基于SPR的蔗糖溶液濃度的自動控制系統

陳佳佳,　戴歡歡,　侯銘銘,　彭保進

(浙江師范大學 信息光學研究所,浙江 金華　321004)

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基于SPR的蔗糖溶液濃度的自動控制系統

陳佳佳,戴歡歡,侯銘銘,彭保進

(浙江師范大學 信息光學研究所,浙江 金華321004)

針對目前企業中生產蔗糖溶液采用人工或半人工勾兌的現狀,設計了一種基于表面等離子體共振(surface plasmon sesonance,SPR)傳感技術的蔗糖溶液濃度自動控制系統.采用棱鏡耦合的Kretschemann模型及強度調制的方法,將濃度改變轉化為光強改變,并且結合光電傳感技術將光強改變轉換為電信號,計算機實時采集并分析處理.最后,通過并行口控制步進電機實現蔗糖溶液濃度的自動調節.采用濺射鍍膜的方法在棱鏡表面鍍了50 nm左右的金膜作為核心的傳感元件.實驗結果顯示：靈敏度可達0.145 V/(0.001η)(η為折射率).該系統具有低成本、易操作的優點，有推廣應用的價值.

表面等離子體共振；自動控制；光電傳感;強度調制；蔗糖溶液

0　引　言

蔗糖、氨基酸等是維持生物體正常機能的關鍵物質,因此,在食品、藥品和生命體中,對其濃度的檢測具有重要意義.目前對該類物質溶液的定量檢測主要通過化學法、氣相色譜法[1-4]、射頻檢測技術[5-6]、射線檢測技術[7]、折光技術等,這些方法都能較準確地測定溶液中糖的含量,但也都有它們各自的缺點,例如質譜儀和光譜儀都非常昂貴,而且測定時間較長,因此,不能在生產過程中得到廣泛的應用.射線儀的精度受管道積垢、安裝位置、介質流動的影響會產生誤差,射頻儀在低濃度段的測量誤差較大[8].光電折光儀是測量溶液濃度最好的技術,但由于受早期電子技術和光電轉換器件的制約,只有光影直讀式折光儀的應用是成功的[9].

基于表面等離子體共振的傳感器因其具有免標記、實時監測[10]、所需樣品量少、高靈敏度和高選擇性等優點而被廣泛應用[11-15].SPR(surface plasmon resonance)的基本原理就是在金屬與非導電介質分界面處,傳導電子在特定頻率入射光的激發下會發生共振,并且隨外界環境折射率的變化非常敏感.以SPR為傳感原理的傳感技術,已經被應用到食品檢測、濕度檢測和生物分析等各個領域中[16-20].本文設計了一個基于SPR蔗糖溶液濃度的自動控制系統,利用不同濃度的溶液折射率不同,對光線進入SPR傳感器后的影響大小也有差別,使輸出的光強發生改變,從而可以判定蔗糖的濃度,再結合光電技術和計算機技術實現對蔗糖溶液配置的自動控制.

1　棱鏡耦合的SPR傳感器原理

SPR是存在于電介質與金屬薄膜的交界面上的一種電子疏密波,它是測量薄膜和電介質交界面處物理量的有效方法[21-24].SPR效應對附著在貴金屬膜表面上的電介質的折射率變化非常敏感,而折射率是所有材料的固有特征,使得基于SPR效應的傳感器能夠檢測與折射率有關的其他多種物理量,例如水濃度、脂肪含量、酒精含量及部分危害物的含量等.另外,較阿貝折射儀等其他折射率的測量儀器,利用SPR效應可以測量不透明物質的折射率.

通過衰減全反射(ATR)棱鏡耦合、光纖耦合、光波導或衍射光柵耦合都可以實現激勵光與表面等離子體波的能量耦合,從而產生SPR效應.其中ATR棱鏡耦合是目前普遍采用的幾何結構,2種主要的ATR結構模型即Otto模型[25]和Kretschemann模型[26]先后被提出,Otto模型中的空氣間隙被Kretschemann模型中的金屬薄膜所代替.倏逝波在棱鏡與金屬分界面上產生,它穿透金屬薄膜,在金屬與電介質分界面上激發表面等離子波.Kretschemann模型最明顯的優點是傳感器的感應面(表面等離子體波出現的分界面)從Otto模型的空隙轉移到現在的金屬表面,使傳感器的實現成為可能.

在實驗中,筆者采用的是基于Kretschemann模型的棱鏡耦合SPR.由于S偏振光的電場與界面平行,因此,電子的運動沒有障礙,不會激勵起表面等離子體波,而P偏振光的電場垂直于界面,可感生出表面電荷,從而形成局限于表面的表面等離子體波.因此,產生表面等離子體共振的必要條件之一是入射光要經過偏振器起偏,從而在光路中有效利用P偏振光.

圖1　SPR原理示意圖

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

通過以上分析可知,介質層的介電常數與反射系數之間有確定的關系,因此，可以利用強度調制的方法,根據反射光強的變化來測定被測介質的介電常數和折射率,進一步計算獲得我們需要的物理量.

2　實驗系統設計

實驗中采用半導體激光器,因為它具有體積小、便于攜帶的優點.根據上文分析可知,只有P偏振光能夠與表面等離子波發生共振,所以光通過一個偏振片濾去S偏振光,使得接收到的電信號相對變化更大.核心元件為鍍了50 nm左右貴金屬薄膜的棱鏡,實驗中采用的是濺射鍍膜,在6～8 Pa的真空下,用6～8 mA的電流在三棱鏡直角邊底面鍍上50 nm左右的金膜,系統結構示意圖如圖2所示.由LD發出的激光經過偏振片后入射到棱鏡的傳感面,出射光經過透鏡聚焦在光電二極管上將光信號轉換為電信號,并經過放大電路放大后通過采集卡被計算機采集.計算機對信號進行處理后給步進電機發出相應的指令來調節加水閥門,從而控制蔗糖溶液的濃度.

圖2　控制系統結構示意圖

2.1放大電路的設計

放大電路部分,采用了較為成熟的基于芯片OPA4277的測量電路.圖3所示為放大電路原理圖.其中PHOTO用來實現光電轉換,OPA4277中5腳的電壓為光電流與R2的乘積.A2和A3為電壓跟隨器,具有高輸入阻抗和低輸出阻抗,能使下一級放大電路更好地工作.MAX4194為三運放,用來放大1腳和4腳的電壓差.R1是用來調節靜態時電壓為0 V的電阻.從MAX4194的6腳輸出的電壓再經過A4這個同相比例運放的放大后輸出.采集卡等設備均是現成的產品,價格低廉且容易獲得.本電路主要的優勢在于以下幾點：1)采用了光電信號轉換專用的OPA4277芯片,抗干擾能力強,信號穩定；2)中間級的差分式放大電路實現了信號的再放大并消除光功率抖動的影響；3)通過幾個關鍵電位器的設置,增加了“信號幅度調節”“放大幅度調節”“參考電平調節”等調節控制旋鈕,使得調試更為方便.

圖3放大電路原理圖

2.2計算機控制

為了降低成本,利用計算機現成的并行口的數據端口(378H：一般該端口在計算機中占用的地址)的其中4個引腳可以控制步進電機,能免去常規的單片機控制的電路.由于并行口驅動能力較弱,所以筆者采用了如圖4所示的集成片ULN2003來提高驅動能力以帶動步進電機的工作,如圖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,可進行相關的輸出控制和輸入檢測.VB控制界面如圖5所示,該程序可以根據實際需要配置不同濃度的溶液及設置一定的浮動區間,并實時顯示當前的溶液溶度.

圖4電機控制電路

圖5　VB控制界面示意圖

3　實驗結果

根據圖2,筆者搭建了如圖6所示的實驗系統,并進行實驗.

(1)激光器；(2)偏振片；(3)SPR傳感器；(4)樣品槽；(5)透鏡；(6)硅光電池；(7)放大電路；(8)采集卡；(9)計算機；(10)并行口

圖6實驗系統實物圖

用固態粉末狀蔗糖與蒸餾水進行混合,配制系列濃度的蔗糖溶液作為待測樣品.首先配制質量分數為5.000%的母液,然后用蒸餾水稀釋配制不同質量分數的蔗糖溶液(數據表中第1列),并且通過查找資料知道蔗糖溶液折射率和濃度的經驗公式為η=1.328+0.001 84c[28], 獲得實驗數據如表1所示.

表1　實驗數據表

對表1進行數據分析得結果如圖7所示.

圖7　電壓與折射率的關系

由圖7可知, 在合適的范圍內,本傳感器的靈敏度可達0.145 V/(0.001η),基于這樣的靈敏度和簡單的結構,可以將我們的系統應用到工業生產過程中實現蔗糖溶液濃度的自動監控.

4　結　論

本系統創新性地精確測量了液體的折射率,結構簡單,成本低廉,可以實現蔗糖溶液的實時監控,對于相關企業有推廣應用的價值.由于本系統可以較精確地測量液體折射率,故還可以用于當前熱門的海洋環境監測中,例如赤潮預警、水質監測等等.另外,通過在SPR傳感層增加一些敏感物質,還可以實現土壤監測等更廣泛的應用.本文初步提供了一種檢測方法,靈敏度有待提高.利用SPR可以測量不透明液體的折射率這一優勢,還可以將SPR傳感器拓展到更多領域,憑借SPR超高的靈敏度可以滿足不同的需求.

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(責任編輯杜利民)

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

國家自然科學基金資助項目(11274278)；浙江省自然科學基金資助項目(Y15F050012;Y15F050011;Y14D050005)

陳佳佳(1992-), 女, 浙江臺州人,碩士研究生.研究方向:表面等離子體傳感.

0439

A

1001-5051(2016)03-0283-05