基于辐射度的光谱校正与自适应拟合相结合的SPR共振波长确定方法

表面等离子体共振(SPR)传感技术因其灵敏度高、无需标记、可原位实时监测的特点,被广泛应用在生物医学、化学检测、食品安全、环境监测等领域。对于波长调制型SPR传感器,由于光谱测量系统各部件对不同波长响应度不同,从而对光谱共振波长的实际位置产生干扰,影响到实验检测结果。为消除这种影响,提出了一种基于辐射度空间的SPR相对反射率校正方法,并使用阶数自适应拟合算法对共振波长进行精确测定。通过标定光谱测量系统的仪器响应曲线,将光谱仪得到的原始光谱转换成辐射光谱,进而计算出不依赖于光谱仪系统中任何部件的SPR相对反射率。相比于传统的反射率校正方式(以共振光谱除以非共振光谱的结果作为反射率光谱),此方法校正后的光谱在光谱形状上具备半峰宽更窄和共振峰更对称的优势,从而为精确确定共振波长提供了可靠的保障。随后基于拟合误差最小化的目标,对共振区域采用阶数自适应多项式拟合算法确定共振波长。实验测量了不同入射角度下的SPR共振光谱,使用此方法校正得到反射率光谱的半峰全宽保持在(100±10) nm,表明此方法的光谱峰形优势具备普适性;连续采集了4 000组光谱并计算共振波长,其相对标准偏差为0.007 8%,处理速度为每个光谱12 ms,表明此方法具备良好的抗噪声波动鲁棒性和光谱数据处理的实时性;测量了不同浓度下NaCl溶液的SPR共振光谱,其共振波长与溶液折射率线性相关系数为0.998 5,品质因数为传统校正方式的3倍,表明此方法具备良好的可靠性,并且从光谱的处理算法层面提高了传感性能,相比于从工艺制备上提高品质因数的传统方式,处理简便,效果更突出。结果表明,基于辐射度空间的相对反射率矫正与阶数自适应拟合相结合的SPR共振波长检测方法具备可靠性好、运算速度快、分辨率高、抗噪声、品质因数高等特点,能够有效提高SPR传感器的数据处理与传感性能。     

梯度薄膜增敏的光波导表面散射传感方法用于生物气溶胶探测

生物气溶胶监测对于疾病防控、防化反恐、环境保护与资源调查等至关重要。本研究提出了一种基于高折射率梯度薄膜增敏的平板玻璃光波导表面散射传感方法,通过探测光波导散射光强度随时间的变化,分析生物气溶胶在光波导表面的颗粒沉降过程,进而获取生物气溶胶的浓度等信息。本研究通过理论推导得出光波导散射光强度与沉降粒子数之间的函数关系式,选用牛血清蛋白(BSA)水溶液作为生物气溶胶原液,采用五氧化二钽(Ta₂O₅)梯度薄膜增敏的离子交换平板玻璃单模光波导测试了BSA分子团聚体沉降引起的表面散射光变化,通过比对测试分析了Ta₂O₅梯度薄膜的增敏效果。实验结果表明,散射光强度随BSA分子团聚体沉降量的增加而增大,与BSA原液浓度呈良好线性关系,当单模玻璃光波导表面覆盖Ta₂O₅梯度薄膜后,其在横电基模(TE0)下对BSA分子团聚体沉降的探测灵敏度提高了50倍,并且采用TE0模测得的探测灵敏度比横磁基模(TM0)高4倍。本研究制备的Ta₂O₅