基于SPR的蔗糖溶液浓度的自动控制系统

陈佳佳,　戴欢欢,　侯铭铭,　彭保进

(浙江师范大学 信息光学研究所,浙江 金华　321004)



基于SPR的蔗糖溶液浓度的自动控制系统

陈佳佳,戴欢欢,侯铭铭,彭保进

(浙江师范大学 信息光学研究所,浙江 金华321004)

针对目前企业中生产蔗糖溶液采用人工或半人工勾兑的现状,设计了一种基于表面等离子体共振(surface plasmon sesonance,SPR)传感技术的蔗糖溶液浓度自动控制系统.采用棱镜耦合的Kretschemann模型及强度调制的方法,将浓度改变转化为光强改变,并且结合光电传感技术将光强改变转换为电信号,计算机实时采集并分析处理.最后,通过并行口控制步进电机实现蔗糖溶液浓度的自动调节.采用溅射镀膜的方法在棱镜表面镀了50 nm左右的金膜作为核心的传感元件.实验结果显示：灵敏度可达0.145 V/(0.001η)(η为折射率).该系统具有低成本、易操作的优点，有推广应用的价值.

表面等离子体共振；自动控制；光电传感;强度调制；蔗糖溶液

0　引　言

蔗糖、氨基酸等是维持生物体正常机能的关键物质,因此,在食品、药品和生命体中,对其浓度的检测具有重要意义.目前对该类物质溶液的定量检测主要通过化学法、气相色谱法[1-4]、射频检测技术[5-6]、射线检测技术[7]、折光技术等,这些方法都能较准确地测定溶液中糖的含量,但也都有它们各自的缺点,例如质谱仪和光谱仪都非常昂贵,而且测定时间较长,因此,不能在生产过程中得到广泛的应用.射线仪的精度受管道积垢、安装位置、介质流动的影响会产生误差,射频仪在低浓度段的测量误差较大[8].光电折光仪是测量溶液浓度最好的技术,但由于受早期电子技术和光电转换器件的制约,只有光影直读式折光仪的应用是成功的[9].

基于表面等离子体共振的传感器因其具有免标记、实时监测[10]、所需样品量少、高灵敏度和高选择性等优点而被广泛应用[11-15].SPR(surface plasmon resonance)的基本原理就是在金属与非导电介质分界面处,传导电子在特定频率入射光的激发下会发生共振,并且随外界环境折射率的变化非常敏感.以SPR为传感原理的传感技术,已经被应用到食品检测、湿度检测和生物分析等各个领域中[16-20].本文设计了一个基于SPR蔗糖溶液浓度的自动控制系统,利用不同浓度的溶液折射率不同,对光线进入SPR传感器后的影响大小也有差别,使输出的光强发生改变,从而可以判定蔗糖的浓度,再结合光电技术和计算机技术实现对蔗糖溶液配置的自动控制.

1　棱镜耦合的SPR传感器原理

SPR是存在于电介质与金属薄膜的交界面上的一种电子疏密波,它是测量薄膜和电介质交界面处物理量的有效方法[21-24].SPR效应对附着在贵金属膜表面上的电介质的折射率变化非常敏感,而折射率是所有材料的固有特征,使得基于SPR效应的传感器能够检测与折射率有关的其他多种物理量,例如水浓度、脂肪含量、酒精含量及部分危害物的含量等.另外,较阿贝折射仪等其他折射率的测量仪器,利用SPR效应可以测量不透明物质的折射率.

通过衰减全反射(ATR)棱镜耦合、光纤耦合、光波导或衍射光栅耦合都可以实现激励光与表面等离子体波的能量耦合,从而产生SPR效应.其中ATR棱镜耦合是目前普遍采用的几何结构,2种主要的ATR结构模型即Otto模型[25]和Kretschemann模型[26]先后被提出,Otto模型中的空气间隙被Kretschemann模型中的金属薄膜所代替.倏逝波在棱镜与金属分界面上产生,它穿透金属薄膜,在金属与电介质分界面上激发表面等离子波.Kretschemann模型最明显的优点是传感器的感应面(表面等离子体波出现的分界面)从Otto模型的空隙转移到现在的金属表面,使传感器的实现成为可能.

在实验中,笔者采用的是基于Kretschemann模型的棱镜耦合SPR.由于S偏振光的电场与界面平行,因此,电子的运动没有障碍,不会激励起表面等离子体波,而P偏振光的电场垂直于界面,可感生出表面电荷,从而形成局限于表面的表面等离子体波.因此,产生表面等离子体共振的必要条件之一是入射光要经过偏振器起偏,从而在光路中有效利用P偏振光.

图1　SPR原理示意图

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

通过以上分析可知,介质层的介电常数与反射系数之间有确定的关系,因此，可以利用强度调制的方法,根据反射光强的变化来测定被测介质的介电常数和折射率,进一步计算获得我们需要的物理量.

2　实验系统设计

实验中采用半导体激光器,因为它具有体积小、便于携带的优点.根据上文分析可知,只有P偏振光能够与表面等离子波发生共振,所以光通过一个偏振片滤去S偏振光,使得接收到的电信号相对变化更大.核心元件为镀了50 nm左右贵金属薄膜的棱镜,实验中采用的是溅射镀膜,在6～8 Pa的真空下,用6～8 mA的电流在三棱镜直角边底面镀上50 nm左右的金膜,系统结构示意图如图2所示.由LD发出的激光经过偏振片后入射到棱镜的传感面,出射光经过透镜聚焦在光电二极管上将光信号转换为电信号,并经过放大电路放大后通过采集卡被计算机采集.计算机对信号进行处理后给步进电机发出相应的指令来调节加水阀门,从而控制蔗糖溶液的浓度.

图2　控制系统结构示意图

2.1放大电路的设计

放大电路部分,采用了较为成熟的基于芯片OPA4277的测量电路.图3所示为放大电路原理图.其中PHOTO用来实现光电转换,OPA4277中5脚的电压为光电流与R2的乘积.A2和A3为电压跟随器,具有高输入阻抗和低输出阻抗,能使下一级放大电路更好地工作.MAX4194为三运放,用来放大1脚和4脚的电压差.R1是用来调节静态时电压为0 V的电阻.从MAX4194的6脚输出的电压再经过A4这个同相比例运放的放大后输出.采集卡等设备均是现成的产品,价格低廉且容易获得.本电路主要的优势在于以下几点：1)采用了光电信号转换专用的OPA4277芯片,抗干扰能力强,信号稳定；2)中间级的差分式放大电路实现了信号的再放大并消除光功率抖动的影响；3)通过几个关键电位器的设置,增加了“信号幅度调节”“放大幅度调节”“参考电平调节”等调节控制旋钮,使得调试更为方便.

图3放大电路原理图

2.2计算机控制

为了降低成本,利用计算机现成的并行口的数据端口(378H：一般该端口在计算机中占用的地址)的其中4个引脚可以控制步进电机,能免去常规的单片机控制的电路.由于并行口驱动能力较弱,所以笔者采用了如图4所示的集成片ULN2003来提高驱动能力以带动步进电机的工作,如图4所示的控制方法是使用8拍方式控制,利用VB中的 “Microsoft Common Dialog Control”控件,可进行相关的输出控制和输入检测.VB控制界面如图5所示,该程序可以根据实际需要配置不同浓度的溶液及设置一定的浮动区间,并实时显示当前的溶液溶度.

图4电机控制电路

图5　VB控制界面示意图

3　实验结果

根据图2,笔者搭建了如图6所示的实验系统,并进行实验.

(1)激光器；(2)偏振片；(3)SPR传感器；(4)样品槽；(5)透镜；(6)硅光电池；(7)放大电路；(8)采集卡；(9)计算机；(10)并行口

图6实验系统实物图

用固态粉末状蔗糖与蒸馏水进行混合,配制系列浓度的蔗糖溶液作为待测样品.首先配制质量分数为5.000%的母液,然后用蒸馏水稀释配制不同质量分数的蔗糖溶液(数据表中第1列),并且通过查找资料知道蔗糖溶液折射率和浓度的经验公式为η=1.328+0.001 84c[28], 获得实验数据如表1所示.

表1　实验数据表

对表1进行数据分析得结果如图7所示.

图7　电压与折射率的关系

由图7可知, 在合适的范围内,本传感器的灵敏度可达0.145 V/(0.001η),基于这样的灵敏度和简单的结构,可以将我们的系统应用到工业生产过程中实现蔗糖溶液浓度的自动监控.

4　结　论

本系统创新性地精确测量了液体的折射率,结构简单,成本低廉,可以实现蔗糖溶液的实时监控,对于相关企业有推广应用的价值.由于本系统可以较精确地测量液体折射率,故还可以用于当前热门的海洋环境监测中,例如赤潮预警、水质监测等等.另外,通过在SPR传感层增加一些敏感物质,还可以实现土壤监测等更广泛的应用.本文初步提供了一种检测方法,灵敏度有待提高.利用SPR可以测量不透明液体的折射率这一优势,还可以将SPR传感器拓展到更多领域,凭借SPR超高的灵敏度可以满足不同的需求.

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(责任编辑杜利民)

An automatic control system of sucrose concentration based on SPR

CHEN Jiajia,DAI Huanhuan,HOU Mingming,PENG Baojin

(InstituteofInformationOptics,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua321004,China)

At present the sucrose solution was usually produced by artificial or semi-artificial blending methods. An automatic control system of monitoring sucrose concentration was developed based on the surface plasma resonance (SPR). This system was carried out with the intensity-interrogated SPR sensor using the Kretschemann configuration, making the concentration change into light intensity change. Combined with photoelectric sensing technology, converted the light signal into electrical signal, which were collected and analyzed by computer in real time. Finally, through the parallel port in computer control stepper motor to adjust the concentration of sucrose solution automatically. The core part of this system was sensitive element which was prepared by sputtering a glass surface with a 50 nm thick Au film.The experimental results showed that the sensitivity reached 0.145 V/(0.001η). The system had the advantages of low cost, easy operation, easy to carry.

surface plasmon resonance; automation monitoring; optoelectronics; intensity modulation； sucrose solution

10.16218/j.issn.1001-5051.2016.03.008

收文日期：2016-03-04；2016-03-23

国家自然科学基金资助项目(11274278)；浙江省自然科学基金资助项目(Y15F050012;Y15F050011;Y14D050005)

陈佳佳(1992-), 女, 浙江台州人,硕士研究生.研究方向:表面等离子体传感.

0439

A

1001-5051(2016)03-0283-05