一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤SPR检测仪及其检测方法

一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪及其检测方法
技术领域
1.涉及光纤传感技术领域，具体涉及应用于生物检测的光纤spr检测仪和检测方法。


背景技术：

2.光纤传感技术已经普及到我们生活的方方面面。光纤传感技术体积小、重量轻、快速响应、耐高温、灵敏度高、耐腐蚀且生物相容性高等优点，常被应用于物理、化学、工业监测、生命检测等各个领域。spr检测技术是一种新型的光学检测技术，表面等离子体共振，即surface plasmon resonance；spr技术在生物技术、医疗保健、生命科学技术研究、食品安全和生态环境监测等多个领域具有广泛的应用，spr现象它是一种物理光学现象，光照射在金属(通常是金或银)和全反射介质的界面上，产生一种倏逝波，倏逝波会向下传播一段距离并且会激发金属薄膜内的自由电子产生表面等离子体波，二者波矢匹配就会激发spr现象。利用这一特性而制成的spr传感器，因其灵敏度高、检测准确性强，常被应用在生物传感领域，同时也是用于检测外界环境折射率的一个非常好的方法。
3.spr传感技术具有高分辨率、高灵敏度、成本低廉等优点，被广泛用于生物、化学、生命科学等领域，但现有传统的spr检测仪器大都基于棱镜式spr传感器所设计，基于光纤spr传感器所设计的仪器却寥寥无几，并且伴随着商业化，spr检测仪器体积庞大、价格昂贵仅仅局限于实验室所使用并不能应用于实际的现场检测；同时通过多通道实现检测的仪器也相对较少，有时无法满足检验的准确性和可靠性，从而给spr传感技术的应用发展带来了一些障碍。因此，提供一种用于现场检测的小型化多通道波长调制的spr检测仪是非常必要的。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的基于光纤spr传感器所设计的仪器寥寥无几、spr检测仪器体积庞大、价格昂贵仅仅局限于实验室所使用并不能应用于实际的现场检测；同时通过多通道实现检测的仪器也相对较少，无法满足检验的准确性和可靠性的问题，本发明提供了一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪，其基于光纤spr设计，仪器小巧并且能够实现多通道检测，具体的：
5.一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪，所述的检测仪包括：光源、光开关、四个光纤耦合器、四个1
×
2y型光纤跳线、四个光纤spr传感器、1
×
4y型光纤跳线、光谱仪、微处理器、风扇、供电模块和信号传输模块；所述的光源输出的光信号通过所述的光开关同时发送给四个光纤耦合器，所述的四个光纤耦合器输出的光信号分别通过四个1
×
2y型光纤跳线、1
×
4y型光纤跳线输入至光谱仪的光信号采集端，所述的四个光纤spr传感器远离反射端的一端分别嵌入所述的四个1
×
2y型光纤跳线的一个端口内，所述的光谱仪与所述的微处理器之间通过串行通信线连接，所述的信号传输模块与所述的微处理器通过串行通信线连接，所述的风扇的控制信号输入端连接所述的微处理器的风扇控制信号
输出端，所述的供电模块用于给所述的光源、光开关、微处理器和信号传输模块提供工作电源。
6.优选的，所述的光纤耦合器为sma905光纤耦合器。
7.优选的，所述的信号传输模块采用wifi模块实现。
8.进一步，所述的检测仪还包括：壳体；所述的壳体的侧壁上设置有四个传感器固定孔；所述的光源、光开关、四个光纤耦合器、四个1
×
2y型光纤跳线、四个光纤spr传感器、1
×
4y型光纤跳线、光谱仪、微处理器、供电模块和信号传输模块均设置在所述的壳体内部，所述的传感器固定孔为设置在所述的壳体侧壁上的通孔，所述的四个光纤spr传感器穿过所述的四个传感器固定孔，从所述的壳体内探出并固定。
9.优选的，所述的壳体包括：底层隔板和中层隔板；所述的底层隔板和中层隔板与所述的壳体的底面平行、将所述的壳体的内部空间分为上层、中层和下层三个区域，所述的光源、光开关和风扇设置在所述的下层区域，所述的光谱仪和供电模块设置在所述的中层区域，所述的微处理器和信号传输模块设置在所述的上层区域。
10.优选的，所述的检测仪包括两个风扇，另一个风扇设置在所述的上层区域。
11.优选的，所述的四个传感器固定孔设置在所述的壳体的下层区域的侧壁上。
12.基于同一发明构思，本发明还提供了一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测方法，所述的方法是基于所述的一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪实现的，具体的：
13.所述的方法包括：
14.参数设置步骤，对所述的检测仪的参数进行设定；
15.光谱采集步骤，通过所述的四个光纤spr传感器采集四组背景光和暗光谱的数据，并通过所述的光谱仪传送至所述的微处理器；
16.缓冲区数据写入步骤，将所述的微处理器的处理结果发送至缓冲区；
17.发送判断步骤，由终端通过所述的信号传输模块发送的外部信号选择是否发送，如选择发送，则通过所述的信号传输模块将所述的缓冲区的数据作为实时光谱；如选择不发送，则进入停止判断步骤；
18.停止判断步骤，由终端通过所述的信号传输模块发送的外部信号选择是否停止，如选择停止，则方法终止；如选择不停止，则返回发送判断步骤。
19.优选的，所述的参数设置步骤具体为：对波特率、停止位和奇偶校验位的参数进行设定。
20.优选的，所述的参数设置步骤为：还包括：对所述的光谱仪的参数进行设定。
21.本发明的有益之处在于：
22.采用体积小、成本低廉、抗电磁干扰等优点的光纤spr传感器，并且通过将仪器内各模块整合在壳体内分层设置，将光源和光谱仪等精密器件分开在不同区域，避免了器件之间互相增加波动、对实验数据产生影响的问题，同时分开设置并分别配有风扇，保证了仪器的散热问题；通过以上方式整合在壳体内，使仪器变得小巧并且成本更低。
23.利用光开关进行多通道测量，可以对待测样品进行多样多检和一样同检，增加了检测系统的多样性和准确性。
24.采用终端反射式的光纤spr传感器的设计更加增加仪器的小型化、便携性，利用光
纤检测可以做到无污染、高灵敏度的检测，更适合应用于生物检测的小分子领域。
25.系统集成方式灵活，各个模块井然有序可以同时与硬件系统协同工作。
26.供电方式灵活、功耗很低、并且可拆卸，具有智能化、自动化的工作方式。
27.适合应用在生物传感领域。
附图说明
28.图1为实施方式一提供的一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪的原理示意图；
29.图2为实施方式四提供的一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪的壳体内部布局结构示意图；
30.图3、图4为实施方式四提供的一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪的立体结构示意图；
31.图5为实施方式八提供的一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测方法的流程图；
32.图6为实施方式八提供的小型化多通道光纤spr检测系统构成示意图；
33.图7为实施方式一提供的光纤spr传感器的主体示意图；
34.其中，1表示光源；2表示光开关；3表示sma905光纤耦合器；4表示1
×
2y型光纤跳线；5表示光纤spr传感器；6表示1
×
4y型光纤跳线；7表示光谱仪；8表示开关；9表示微处理器；10表示触控屏；11表示风扇；12表示信号传输模块；13表示供电模块；14表示壳体；15表示底层隔板；16表示中层隔板；17表示传感器固定孔；19表示充电孔；201表示散热孔；501表示传感区域；502表示反射区域。
具体实施方式
35.为使本发明提供的技术方案的优点和有益之处表述得更具体，现结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，具体的：
36.实施方式一、结合图1和7说明本实施方式，本实施方式提供了一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪，所述的检测仪包括：光源1、光开关2、四个光纤耦合器3、四个1
×
2y型光纤跳线4、四个光纤spr传感器5、1
×
4y型光纤跳线6、光谱仪7、微处理器9、风扇11、供电模块13和信号传输模块12；所述的光源1输出的光信号通过所述的光开关2同时发送给四个光纤耦合器3，所述的四个光纤耦合器3输出的光信号分别通过四个1
×
2y型光纤跳线4、1
×
4y型光纤跳线6输入至光谱仪7的光信号采集端，所述的四个光纤spr传感器5远离反射端的一端分别嵌入所述的四个1
×
2y型光纤跳线4的一个端口内，所述的光谱仪7与所述的微处理器9之间通过串行通信线连接，所述的信号传输模块12与所述的微处理器9通过串行通信线连接，所述的风扇11的控制信号输入端连接所述的微处理器9的风扇控制信号输出端，所述的供电模块13用于给所述的光源1、光开关2、微处理器9和信号传输模块12提供工作电源。
37.具体的，光纤spr传感器5为终端反射式的光纤spr传感器5，其制备方法在于：
38.步骤一：选取多模石英光纤90mm，将所述光纤终端和中间区域在显微镜下去除包层涂覆层，放入乙醇中再放入超声清洗机清洗15分钟，使用磁控溅射镀膜仪在这两端镀上
50nm金膜，蒸镀时间2min30s，电流20ma作为激发spr效应区域。
39.步骤二：制备1mmol/l的巯基十一烷酸，即(hs(ch2)
！！
cooh)，其中该元素中的巯基端可以与spr传感器上的金原子进行连接，另一端的羧基，可以与蛋白相结合。将光纤spr传感器5放入其中浸泡12小时，可以让足够多的巯基十一烷酸附着到金膜上。
40.步骤三：将所述步骤二处理过的spr传感器放入由0.5mol/l的edc(1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐)和0.6mol/l的nhs(n-羟基琥珀酰亚胺)的混合液中浸泡40min，目的是活化spr传感器表面的羧基团。
41.步骤四：取出所述步骤三中的spr传感器用去离子水冲洗3分钟后氮气吹干，放入配有0.08mg/ml的核糖核酸酶b(ribonucleaseb,rnaseb)溶液中浸泡40分钟，目的是为了让金膜表面生长抗体用于和抗原的结合。
42.步骤五：取出所述步骤四中的spr传感器冲洗吹干，放入配有0.5mg/ml的牛血清蛋白溶液(bsa)中进行封装，是为了将未能连接基团的羧基进行封闭，目的是防止检测时造成的误差对实验结果造成影响。bsa封闭20分钟，至此，光纤spr生物传感器制作完毕。
43.在终端反射式结构中，通过在反射面镀上金属薄膜可以更好的将传感器放入待测介质中探测，在一定程度上增加了便携性。
44.所述的光谱仪7检测范围为200-1100nm。
45.所述的光源1为卤素光源1，波长范围为360-2500nm。
46.所述的光开关2为机械光开关2。
47.spr传感器上有传感区域501和反射区域502，传感区501域负责检测，反射区域502负责把信号返回，经过1
×
4y型光纤跳线传输给光谱仪。
48.实施方式二、本实施方式是对实施方式一提供的一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪的进一步限定，所述的光纤耦合器3为sma905光纤耦合器3。
49.实施方式三、本实施方式是对实施方式一提供的一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪的进一步限定，所述的信号传输模块12采用wifi模块实现。
50.实施方式四、结合图2-4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪的进一步限定，所述的检测仪还包括：壳体14；所述的壳体14的侧壁上设置有四个传感器固定孔17；所述的光源1、光开关2、四个光纤耦合器3、四个1
×
2y型光纤跳线4、四个光纤spr传感器5、1
×
4y型光纤跳线6、光谱仪7、微处理器9、供电模块13和信号传输模块12均设置在所述的壳体14内部，所述的传感器固定孔17为设置在所述的壳体14侧壁上的通孔，所述的四个光纤spr传感器5穿过所述的四个传感器固定孔17，从所述的壳体14内探出并固定。
51.壳体14的顶部还设置有触控屏10，所述的触控屏10连接所述的微处理器9，用于实现操作人员和微处理的信息交互。
52.壳体14的侧壁上还设置有散热孔201，散热孔201有两种，一种是圆形通孔，设置在检测仪的后侧壁上，一种是长条形通孔，设置在检测仪的左侧壁上。
53.通过将仪器内各模块整合在壳体14内，使仪器变得小巧并且成本更低。
54.并且设置了壳体14，可以减少光纤干扰、电磁干扰，使得检测仪具有体积小、重量轻、无污染、便携性好、集成度高和实用性强可以用于野外的实时检测。
55.壳体14采用可拆卸式设计，便于对检测仪的保养、清洁、维护和维修。
56.实施方式五、结合图2-4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四提供的一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪的进一步限定，所述的壳体包括：底层隔板和中层隔板；所述的底层隔板和中层隔板与所述的壳体的底面平行、将所述的壳体的内部空间分为上层、中层和下层三个区域，所述的光源、光开关和风扇设置在所述的下层区域，所述的光谱仪和供电模块设置在所述的中层区域，所述的微处理器和信号传输模块设置在所述的上层区域。
57.实施方式六、结合图2-4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五提供的一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪的进一步限定，所述的检测仪包括两个风扇，另一个风扇设置在所述的上层区域。
58.将光源1和光谱仪7等精密器件分开在不同区域，避免了器件之间互相增加波动、对实验数据产生影响的问题，同时分开设置并分别配有风扇11，保证了仪器的散热问题。
59.供电模块13采用电池实现；
60.在检测仪的后侧壁上还设置有充电孔19，用于连接充电线，为供电池充电；
61.在检测仪的后侧壁上还设置有总开关8，用于控制电池的通断。
62.实施方式七、结合图2-4说明本实施方式，本实施方式是对实施方式四提供的一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪的进一步限定，所述的四个传感器固定孔17设置在所述的壳体14的下层区域的侧壁上。
63.实施方式八、结合图5-6说明本实施方式，本实施方式提供了一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测方法，所述的方法是基于实施方式一提供的一种基于光开关的小型化多通道终端反射式光纤spr检测仪实现的，具体的：
64.所述的方法包括：
65.参数设置步骤，对所述的检测仪的参数进行设定；
66.光谱采集步骤，通过所述的四个光纤spr传感器5采集四组背景光和暗光谱的数据，并通过所述的光谱仪7传送至所述的微处理器9；
67.缓冲区数据写入步骤，将所述的微处理器9的处理结果发送至缓冲区；
68.发送判断步骤，由终端通过所述的信号传输模块12发送的外部信号选择是否发送，如选择发送，则通过所述的信号传输模块12将所述的缓冲区的数据作为实时光谱；如选择不发送，则进入停止判断步骤；
69.停止判断步骤，由终端通过所述的信号传输模块12发送的外部信号选择是否停止，如选择停止，则方法终止；如选择不停止，则返回发送判断步骤。
70.多通道检测软件使用labview软件编写，内部具有控制光谱仪7、光开关2等驱动程序，还具有采集光谱，图像处理，存储显示等功能。
71.多通道软件集成部分由数据传输系统、数据处理系统、实时观测系统和集成显示系统四个部分组成；其中，在数据传输系统中主要包括visa串口通信协议传输、实时显示检验和用户提示，在数据处理系统中，要进行光谱仪7设置运算、数据存储、仪器开关、数据拟合计算等；在实时观测系统中，需要对检测过程中参数进行切换、命定发送和接收还要关注前面板实时情况；在集成显示系统中，要对光开关2设置并显示，对多通道、单通道还有对检测光谱进行实时显示。
72.实施方式九、本实施方式是对实施方式八提供的小型化多通道光纤spr检测装置
的进一步限定，所述的参数设置步骤具体为：对波特率、停止位和奇偶校验位的参数进行设定。
73.实施方式十、本实施方式是对实施方式九提供的小型化多通道光纤spr检测装置的进一步限定，所述的参数设置步骤为：还包括：对所述的光谱仪的参数进行设定。
74.以上结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步详细地描述，是为了突出优点和有益之处，并不用于作为对本发明的限制，任何基于本发明的精神原则范围内的，对本发明的修改、实施方式的组合、改进和等同替换等，均应当包含在本发明的保护范围之内。