張晨光，陳靖容，劉仁材，王雅麗

(1.中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 101408；2.中國科學(xué)院大學(xué)材料科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院，北京 101408)

0 引言

表面等離子體共振(surface plasmon resonance，SPR)技術(shù)是一種無需標(biāo)記、實(shí)時(shí)、非侵入式的檢測技術(shù)。當(dāng)激光在一定條件下照射到金屬薄膜上時(shí)，會(huì)激發(fā)金屬表面的自由電子產(chǎn)生振蕩形成表面等離子體波，入射光與該波產(chǎn)生共振后，其反射光的能量會(huì)急劇減小，此時(shí)的入射角即為共振角[1]。而共振角的位置與金屬薄膜附近的介質(zhì)有關(guān)。該技術(shù)可用于生物分子之間的相互作用分析[2]、膜厚測量[3]、濃度測量[4]等。表面等離子體共振技術(shù)作為一種高靈敏度、無需標(biāo)記和實(shí)時(shí)的檢測技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)[5-6]、醫(yī)學(xué)診斷[7-8]、環(huán)境監(jiān)測[9-10]、食品安全[11-12]、毒品檢測[13]等領(lǐng)域。

然而，目前商業(yè)型的表面等離子體共振檢測儀普遍價(jià)格昂貴[1]。針對這一問題，本文研究了一種低成本的角度調(diào)制型SPR傳感器系統(tǒng)。使用SPR技術(shù)中最常見的Kretschmann配置，并配備了兩個(gè)機(jī)械旋轉(zhuǎn)臺(tái)以分別驅(qū)動(dòng)激光器和光電二極管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其角度掃描范圍可達(dá)40°～70°。為了節(jié)省成本與縮短研發(fā)周期，使用3D打印技術(shù)打印出的零件來對系統(tǒng)進(jìn)行組裝。3D打印的層厚設(shè)定為70 μm，可以有效的解決元器件之間光路的對齊問題。另外，環(huán)境溫度對于SPR的測量影響較大，系統(tǒng)中加入了相應(yīng)的控溫模塊用以控制傳感器及其附近的溫度。為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，使用不同濃度的NaCl溶液作為標(biāo)準(zhǔn)溶液對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，得到系統(tǒng)測量的分辨率為8.34×10-6RIU。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 物品清單

系統(tǒng)使用了一個(gè)650nm波長的半導(dǎo)體激光器(富喆150 mW)，一個(gè)光電二極管(2DU10，10 mm×10 mm)，一個(gè)光學(xué)偏振片(F-PZP-OO1φ15 mm)，一個(gè)BK7材質(zhì)的等腰直角三棱鏡(20 mm×20 mm×10 mm)，另外有BK7材質(zhì)鍍有50 nm金膜的玻璃片(30 mm×10 mm×2 mm)，一臺(tái)Cube33D打印機(jī)用來打印系統(tǒng)的組成零件。兩個(gè)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)(Pidivi PX100)作為系統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分。自制的信號處理電路用于采集與放大信號。半導(dǎo)體制冷片TEC1-12704作為溫度控制模塊的輸出進(jìn)行系統(tǒng)的加熱和制冷。另外有鋁合金加工件作為流室模塊的組成件之一。

1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由激光器產(chǎn)生的激光首先經(jīng)過偏振片成為p偏振光，然后經(jīng)由棱鏡投射到投射到傳感器上，傳感器上的反射光波自棱鏡射出后，由光電二極管進(jìn)行采集。自動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)激光器和光電二極管進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到角度掃描的目的。這里旋轉(zhuǎn)平臺(tái)可以控制系統(tǒng)進(jìn)行掃描的角度為40°～72°。光電二極管將采集到的光信號轉(zhuǎn)化成電信號后經(jīng)由放大電路放大，然后使用控制器內(nèi)置ADC進(jìn)行量化并傳輸?shù)诫娔X端，電腦端有基于Matlab編寫的軟件進(jìn)行處理并獲得共振角。樣品由蠕動(dòng)泵進(jìn)行輸送，為了減小檢測的誤差，系統(tǒng)中有相應(yīng)的控溫模塊對流室模塊進(jìn)行控溫。

(a)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(b)系統(tǒng)實(shí)物圖圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖及實(shí)物圖

1.3 下位機(jī)組成

系統(tǒng)的下位機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，由主控制器ATmega2560、溫度控制模塊、信號采集與放大模塊以及機(jī)械控制模塊4部分組成。主控制負(fù)責(zé)控制其他3個(gè)模塊的正常工作，并與PC端進(jìn)行通信；溫度控制模塊用來維持SPR傳感器及其附近的溫度；信號采集與放大模塊用于對SPR傳感器反射出來的激光信號進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)化為電壓信號；轉(zhuǎn)臺(tái)控制模塊用于驅(qū)動(dòng)激光器和光電二極管圍繞SPR傳感器進(jìn)行掃描。

圖2 下位機(jī)組成

1.3.1 溫度控制模塊

溫度控制模塊由ATmega2560微控制器、16bit高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115、103AT-shape1熱敏電阻、12bit PWM信號產(chǎn)生器PCA9685、MOSFET(金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)H橋模塊以及半導(dǎo)體致冷片TEC1-1207組成。流室模塊的溫度通過熱敏電阻進(jìn)行感知，然后由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過I2C總線傳輸至ATmega2560微控制器。在微控制器內(nèi)部程序中包含有PID算法，該算法依據(jù)流室模塊的溫度信息來確定輸出PWM信號的占空比。為了使PID算法控制更加精確，使用了12 bit的PWM信號產(chǎn)生器PCA9685替代ATmega2560自帶的8bit PWM信號產(chǎn)生器。PWM信號產(chǎn)生器產(chǎn)生的PWM信號并不能直接驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體致冷片進(jìn)行加熱或致冷。所以在PWM信號產(chǎn)生器與半導(dǎo)體致冷片之間添加了一個(gè)MOSFET H橋用于驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體致冷片對流室進(jìn)行加熱或制冷。流室的溫度信息除作為PID算法的輸入外，還可通過ATmega2560經(jīng)由串口傳輸?shù)街骺刂破?，最終傳輸?shù)絇C端。圖3為系統(tǒng)溫度控制模塊工作時(shí)，系統(tǒng)流室模塊的溫度變化曲線，系統(tǒng)控溫平穩(wěn)后，系統(tǒng)溫度變化小于0.1 ℃。

圖3 系統(tǒng)流室模塊PID控溫曲線

1.3.2 信號采集與放大模塊

信號采集與放大模塊的組成見圖4所示。D1為光電二極管，R1為30 Ω的電阻，兩者連在一起形成回路。當(dāng)激光投射在光電二極管上時(shí)，光電二極管會(huì)產(chǎn)生光電流流經(jīng)R1電阻。通過R1的電流的大小與光強(qiáng)成正比，進(jìn)而R1兩端的電壓與光強(qiáng)也成正比。測量電阻兩端的電壓即可獲得反射激光光強(qiáng)的信息。實(shí)驗(yàn)測得由SPR傳感器反射的激光強(qiáng)度最大時(shí)，R1兩端的電壓值為290 mV。R1兩端的電壓信號通過一個(gè)電壓跟隨器連接至比例運(yùn)算放大電路的輸入端。比例運(yùn)算放大電路的放大倍數(shù)為(R2+R3)/R2。這里取R2=1 kΩ，R3=10 kΩ，放大倍數(shù)為11倍。放大后的信號輸出至主控制器內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行量化與進(jìn)一步處理。

圖4 信號采集與放大模塊

1.4 3D打印零件

角度調(diào)制方式的表面等離子體共振檢測系統(tǒng)機(jī)械部件相對較多，在研發(fā)的過程中機(jī)械零件的加工會(huì)占用相當(dāng)一部分成本，且加工與測試周期較長。而隨著3D打印技術(shù)的普及，機(jī)械部件的加工成本會(huì)極大的降低。目前3D打印技術(shù)的流程如圖5所示，3D打印技術(shù)的引入可以極大地縮短零件由設(shè)計(jì)到安裝測試的過程，可以快速的反映出設(shè)計(jì)方案中存在的問題并進(jìn)行改進(jìn)[14]。使用熔融堆積式(fused deposition modeling,FDM)3D打印技術(shù)對機(jī)械部件進(jìn)行打印。采用Cube3 桌面型3D打印機(jī)，使用的耗材為PLA(聚乳酸)耗材。打印機(jī)的成型層后為70 μm，可以有效解決機(jī)械部件之間的對齊問題。在零件模型設(shè)計(jì)上，可以采用Solidworks建模軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。然后使用打印機(jī)自帶的Cubify軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換與切片打印。通?？梢栽跀?shù)min或者數(shù)h內(nèi)將設(shè)計(jì)的零件模型打印成實(shí)體零件，極大的減少研發(fā)的周期以及研發(fā)成本。

圖5 3D打印技術(shù)使用流程

1.5 流室模塊

流室模塊的設(shè)計(jì)示意圖如圖6所示。流室模塊采用鋁合金金屬加工件以及橡膠薄膜組成。這里使用金屬加工件而不使用3D打印零件是因?yàn)?D打印的耗材為PLA塑料，無法滿足控溫的需要。半導(dǎo)體致冷片通過導(dǎo)熱膏貼在金屬加工件上，調(diào)控金屬加工件溫度以控制流室部位溫度的穩(wěn)定。金屬加工件上除留有進(jìn)樣口和出樣口作為樣品進(jìn)入流室的通道外，還留有熱敏電阻孔位用于將熱敏電阻的安裝。這里為了使熱敏電阻測量的溫度可以等效于流室內(nèi)的溫度，熱敏電阻孔位較深，安裝后熱敏電阻與流室之間隔0.8 mm。

圖6 流室模塊設(shè)計(jì)示意圖

2 信號處理

對于系統(tǒng)采集到的光強(qiáng)信號，由于在硬件上沒有進(jìn)行相關(guān)濾波操作，所以獲得的信號噪聲較大，圖7(a)所示為共振角附近截取的一段原始信號。信號中的噪聲需要在軟件程序中進(jìn)行處理才能獲得精確的共振角位置。為了在濾波處理上盡量簡單有效，這里使用均值濾波方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。均值濾波的窗函數(shù)長度設(shè)定為100，使用該窗函數(shù)濾波后，得到的信號如圖7(b)所示?？梢钥吹叫盘栔械脑肼暦让黠@減弱，但是將信號進(jìn)行局部放大后，依然可以看到明顯的噪聲。該微小噪聲會(huì)影響共振角位置的確定，其影響的程度在10-20數(shù)量級。增加均值濾波窗函數(shù)的長度可以進(jìn)一步削弱噪聲，但并不能完全消除，而且過長的窗函數(shù)會(huì)造成信號失真。考慮到SPR傳感器波形的特征固定，可以使用多項(xiàng)式擬合的方法對濾波后的信號進(jìn)行高階多項(xiàng)式擬合。在本文中使用了六階多項(xiàng)式擬合，擬合之后的信號有唯一的最小值。擬合后的信號曲線如圖7(c)所示，相較于求濾波后信號的最小值，多項(xiàng)式擬合方法使用了信號中的所有點(diǎn)，準(zhǔn)確性更高。實(shí)驗(yàn)證明采用濾波后對信號擬合可以令系統(tǒng)基線信號的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.001°。

3 系統(tǒng)性能分析

3.1 穩(wěn)定性測試

(a)原始信號波形

(b)100點(diǎn)均值濾波后波形

(c)濾波后六階多項(xiàng)式擬合的信號波形圖7 原始信號、濾波及擬合信號波形

系統(tǒng)的穩(wěn)定性是儀器性能的重要指標(biāo)。在進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性之前，先對系統(tǒng)的基本功能進(jìn)行評估。圖8(a)為系統(tǒng)測量空氣與水的共振角。圖8(a)中空氣的全反射角為41.62°，共振角為43.48°左右；去離子水的全反射角為61.56°，共振角為69.96°。空氣與去離子水的全反射角均與理論的全反射角接近，而共振角的位置則與所用的棱鏡材質(zhì)、激光波長、傳感器特性有關(guān)。使用去離子水作為背景溶液對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行測定。為了防止進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)樣品中的氣體影響實(shí)驗(yàn)，在系統(tǒng)進(jìn)行測試之前，需要對去離子水樣品進(jìn)行去氣泡處理。否則水中的氣體可能會(huì)囤積在流室中而影響系統(tǒng)的測量結(jié)果。圖8(b)為去離子水作為背景溶液時(shí)，系統(tǒng)共振角隨時(shí)間變化的曲線。測試的時(shí)間為1 h，系統(tǒng)溫度設(shè)定20 ℃，送樣流速為50 μL/min，測得背景信號的標(biāo)準(zhǔn)差為0.000 9゜。

(a)空氣與去離子水的SPR曲線

(b)去離子水的系統(tǒng)響應(yīng)隨時(shí)間變化曲線圖8 空氣與離子水的SPR曲線及去離子水的系統(tǒng)響應(yīng)隨時(shí)間變化曲線

3.2 分辨率測定

系統(tǒng)的準(zhǔn)確性可以通過測量標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行測量。這里配制0%、0.5%、1%、2%、3%，4%濃度梯度的NaCl溶液，以50 μL/min的流速通入系統(tǒng)中，溫度設(shè)定為20 ℃。取去離子水的系統(tǒng)響應(yīng)為系統(tǒng)基線，不同濃度的NaCl溶液相對于去離子水的系統(tǒng)響應(yīng)的變化量ΔRU與時(shí)間的關(guān)系如圖9所示，可以看到系統(tǒng)的響應(yīng)隨著通入樣品濃度不同有著明顯的變化。作出溶液折射率與系統(tǒng)響應(yīng)變化量之間的關(guān)系如圖10所示。樣品折射率與系統(tǒng)的響應(yīng)變化量△RU(響應(yīng)單位的變化量，這里為角度)成線性關(guān)系RIU=0.009 27×ΔRU+1.330(R2=0.992 6，RIU為折射率單位)。由系統(tǒng)基線信號的標(biāo)準(zhǔn)偏差以及折射率與系統(tǒng)響應(yīng)之間的關(guān)系，可以得到系統(tǒng)的折射率分辨率為8.34×10-6RIU(折射率單位)。

圖9 不同濃度NaCl相對于去離子水的系統(tǒng)響應(yīng)變化曲線

圖10 系統(tǒng)響應(yīng)與折射率的關(guān)系曲線

3.3 系統(tǒng)性能對比

目前表面等離子體共振檢測儀的商業(yè)機(jī)型眾多，價(jià)格在十幾萬到上百萬不等。表1列出了不同價(jià)位的商業(yè)機(jī)型以及本文研究機(jī)型的信息。對于商業(yè)機(jī)型，可以看到其價(jià)格隨著分辨率的提高而明顯的升高。對于本文研究的表面等離子共振檢測儀，精度與檢測范圍兩個(gè)方面接近SPR Navi200，但其成本遠(yuǎn)低于后者。

表1 不同型號SPR信息

4 結(jié)束語

通過使用3D打印技術(shù)，有效地降低了表面等離子體共振檢測儀的成本并縮短了研發(fā)周期。通過標(biāo)準(zhǔn)溶液對系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明儀器的分辨率達(dá)8.34×10-6RIU。由于系統(tǒng)擁有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，所以可應(yīng)用于眾多領(lǐng)域的研究中，且成本較低。