CN212483349U - 基于表面等离子共振技术的痕量农药残留检测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于表面等离子共振技术的痕量农药残留检测系统，包括：增强型SPR生物传感器、可调激光脉冲发生器、光纤环路解调系统；所述增强型SPR生物传感器检测所述可调激光脉冲发生器发射不同波长的光源；所述光纤环路解调系统用于解调所述增强型SPR生物传感器。本实用新型结合了纳米粒子增强SPR技术与光纤环路吸收技术进行生物量传感系统设计与制作；纳米粒子增强SPR传感器是当前SPR领域的研究热点，其高灵敏特性适用于多种生物量传感；采用光纤环路吸收技术解调，进一步提高了系统灵敏度，并且保证了快速响应能力；系统具备超高灵敏度(10‑8RIU)和准实时响应能力(ms级)。
Description
技术领域
本实用新型涉及农药残留检测技术领域，具体地说，特别涉及一种基于表面等离子共振技术的痕量农药残留检测系统。
背景技术
农药残留是指在农药使用后，残留在使用对象中的农药原体或有毒代谢物，一般不易挥发和降解。随着对强毒性农药的禁用，逐渐形成了有机氯农药＞有机磷农药＞植物农药的农药残留量分布。当前建立了各级市场食品药品安全管理机制，也对检测仪器提出了具备便携式、低成本的新要求。各级研究单位及有关部门积极开展对农业有害物质的定性及定量检测传感研究。研究方法主要可以归纳为：仪器检测法；酶抑制法；生物传感器法；生物活体检测法等。
对比农药残留检测的主要方法，气相及液相色谱等检测方法由于其检测原理及设备成熟，己成为公认的标准检测方法，可实现样本的直接准确检测。生物活体法由于其使用活的生物直接测定，其检测精度及实效性都较差，不适合作为一种快速检测方法推广应用。基于乙酰胆碱酯酶活性抑制的酶抑制检测方法可实现对农药的现场初步筛查而具有实用价值，但容易受到检测信号的多级传递转换干扰，所以该检测仪器还具备一定的改进提升空间。
实用新型内容
为了解决现有技术的问题，本实用新型实施例提供了一种基于表面等离子共振技术的痕量农药残留检测系统。所述技术方案如下：
一方面，提供了一种基于表面等离子共振技术的痕量农药残留检测系统，包括：增强型SPR生物传感器、可调激光脉冲发生器、光纤环路解调系统；
所述增强型SPR生物传感器检测所述可调激光脉冲发生器发射不同波长的光源；所述光纤环路解调系统用于解调所述增强型SPR生物传感器。
进一步地，所述增强型SPR生物传感器基于金属纳米粒子增强方案及光栅式输入输出结构制作。
进一步地，所述可调激光脉冲发生器采用由大功率固定波长的激光器Nd:YAG和可调谐二极管激光器TDL在PPLN晶体中差分，调制成宽范围的可调谐激光。
进一步地，所述可调激光脉冲发生器包括增益可调掺铒光纤放大器；所述增益可调掺铒光纤放大器的前后两端各接一个光纤光栅；设置于前端的为第一光纤光栅，设于后端的为第二光纤光栅。
进一步地，所述可调激光脉冲发生器包括还包括可调光衰减器；所述可调光衰减器一端与所述增强型SPR生物传感器连接，另一端与所述增益可调掺铒光纤放大器的第二光纤光栅连接。
本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1)结合了纳米粒子增强SPR技术与光纤环路吸收技术进行生物量传感系统设计与制作。
纳米粒子增强SPR传感器是当前SPR领域的研究热点，其高灵敏特性适用于多种生物量传感；采用光纤环路吸收技术解调，进一步提高了系统灵敏度，并且保证了快速响应能力。系统具备超高灵敏度(10-8RIU)和准实时响应能力(ms级)。
2)系统结合了强度型和波长型SPR传感系统的优点。
克服了提高系统灵敏度与动态范围的潜在矛盾，通过伺服控制系统设计，系统可以在快速灵敏测量的基础上适用于大动态范围测量和反应动力学研究。
3)全光纤系统适于远程监测应用。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型实施例的基于表面等离子共振技术的痕量农药残留检测系统的示意图；
图2是本实用新型实施例的项目技术的工作路线流程图；
图3是本实用新型实施例的增强SPR检测方案的示意图；
图4是本实用新型实施例的纳米球刻蚀法实现SPR制作的流程图；
图5是本实用新型实施例的衍射光栅结构的示意图；
图6是本实用新型实施例的可调激光脉冲发生器的示意图；
图7是本实用新型实施例的增益可调掺铒光纤放大器的示意图；
图8是本实用新型实施例的可调光衰减器的示意图；
图9是本实用新型实施例的蛋白质测量实验系统的示意图
图10是本实用新型实施例的增益与输入信号强度的关系的示意图；
图11是本实用新型实施例的增益布喇格波长变化量的关系的示意图；
图12是本实用新型实施例的衰减量与纵向间距h的关系的示意图；
图13是本实用新型实施例的衰减量与L的关系的示意图；
图14是本实用新型实施例的可调光衰减器的波长微损耗特性的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
本实用新型提供了一种基于表面等离子共振技术的痕量农药残留检测系统，参见图1，包括：增强型SPR生物传感器100、可调激光脉冲发生器200、光纤环路解调系统300；
所述增强型SPR生物传感器100检测所述可调激光脉冲发生器200发射不同波长的光源；所述光纤环路解调系统300用于解调所述增强型SPR生物传感器100。
进一步地，所述增强型SPR生物传感器基于金属纳米粒子增强方案及光栅式输入输出结构制作。
进一步地，所述可调激光脉冲发生器采用由大功率固定波长的激光器Nd:YAG和可调谐二极管激光器TDL在PPLN晶体中差分，调制成宽范围的可调谐激光。
进一步地，所述可调激光脉冲发生器包括增益可调掺铒光纤放大器；所述增益可调掺铒光纤放大器的前后两端各接一个光纤光栅；设置于前端的为第一光纤光栅，设于后端的为第二光纤光栅。
进一步地，所述可调激光脉冲发生器包括还包括可调光衰减器；所述可调光衰减器一端与所述增强型SPR生物传感器连接，另一端与所述增益可调掺铒光纤放大器的第二光纤光栅连接。
具体地，表面等离子共振(Surface plasmon resonance,SPR)技术是用于研究分子之间相互作用的一种新型生物传感技术。其原理是将能够与待测物结合的分子用物理或化学方法固定在SPR传感器芯片表面，当待测物与芯片表面相对应耦联物发生作用时，引起芯片表面光学参数变化，并以电信号的形式表现出来。与传统分析方法相比，SPR技术具有样品无需标记，易于实现，实时动态分析，高选择性、高灵敏度，分析速度快等优点，尤其适于多种生物量的分子相互动力学作用研究，如测抗原与抗体、蛋白质与蛋白质、药物与蛋白质、核酸与核酸、受体与配体等生物分子之间的相互作用，在生命科学、环境监测、药物研究、食品安全、蛋白质检测等领域应用广泛。
痕量在应用科学领域，指某种物质的含量在百万分之一以下。农药残留量检测是微量或痕量分析，必须采用高灵敏度的检测技术才能实现，SPR生物传感器是多学科和技术的交叉领域，得益于材料科学、生命科学和纳米技术、半导体微加工技术、电子技术的快速发展。研制基于SPR技术的生物量测量系统，是交叉科学研究的重要进展，是生物传感器走出实验室获得实际应用的必要途径。利用SPR生物量测量系统提高生物量测量的灵敏度、响应速度和精度，实现痕量农药残留的超灵敏、超快检测，这对多种生化研究和保护人类生命健康安全具有直接和重大的现实意义。
本实施例中，还提供了基于表面等离子共振技术的痕量农药残留检测系统：
(1)增强型SPR生物传感器的制作
参见图2，依据项目设计要求，设计了图3所示的增强SPR的检测方案。被分析物——“配体”溶液流过固定有‘受体’的传感片表面，若发生作用而相互结合则会引起表面物质质量改变，而折射率与质量成正比，所以折射率改变。SPR以图中方式与光纤环耦合。
项目采用了纳米球刻蚀法(NSL,图4所示)实现SPR制作。首先通过聚丙乙烯溶胶沉积形成纳米球自组装掩模。然后，金属通过高温或电子束蒸发的方法溅射到纳米球层中。在移除聚丙乙烯纳米球后，残留的金属将形成排列好的三角纳米粒子。通过改变沉积纳米球的半径以及沉积金属的厚度，可以制作实现不同宽度、高度以及不同粒子间距的纳米颗粒。通过对纳米颗粒形状分析可实现不同灵敏度SPR设计。
分析得到上述传感器的纳米颗粒对局域折射率的敏感性接近200nm/单位折射率。当分子结合到纳米三角表面时，当折射率变化时，会发生波长漂移，这样就为探测如蛋白质结合提供了基础。
项目还将采取衍射光栅结构设计SPR，通过在1mm厚的Pyrex玻璃板上制作聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的抗蚀层(图5衍射光栅结构)。采用配有光刻系统的扫描电子显微镜(SEM)形成一个100×100μm2的单维衍射光栅，图中采用的是氟离子基实现蚀刻处理，其各向异性反应离子完成蚀刻深度为35nm的亚波长光栅。在沉积40nm的金薄膜后溅射处理实现285nm的Ta2O5波导层。
项目为传感器的重复利用及对比实验还将采用以下处理方式：芯片表面用去离子水漂洗，通过乙醇清洗，再用纯氮气干燥。然后，生物芯片在乙醇溶液中浸泡六个小时，浸泡过后，再分别用去离子水漂洗，用乙醇清洗，用纯氮气干燥。然后，在NHS溶液中浸泡12小时。
(2)可调激光脉冲发生器设计
为项目中SPR传感器不同波长的工作，设计了可调激光脉冲发生器，如图6所示。采用的是由大功率固定波长的激光器Nd:YAG和可调谐二极管激光器TDL在PPLN晶体中差分，调制成宽范围的可调谐激光。这里所提出的可调模式锁定光纤激光脉冲发生器是一种可编程控制的激光器，它克服了传统激光器的不足，所发射的平行激光脉冲波长能够根据测量种类和测量过程长短在1460～1610nm宽范围可调，输出脉冲宽度为5ns，也可根据需要输出不同周期的激光脉冲。
(3)增益可调掺铒光纤放大器设计
项目还需要完成增益可调掺铒光纤放大器(VEDFA)设计，结构如图7所示，VEDFA前后泵浦式，在VEDFA的前后两端各接一个光纤光栅(FBGt1、FBGt2)，其中FBGt1为可调Bragg波长的光纤光栅。
自然状态下VEDFA的增益随掺铒光纤的长度不同而改变，设单位掺铒光纤的增益为
式中γ为散射系数；α为吸收系数；
为单位长度的反转粒子数，且
因此，长度为l的掺铒光纤放大器的增益为
在工作状态下，由于FBG的反射作用等效于在放大器中形成了谐振腔，假定每个FBG仅影响腔内损耗，则有[27]
式中G为激射状态下VEDFA的增益；RFP为腔内等效反射率；k为常数。
实验证明RFP是与FBGt1的反射率R1(λ)和FBGt2的反射率R2(λ)的乘积R1(λ)R2(λ)的最大值成正比的参数，即
由于FBG的带宽比VEDFA的增益带宽小很多，因此在R1(λ)和R2(λ)的乘积最大位置可以产生激射状态，调节FBGt1的Bragg波长值，即可改变两个FBG反射率乘积大小，从而改变VEDFA的增益，使VEDFA的增益控制在不同状态。由式(10)和(11)可知，当两个FBG的反射谱完全分开时，增益最大，进入增益饱和状态，当其反射谱完全重合时，增益最小。
增益控制规律是通过PC机的自适应控制程序实现的，而FBG的Bragg波长的改变是通过PZT电致伸缩效应来实现的。PZT的驱动直流电压由PC机按程序驱动可变直流电压源调节，FBGt1粘贴在涂有隔热层的PZT上，这样PZT的伸缩导致了FBG栅距Λ的增大或缩小，实现其Bragg波长的改变。
(4)可调光衰减器
系统设计中，输出信号的衰荡时间是吸收强度(反映气体浓度)的单变量函数，但实际系统中存在光纤损耗、插入元件损耗、环境温度、压力变化以及光电噪声引起的损耗。这就需要调节VEDFA的增益和可调光衰减器(VOA)的衰减，使整个系统处于平衡状态。系统采用的是图8所示的可调光衰减器。
设信号光由fiber1输入功率为P0，根据耦合器中两个锥形光纤的耦合特性，可以得到fiber2的输出功率P1为
P1＝P0sin(βz) (12)
式中z为两光纤的重叠长度；β为耦合系数，取决于光纤芯径a和两平行光纤芯径的距离u，可表示为：
式中Δ＝(n1-n0)/n1；A，B，C均为与锥角有关的常数。
从式(13)中可以看出两平行光纤芯径间的距离μ对耦合系数有很大影响，当光纤芯径间距增大时，β按指数规律趋于零。P1/P0按正弦规律变化，当用程控步进电机控制可调耦合腔调节β使P1/P0在(π/2,π)范围内变化时，即可实现VOA的近似线性衰减。
(5)实验系统设计与研究
图9给出的是光纤单环路蛋白质测量实验系统。
1)增益可调掺铒光纤放大器实验
针对图10测量系统，项目将首先对EDFA进行实验，这一工作的仿真虚拟实验已在项目前期工作中完成。图14是输入信号波长为1556.8nm时，EDFA的增益特性曲线，输入功率由调衰减器控制，强度在-30dBm～-5dBm范围内变化。图11给出了增益随光栅布喇格波长间隔的变化曲线，信号输入波长为1556.8nm，强度为-30dBm，在实验范围内，放大器的增益从2.8dB～23dB范围内变化。
后续实验的主要内容是可调掺铒光纤放大器的增益稳定性研究，以及结合SPR传感器特性进行参数选择。
2)可调衰减器实验
这一实验的仿真虚拟实验已在项目前期工作中完成。图12给出实验得到纵向间距h与衰减量的关系曲线，当1.5<h<1.54μm时，衰减量变化较平缓；当h>1.54μm时，衰减量迅速变化，最大值接近了30dB，纵向间距h的变化与可调光衰减器的衰减量近似指数关系。
当调节横向重叠长度L，可以得到衰减量与L的关系曲线，如图13所示。由图可见，当0<L<70μm时，可调光衰减器的衰减量逐渐减小到接近于0dB，两光纤锥之间的耦合作用增强；当70<L<140μm时，可调光衰减器的衰减量又逐渐增大，两光纤锥之间的耦合作用变弱，衰减量最大达到37dB。当使用1530～1560nm波长范围的宽带光源对器件进行波长相关测试时，可得到小于0.2dB的波长微损耗，光纤衰减器具有相当平稳的衰减性，如图14所示。后续实验主要是快速调谐响应及误差控制实验。
(6)伺服控制系统设计与实验
系统的主要工作模式：
1)固定波长测量：工作波长选取SPR传感器3dB吸收波长，光纤环整体损耗调为低损耗状态，使对SPR光强变化的测量灵敏度最高。增益可调掺铒光纤放大器的稳定性控制至关重要。
2)未知浓度样品快速鉴定：初次粗测后，根据内置样品数据库，调谐工作波长至最高灵敏度，同时增益可调掺铒光纤放大器同步调谐至最佳增益。选择算法，使工作过程控制在3～5个测量周期。
3)反应动力学测试：通过对测量数据分析实现工作波长的智能化调节，保持系统工作波长和增益系统的最优选择，实现对反应过程的追踪测量。
4)超快测量模式：系统可以牺牲部分灵敏度加快测量时间，使光纤环整体损耗为较高，环衰荡时间可降低至十几个脉冲循环周期，单次测量时间可降至μs量级。
为实现上述功能，须设计伺服系统，建立对应控制软件和样品特性数据库，并进行系统平台性能测试。
本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
1)结合了纳米粒子增强SPR技术与光纤环路吸收技术进行生物量传感系统设计与制作。
纳米粒子增强SPR传感器是当前SPR领域的研究热点，其高灵敏特性适用于多种生物量传感；采用光纤环路吸收技术解调，进一步提高了系统灵敏度，并且保证了快速响应能力。系统具备超高灵敏度(10-8RIU)和准实时响应能力(ms级)。
2)系统结合了强度型和波长型SPR传感系统的优点。
克服了提高系统灵敏度与动态范围的潜在矛盾，通过伺服控制系统设计，系统可以在快速灵敏测量的基础上适用于大动态范围测量和反应动力学研究。
3)全光纤系统适于远程监测应用。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于表面等离子共振技术的痕量农药残留检测系统，其特征在于，包括：增强型SPR生物传感器、可调激光脉冲发生器、光纤环路解调系统；
所述增强型SPR生物传感器检测所述可调激光脉冲发生器发射不同波长的光源；所述光纤环路解调系统用于解调所述增强型SPR生物传感器。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述增强型SPR生物传感器基于金属纳米粒子增强方案及光栅式输入输出结构制作。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述可调激光脉冲发生器采用由大功率固定波长的激光器Nd:YAG和可调谐二极管激光器TDL在PPLN晶体中差分，调制成宽范围的可调谐激光。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述可调激光脉冲发生器包括增益可调掺铒光纤放大器；所述增益可调掺铒光纤放大器的前后两端各接一个光纤光栅；设置于前端的为第一光纤光栅，设于后端的为第二光纤光栅。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述可调激光脉冲发生器包括还包括可调光衰减器；所述可调光衰减器一端与所述增强型SPR生物传感器连接，另一端与所述增益可调掺铒光纤放大器的第二光纤光栅连接。
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