶联免疫吸附试验、放射免疫法、免疫荧光技术。这些分析方法是通过已 标记物质产生的信号变化来确定物质的种类和数量，且标记手段通常比较繁琐费时。s p r 方法则不需要对样品进行标记，可直接检测样品浓度的变化。因为当待测溶液流经传感 层时，只要样品分子与配体分子发生了相互作用，就可以引起传感层的折射率变化，导 致s p r 光谱发生变化，通过对s p r 光谱进行分析就可以获得样品分子与配体相互作用的 情况，进一步分析还可获取分子间结合的强度和速度、解离的快慢、结合的位点以及样 品的浓度及质量等重要信息。 4 待测物无需纯化：由于配体分子具有反应的专一性，当待测溶液流经时，只有能 相互配对的分子被选择性地结合，其他的分子则不被结合而随着流动相离开传感层。因 此用s p r 传感技术分析生物样品时，可直接将待测溶液注入流通池，而不需要对待测溶 液进行预处理和纯化。许多生物样品如血清、组织培养液、细胞或细胞抽提液等均不需 要预先作任何纯化处理。 1 1 3s p r 检测技术的应用 由于s p r 分析方法具有许多其他分析方法没有的特点，因此基于s p r 的检测方法在 很多领域都得到了广泛的应用。 1 s p r 技术在生物检测领域的应用：将生物学识别机制与s p r 技术相结合，通过s p r 共振角的检测，可以把生物信号转化为光信号，进而转化为电信号进行检测。在生物检 测中应用s p r 技术可以研究生物分子的实时相互作用，能够检测特异性结合的生物物质 的浓度【6 】，可以原位无损地对生物分子之间的相互作用的进行实时动态过程监测。 2 s p r 技术在薄膜检测领域的应用：s p r 技术在薄膜检测方面是一个新型的应用， 2 0 世纪7 0 年代以来，在检测金属薄膜特性及检测金属表面反应中，s p r 技术越来越受重 视。通过测量s p w 波矢量可以确定金属薄膜的介电常数与厚度【7 1 。合成和表征金属或金 属氧化物表面的有机膜的研究，s p r 技术也有其独特的优势，结合椭圆偏振检测，可以 得到这种超薄有机膜的表面特性和灵敏度。在研究l b 膜、自组装膜时，常用s p r 技术表 征膜厚度和结构等性剧s ，引。 3 s p r 技术在表面分析领域的应用：s p r 技术是一种灵敏的表面光谱技术，任何能 够引起金属与介质表面变化的物理量都会引起s p r 信号的改变。其中，s p r 成像技术是 一种表面光谱技术的应用。对于厚度不均匀的薄膜，选择可以产生s p r 共振的某一特定 2 东北师范大学硕士学位论文 厚度的入射角，使用该入射角照射时，与共振厚度不同的区域对光强的吸收各不相同， 产生的s p r 信号不同，造成反射光呈现不同的强度变化。将光强吸收的这种差异通过透 镜的傅立叶反变换作用投射到屏上，最终得到能够反映薄膜厚度信息的显微图像。 4 s p r 技术在其他方面的应用：利用s p r 技术来测定水质情况，是一种无污染的检 测方法；食品安全检测方面，s p r 技术以其无标记检测、无污染检测的优点得到广泛的 关注；s p r 技术还能应用于环境湿度温度的检测等领域。 1 2s p r 技术发展历程及国内外研究现状 1 2 1s p r 技术发展历程 1 9 0 2 年w b o d 在光学实验中首先发现了表面等离子体共振现象【协1 1 】；1 9 4 1 年f 锄。 认为该现象是由于金属和空气界面上表面电磁波的激发产生的【1 2 j ；1 9 5 7 年r i t c h i e 从理 论上解释了这样的界面能量损失现象，并提出了属于金属界面固有的p 1 a s m o n 的振荡模 型【1 3 】；1 9 5 9 年p o w e l l 和s w a n 通过实验验证了r i t c h i e 理论的正确性【1 4 】；1 9 6 0 年，s t e m 和f a r r e u 第一次提出了s u 血c ep l a s m o n 的概斜1 5 j ；1 9 6 8 年，两位德国科学家融e t s c h m 肌 【1 6 】和o t t o 【1 7 】分别采用筒限方法，实现了s p r 的光学激发，这使得通过简单的光路组合 就可以进行s p r 现象的研究成为可能( 目前的s p r 分析仪器仍大多采用与他们类似的 光学设计) ，o t t o 提出在特定条件下会产生表面等离激元共振效应入射光的频率与表面 等离子体波频率相同产生共振，并且给出相应条件和设计了0 t t o 模型；l ( r e t s c l 吼a i l l l 提 出一种新的粗糙表面扰动理论，设计了一种新的与o t t o 模型等价的模型即e t s c h m a 皿 模型【1 8 】。这两个模型的出现为表面等离激元传感器的生产与应用提供了广阔的前景。 1 9 8 0 年g o r d o n 等人首次采用s p r 方法研究了电化学界面的性质【1 9 2 0 】；1 9 8 2 年瑞 典科学家n y l a n d e r 和l i e d b e r g 【2 1 - 2 2 j 等人首次将表面等离子激元共振技术用于化学传感 器领域，并成功地运用其进行气体检测和对抗原抗体相互作用的实时监测分析，并成功 地研制出了第一个表面等离激元共振气体及生物传感器，为测量生物分子相互作用奠定 了基础。 1 9 8 4 年“n k o p i n g 技术研究所与瑞典国防研究所联合创立了p h a m a c i ab i o s e n s o ra b 公司( 1 9 9 6 年更名为b l a c o r e a b 公司) ，并于1 9 8 9 1 9 9 0 年开发出世界上第一台商业化 的s p r 生物分子相互作用分析仪b 认c o r e l m 之后，s p r 生物传感器的研究全面展开并不 断深入，其应用范围也不断扩大。 1 2 2 国内外s p r 技术研究现状 自从大约2 0 年前首次被用于传感器以来，表面等离子共振( s p r ) 无论在仪器本身还 是在应用领域方面都迈出了巨大的步伐。s p r 分析技术在美、英、日等国都在进行大量 的研究应用，每年都发表了大量论文。s p r 传感技术已被商业化并获得了巨大的商业成 功。 目前国际上己有很多生产s p r 仪器的厂家，除上面提到得瑞典的b i a c o r ea b 公司 外，英国的w i n d s o rs c i e n t i f i c 公司和j o h n s o n & j o h n s o no n h o c l i n i c a ld i a g l l o s t i c s 公司， 3 东北师范大学硕士学位论文 美国的q u a n t e c h 公司和t e x a si n s t r u m e n t s 公司，荷兰的a u t o l a b 公司，日本的n i p p o n l a s e ra n de l e c t r o n i c sl a b o r a t o r v 以及德国的b i o t u lb i oi n s t m m e n t sg m b h 公司和x a n t e c a m a l y s e n s y s t e m cg b r 公司。他们研制生产的s p r 仪器各有其特点。主要的s p r 产品见 表1 1 。 国内一些研究小组也在相关领域进行了较多的研究，但相较国外，我国的s p r 研究 起步较晚，自二十世纪九十年代初开始进行研究，与之相比还存在不小的差距。 中科院电子所开发的s p r 2 0 0 0 型产品是我国自主研发的s p r 检测仪器【2 3 1 。此外国 内开展此项研究的科研院校还有清华大学精密仪器与机械学系蒋弘、余兴龙等人【2 铊7 】， 吉林大学金钦汉、宋大干、张寒琦、赵晓君等人也在这方面取得了一些的进展【2 8 。3 0 1 。 表1 1 主要的s p r 产品以及公司信息 主要的s p r 产品以及公司信息 产品名称制造商公司地址 b i a c o r eb i a c o r ea b 瑞典 认s y sa f f i n i t ys e n s o r s 美国 s p r e e t a t m t e x a si i l s t n j m e n t s 美国 q u a n t e c hs p rq u a n t e c h美国 s p r 6 7 0 n i p p o ni 且s e ra n de l e c t r o n i c sl a b o r a t o r y 日本 k i n o m i c sb i o t u lb i oi n s t r u m e n t sg m b h德国 x a n t e ca m a l y s e n s y s t e m cg b r德国 i b i s i s p r i b i st e c l m o l o g i e sb v荷兰 w i n d s o rs c i e n t i f i cw i n d s o rs c i e n t i f i c 英国 j o h n s o n & j o h n s o no n h o c l i n i c a ld i a 印o s t i c s 英国 s p r 2 0 0 0中科院电子所中国 1 3s p r 技术的发展趋势 随着s p r 生物传感器技术的进一步发展，s p r 在越来越多的领域有了广泛的应用， 如生物分子相互作用、医学分析、生物技术、药品制造、食品加工等。同时越来越多的 应用也为s p r 传感器的研究和发展提供了一些方向，优化s p r 传感器结构，对传感片进 行处理，探讨相关原理、数据处理方法、提高元件的分辨率和增强检测的灵敏度，开拓 多通道高吞吐量小型化的s p r 传感器。s p r 传感器体现出如下的发展趋势； 1 在逐步提高仪器灵敏度的基础上向小型化，便携化发展。由于目前基于棱镜型的 表面等离子共振检测系统，均属实验室型的大型仪器，存在价格昂贵、结构复杂、体积 大等问题；采用改进仪器结构，减少噪声干扰和优化数据算法等措施，能使仪器的测量 精度进一步得到提高，并且实现仪器的便携化和易用化 2 开发阵列化、多通道s p r 检测仪器。多通道的优点是同时能够测量多个样品，实 现高通量检测，以及可以引入参考通道，以消除温度漂移、光源波动等干扰因素引起的 4 东北师范大学硕士学位论文 信号噪声，确保测量结果的精确度和可信度。同时达到提高检测效率和降低成本的作用。 3 金属膜系的改进，提高检测灵敏度。为了提高s p r 传感器的检测灵敏度和分辨率， 对于s p r 传感器结构优化、传感新机制等的实验研究仍然非常活跃，国外一些学者开展 了金属膜系优化和能量藕合新机制的研究。用纳米材料制作周期性结构光子晶体带隙薄 膜作为传感器的金属膜系，以增强表面等离子效应；在金膜上同时生长金纳米粒子和其 它纳米粒子介质( 如s i 0 2 ) ，生成金属复合膜基底，将可以大大地提高传感器的分辨率和 灵敏度。 4 与多种技术的联用。目前已经有相关的研究工作报道，如与电化学的联用、与微 流控技术的联用、与毛细管电泳分离方法的联用、与质谱技术联用等。但目前相关研究 工作还仅停留在实验室阶段，至今还没有商品化仪器设备，特别是在国内开展相关研究 工作较少。 1 4 本论文研究背景和意义 s p r 检测分析技术是一种样品不需要标记、不需要分离纯化、实时分析生物分子相 互作用的现代方法，具有传统生化分析方法及设备所不具备的特点，也是对传统分析方 法的重大发展和突破，它是研究d n a 、核酸、蛋白质等生物分子之间相互作用及其动力 学过程所急需的仪器。在生命科学、化学分析、环境监测、医学临床、药物筛选、食品 安全等领域有着极为广泛的应用前景。 s p r 检测分析技术在美、英、日等发达国家都进行了大量研究和应用。国内越来越 多的研究所、高等院校和医院了解和认识s p r 生化检测的优点和重要性，都迫切需要这 种s p r 生化分析系统，以便开展科学研究和临床应用。瑞典、美国、英国、德国等都已 有这种分析仪进入市场。但其产品价格极昂贵，进口一台需数十万美元。而且进口后， 还要不断购买昂贵的耗材芯片，所以一般单位买不起，而自己也无能力研制。 因此研究一种小型s p r 检测仪器，使之能够满足高灵敏、现场在线和低成本的检测 要求，既符合市场需求，也具有十分重要的社会和经济意义。 1 5 本论文主要内容 本论文的主要目标是设计出一种小型的、大角度扫描范围、高扫描精度、高测量精 度且能够实时在线测量的s p r 检测仪器，因此本论文论述了s p r 检测仪器研制的几个主 要方面：基于棱镜耦合的s p r 光路理论计算和系统结构设计；系统的软硬件设计和系统 性能指标测定。 第二章：基于棱镜耦合的s p r 理论分析和系统结构设计。本章将系统地介绍采用 k r c t s c h m a n n a t r 棱镜结构产生s p r 现象的机理以及本系统的结构设计。 第三章：系统的硬件设计。包括光源、检测器、扫描控制电路、微机接口电路等部 分。 5 东北师范大学硕士学位论文 第四章：系统的软件设计。包括系统固件、通信协议、上位机驱动、应用程序以及 分析算法等。 第五章：系统的性能指标测定实验及误差分析。 6 东北师范大学硕士学位论文 第二章：s p r 检测系统原理及结构 2 1 表面等离子体共振的产生条件 电磁波发生共振的条件是两个波具有相同的频率和波矢。首先入射光和表面等离子 体都属于电磁波。平面单色电磁波从一种媒质入射到另一种媒质频率不发生变化，因而 消失波的频率等于入射波频率。由于消失波激发而产生的表面等离子体有着与消失波的 相同频率若表面等离子体与入射光在x 轴方向上的分量具有相同的波矢则二者将发生 共振。入射光在棱镜反射界面上沿x 轴的波矢分量为： 缸= b 切口= 二os 伽口 ( 2 1 1 ) c 式中、c 、勖和0 分别是入射光角频率、真空中光速、介质介电常数和入射角。 若在与测试溶液相接的玻璃棱镜表面涂以高反射率的金属薄膜，入射光透过玻璃棱 镜照射到金属薄膜上将激发金属与溶液界面上的电子产生电荷振荡，进而形成表面等离 子体子( s u r f a c ep l a s m o n ，s p ) 。表面等离子体子波矢沿x 轴的分量为： r1 1 ，2 岛；兰lj 生i ( 2 1 2 ) c 【s l + 2j 式中刃和勿分别是金属的介电常数和样品的介电常数。 对于可见光而言，在金属导体消失波有效透射深度为1 0 0 2 0 0n m 。在这个范围内消 失波仍有作用。调整光的入射角至某一值时可以满足： 如；k ( 2 1 3 ) 此时可以得到： 5 觑： ( 2 1 4 ) 此时消失波与等离子体子将发生能量耦合产生谐振，入射光能量将大部分转移到等 离子体子上，致使反射光能量急剧减弱。若以一束单色汇聚光作为光源，此时可观察到 反射光光强如图2 1 所示。 7 东北师范大学硕士学位论文 戆 裂 客 这 入射麴 图2 1s p r 吸收谱图 2 2s p r 传感器的分类 按照系统中光学耦合结构的不同，目前的s p r 传感系统可分为4 种结构类型，即棱 镜耦合结构、光纤耦合结构、衍射光栅结构以及光学波导结构等。棱镜耦合具有结构简 单易于实现且灵敏度高等特点，使用较为广泛。由于传感膜结构的差异，棱镜耦合又可 分为o t t o 结构和心e t s c h m 柚n 结构两种类型。 o t t o 方式在金属薄膜和介质( 棱镜) 界面之间留有空刚3 1 】，如图2 2 所示。 镜 空气 图2 20 t t o 棱镜式s p r 结构 将被测物质放在此空隙中，增加了另一个界面，入射光从棱镜中入射，在第一界面 上发生全反射，由于两个界面之间距离很小，消失波穿透进入第二个界面( 被测物质和 金属薄膜的界面) ，这时消失波的k 比在空气中要大，有可能满足波矢匹配条件，激发 产生s p r ，从而造成反射光强急剧减小。但是，这种方法需要在棱镜与金属薄膜间留有 空隙，制作比较困难，实际使用中较少。 l ( r e t s c h m a n n 棱镜方式与0 t t o 棱镜方式不同，金属薄膜直接镀在棱镜上，被测物质 只与金属薄膜接触1 3 2 1 ，如图2 3 所示。这种结构相对于o t t o 结构来说，制作简单，因此 受到了广泛应用。 8 东北师范大学硕士学位论文 镜 疆 气 图2 3l ( r e t s c h m 姐n 棱镜式s p r 结构 在心e t s c h m a 衄棱镜方式中，入射光从棱镜中射到棱镜与金属薄膜分界面上，发生 全反射，由于金属薄膜厚度只有几十纳米，消失波能够穿透金属薄膜，在满足一定条件 下激发产生s p w ，反射光能量减小，在棱镜的出射端由光电探测器件检测光强。金属 薄膜表面的被测物质会对影响产生的s p w ，通过探测入射光与出射光的变化，可以检 测被测物质的信息，达到测量的目的。 在结构设计完成以后，只有入射角度0 和入射光波长九可以改变，由此产生了两种 检测s p r 的调制方法：角度测量型和波长测量型。 2 2 1 角度调制型 固定入射光波长九，改变入射角度，在某一折射率下，当入射角度达到某一角度0 ， 满足条件= 焉的时候，就发生共振，全反射光强达到最小，此时的入射角称为共振 角0 ；当被测液体折射率发生改变的时候，重新扫描，并测定共振角0 1 ，最终能够建立 共振角与样品折射率之间的关系。角度调制的方式，可以测量的折射率精度能够达到 1 1 0 。7 折射率单元。 角度调制型s p r 传感器中，要求光的单色性要好，通常采用激光器或者发光二极管。 角度调制型测量机构需要非常精密，要有精确的步进马达带动角度调整装置，角度 分辨率小于o 0 1 0 ，所以，此类仪器一般体积比较大，适合于科研院所、实验室等地方 使用。 2 2 2 波长调制型 与角度调制型不同，在波长调制型中，固定的是入射光的入射角0 ，改变的是入射 光波长k 。选择一个特定的入射角度，被测物质为某一折射率时，改变不同入射波长， 只有在特定波长处，表面等离子体波矢与入射光波矢匹配，才会产生s p r 现象，全反射 光强达到最小，此时的入射波长称为共振波长；改变被测物质的折射率，再一次扫描入 射波长，找到与此折射率对应的共振波长，最终建立共振波长与被测物质折射率的对应 关系。 波长调制型s p r 传感器中，光源需要能够发出各个波长的光，并且强度稳定，这种 理想的强度大、稳定性好的连续光源很难找到；在探测反射光强时，需要将不同波长的 光强分开，因此需要分光光谱仪进行分光。波长调制方式比角度测量方式减少了机械转 9 东北师范大学硕士学位论文 动机构，但其测量精度受到光谱仪精度的限制，同时计算处理比较复杂。 2 2 3 强度调制型 入射角0 固定、入射波长九固定，测量折射率变化引起的共振光强的变化，建立反 射光强与折射率之间的关系。强度调制检测方法简单，检测装置成本低廉，但是系统的 稳定性差，不能区别所检测的光强信号变化是否只是由折射率变化引起，因此检测误差 较大，检测系统的抗干扰性不好且检测灵敏度低，理想情况强度调制的灵敏度仅达1 1 0 。5 折射率单元。 2 3s p r 系统结构和组成 s p r 检测系统通常由四部分组成，分别为光路系统、进样系统、数据采集和控制系 统、数据存储和处理系统。我们设计的系统结构如图2 4 所示。 s p r 检测系统结构框图 本系统的光路部分为i ( r e t s c h m a n n 棱镜式结构，采用半圆型棱镜，可以避免光线在进 入和射出棱镜的时候发生偏折。光源采用波长为6 5 0n m 的红光点状激光器，检测器为两 片硅光电池。棱镜固定，激光器和检测器分别固定在以棱镜圆心为轴心的对称旋臂上， 可以使光线的入射角在大范围内变化。旋臂由步进电机带动丝杠推动，机械扫描步进角 度小于0 0 0 2 0 。扫描及光路系统的结构如图2 5 所示。 1 0 东北师范大学硕士学位论文 图2 5 角度扫描系统结构 数据采集部分可以分为采集放大系统、扫描控制系统、进样控制系统、主控系统、 通信系统以及数据分析存储系统等几部分，将在第三章和第四章详细阐述。 2 4 小结 本章主要介绍了s p r 检测系统的原理，即表面等离子体共振的产生条件；s p r 传感 器的分类，并简要的描述了各自的特点；s p r 系统的组成和结构。 东北师范大学硕士学位论文 第三章s p r 检测系统电路结构 科学的电路设计是系统实现的关键，本章叙述s p r 检测系统电路结构，分为采集放大 系统、电机控制系统、主控和通信系统等几个部分。 3 1 光电转换及放大检测电路 光电转换及放大检测电路的电路结构如图3 1 所示。光强度检测元件为硅光电池， 其输出的电信号经过集成运算放大器放大后再经过模一数转换变成数字信号，通过1 2 c 总线传输给主控系统。 图3 1 光电转换及放大检测电路原理图 3 1 1 光电转换器件 系统中光电转换器件为硅光电池。半导体p n 结在受到光照射时能产生电动势的效 应，叫光伏打效应。硅光电池就是利用光伏打效应将光能直接换成电能的半导体器件。 硅光电池本质为一个大面积p n 结。光照可以使薄薄的p 型区产生大量的光生载流子。 这些光生电子和空穴，会向p n 结方向扩散。扩散过程中，一部分电子和空穴复合消失， 大部分扩散到p n 结边缘。在结电场的作用下，大部分光生空穴被电场推回p 型区而不 能穿越p n 结；大部分光生电子却受到结电场的加速作用穿越p n 结，到达n 型区。随 着光生电子在n 型区的积累及光生空穴在p 型号区的积累，会在在p n 对的两侧产生一 个稳定的电位差，这就是光生电动势。 硅光电池的光照特性曲线如图3 2 所示。可知流过硅光电池的电流与照射在电池上 的光强成正比，检测电流的变化即可得到光强度的变化。 1 2 东北师范大学硕士学位论文 硅光电池具有结构简单，不需要电源，具有重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便、 性能稳定、光谱范围宽、频率特定好、转换效率高等特点，广泛应用于仪器分析及仪器 测量。 v e 5 e t 重 o 3 g 。2 e 1 图3 2 硅光电池光照特性曲线 3 1 2 信号放大电路 从硅光电池出来的电流信号非常微弱并且无法被直接转换为数字信号，因此须先通 过放大电路转换为电压信号并调整幅度。 本系统的信号放大电路采用了集成运算放大器t l v 2 2 1 1 。1 1 2 2 1 1 由美国t i 公司 制造，采用l i n c m o s 工艺，可以用3 v 或5 v 单电源工作；具有较好的输入噪声电压性 能，并可以实现满电源幅度输出摆幅，可以较为方 便的连接a d 转换器件。 t l v 2 2 1 1 的特性如下，引脚排列如图3 3 所示。 输出摆幅包含两个满电源幅度； 低噪声； 低输入偏置电流，典型值1 p a ； 令极低功率，典型值每通道1 3 u a ； 夺共模输入电压范围包含负电源电压； 夺宽电源电压范围。 夺s o t - 2 3 封装 图3 3 t l v 2 2 1 1 引脚 3 1 3 模数转换电路 模数转换电路的功能是把模拟信号( 电压) 转换为微处理器可以识别的数字信号。本 系统模数转换电路的核心部件为t i 公司的模数转换芯片a d s l l 0 0 。 a d s l l o o 是精密的连续自校准模数转换器，带有差分输入和高达1 6 位的分辨率， 封装为小型s o t 2 3 6 。转换按比例进行，以电源作为基准电压。a d s l l o o 使用可兼容的 1 3 东北师范大学硕士学位论文 1 2 c 串行接口，在2 7 v 至5 5 v 的单电源下工作。 a d s l l o o 可每秒采样8 、1 6 、3 2 或1 2 8 次以进行转换，片内可编程的增益放大器( p g a ) 提供高达8 倍的增益，允许对更小的信号进行测量，并且具有高分辨率。可以选择单周 期转换方式或连续转换方式，在单周期转换方式中a d s l l o o 在一次转换之后自动掉电， 在空闲期间极大地减少了电流消耗。 a d s l l o o 的模数转换器核心由一个差分开关电容调节器和一个数字滤波器组 成，调节器测量正模拟输入和负模拟输入的压差并将其与基准电压相比较，在a d s l l 0 0 中基准电压即电源电压，数字滤波器从调节器接收高速位流并输出一个代码，该代码是 一个与输入电压成比例的数字，如表3 1 所示： 表3 1a d s l l o o 针对不同信号的输出码 i h 张j ts 0 n 点l o 矗t 矗r 矗琵h e g a 订绳f u l l - s c 矗l e一1 l s 8征r i = + l l s bp o s t ef 圳l l s c 矗l 鲥；鸺8 辨0 。? 。绒慨。0 0 0 1 。，f f f 一 镐p s e 移。 rf f l 0 嚷。 0 0 0 j “帮l k 3 然i 毪 l 谚稠 ff l f -僦野钆 0 0 扪。 ff 。 懈p sf 露“ ff 1 ：= 艮 0 织，o a o k0 阼f “ a d s l l 0 0 通过1 2 c 接口与微处理器通信，其1 2 c 时序如图3 5 所示： 艇 m 氐 l ：等陋犁知翻 l - _ 吖 l 张； 厂弋a 一7 i厂 n p f s8 p 图3 5a d s l l o o 的1 2 c 时序 a d s l l 0 0 的1 2 c 地址是1 0 0 1 x ) ( x ，其中x x x 是出厂时的默认设置。a d s l l 0 0 有 8 种不同的类型，每种类型都有一个不同的1 2 c 地址。即是说，同一i z c 总线上最多可 以连接8 个a d s l l o o 。在本系统中，为保证采集速度( 1 2 c 总线上主机同一时刻只能和一 个a d s l l 0 0 通信) ，并没有把两路a d 连接在同一条总线上。 本系统中a d s l l o o 工作在连续采样模式，每秒采样1 2 8 次，输出为1 2 位，在保证 采样精度的同时提高了采样速度。 3 2 电机控制电路 本系统需要分别控制两个电机，分别是角度扫描系统的步进电机和进样系统的直流 电机，电机控制部分电路如图3 6 所示。 1 4 东北师范大学硕士学位论文 图3 6 电机控制电路原理图 电机驱动电路核心是高耐压、大电流达林顿陈列u l n 2 0 0 3 。u l n 2 0 0 3 的每一对达 林顿都串联一个2 7 k 的基极电阻，在5 v 的工作电压下它能与t t l 和c m o s 电路直接 相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。u l n 2 0 0 3 工作电压高， 工作电流大，灌电流可达5 0 0 m a ，并且能够在关态时承受5 0 v 的电压，输出还可以在 高负载电流并行运行。 角度扫描系统采用二相四线的步进电机，工作在四拍模式，经测试，在电源电压为 1 2 v 时，其单相电流超过5 0 0 m a ，故在u l n 2 0 0 3 输出端加了四组三极管进行二次驱动； 进样系统为9 v 直流电机，故由u l n 2 0 0 3 连接一单刀双掷继电器驱动。 3 3 主控及通信电路 主控电路既要负责从检测系统读取数据，又要给电机控制系统输出驱动信号，还要 与上位机交换数据和指令，是电路系统的核心部分。本系统的主控及通信电路如图3 7 所示： 主控芯片采用t u s b 3 2 1 0 。t u s b 3 2 1 0 是t i 公司推出的内嵌8 0 5 2 内核并带有u s b 接口的微控制器芯片。t u s b 3 2 1 0 有2 5 6 字节的内部洲，8 k 字节的程序洲，5 1 2 字节的u s b 数据缓冲和端点描述块e d b ( e n d p o i n td e s c r i p t o rb l o c k s ) ，4 个通用的g p i o 端口p o 、p 1 、p 2 、p 3 ，1 2 c 接口电路，看门狗电路等。 t u s b 3 2 1 0 的u s b 接口符合u s b 2 o 全速协议，有4 个输入端点( 1 n p u te n d p o i n t ) 和4 个输出端点( o u t p u te n d p o i n t ) ，支持全速和低速传输速率，并具有u s b 协议所规定的 4 种传输方式。t u s b 3 2 1 0 的u s b 接口采用串行接口引擎( s i e ) 编码和解码串行数据， 1 5 东北师范大学硕士学位论文 并且进行校验、位填充，执行u s b 所需要的其他信号。这样采用硬件完成u s b 协议， 简化了固件代码的编制。 t u s b 3 2 1 0 采用基于内部r a m 的解决方案，允许通过1 2 c 总线从串行e e p r o m 中 读入固件或从主机中下载固件程序。这项功能便于设备的开发与在线升级。 u 鹞1 j k u 2 v b 鬻日删d ， ； p u r 瑚0 4 3 d p 0 l 4 4 上lg n d 卜i16窿 d p d m 1 9 d h 帕 阳2 矿 p 03 4 6 =? l x j 赞 s u s p p 0 4 4 7 一 一 翌 r l 琳 p 05 4 8 v d d 叫tp 0 6 4 9 1 一邢7 矿 了 2 1 u 旧u s 3 l 0 1 心+ 3 3 vs c l1 2 p l0 3 2 ：3 yi its d a1 1 - 3 3 i | s d ap2 羽 町 - j 3 j 一1 p 1 4 弼 l 篮： i ； 功voc 5 l l 孤昔 t 毯玎0 p5 加 e lt 匿汀i p6 4 1 s c l e 2 2 0 t 娶汀2 p7 s s