一种基于腔增强表面等离子体共振的荧光检测传感装置
技术领域
本发明属于水质检测
技术领域
，具体涉及一种基于腔增强表面等离子体共振的荧光检测传感装置。背景技术
水是生命之源，人类的生存和生活离不开水，但是水质污染问题在全球各个国家频发，这不仅给国家带来了巨大的经济损失，更不断地影响着人们的生活和身体健康。在水质污染方面，江河湖泊的富营养化问题日趋严重，富营养化会直接导致蓝藻水华的产生，这会对周边居民的正常生活造成极其严重的影响。所以对水中蓝藻和叶绿素含量进行连续监测是极其必要的。
目前对蓝藻和叶绿素的检测多是通过蓝藻和叶绿素在特定波长下的荧光强度来判断其浓度的，荧光强度和蓝藻与叶绿素的浓度成正比例关系。对比文件1(CN 102128799A)公开了一种水质检测传感器，该水质检测传感器可以在检测蓝藻浓度的同时检测水中的有色可溶性有机物浓度，以达到对湖水富营养化的检测和对蓝藻爆发的预警。但是其精度较低，无法实现超低浓度的蓝藻检测。
为了提高水质检测传感器对水质参数的检测灵敏度，对比文件2(CN 106092895A)公开了一种水体叶绿素浓度原位检测装置及其检测方法，该水体检测浓度原位检测装置使用六棱柱腔的全反射，增大激光光程，以提高检测灵敏度，可以检测到0.001-0.05μmol/L数量级浓度的叶绿素，具有荧光检测准确率和灵敏度高的优点。但是当叶绿素的浓度小于0.001μmol/L数量级时，该水体检测浓度原位检测装置可以检测到的荧光光子数小于200，检测灵敏度大大降低，难以继续使用。
所以设计一种能对更低浓度的蓝藻和叶绿素同时进行有效的清晰的检测的装置非常必要，它可以及时反映水中蓝藻和叶绿素的含量，进而反映水质的情况，以利于我们及时发现水质存在的问题，并对其采取有效的缓解和解决措施。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于腔增强表面等离子体共振的荧光检测传感装置，通过使用高反谐振腔增加激光光程，金属层、金属纳米颗粒层的等离子体共振作用增强荧光强度，提高检测精度和灵敏度，同时配合使用带通滤光片单元，使用一个装置实现对水体中蓝藻和叶绿素含量的高精度检测。
一种基于腔增强表面等离子体共振的荧光检测传感装置，包括激光光源、带通滤光单元、光束耦合器、高反腔单元、长波通滤光片、聚焦透镜以及光信息接收单元和处理单元。
所述激光光源为频率可调的可调谐激光器或多波长激光器，用于发射多种单一频率的光束；带通滤光片单元包括蓝藻荧光激发带通滤光片和叶绿素荧光激发带通滤光片，用于选出蓝藻或叶绿素荧光激发波段的光束，然后送入光束耦合器；高反腔单元包括密封进水口、密封出水口、高反腔以及金属层与纳米颗粒层；高反腔包括进光部、反射部和出光部。光束耦合器，设置在高反腔的进光部外侧，和高反腔外切，用于将经过筛选的光耦合进高反腔单元中；金属层与纳米颗粒层设置在高反腔的反射部内侧；长波通滤波片设置在高反腔的出光部外侧，用于阻拦短波长的非荧光信号，使长波长的荧光信号通过，将荧光信号引出腔外；长波通滤波片的外侧设置有光信息接收单元，在长波通滤波片和光信息接收单元还设置有聚焦透镜，用于将通过长波通滤光片的荧光汇聚，并将荧光信号传输到光信息接收单元，处理单元对光信息接受单元接收到的信息进行分析处理，得到水体中蓝藻和叶绿素的浓度。
作为优选，激光光源发出的光束的波长调节范围为400～625nm。
作为优选，蓝藻荧光激发带通滤光片允许通过的光束的波长范围为500～625nm，叶绿素荧光激发带通滤光片允许通过的光束的波长范围为400～550nm。
作为优选，光束耦合器为棱镜耦合器或光纤耦合器。
作为优选，所述高反腔为四分之三球形高反腔，材料为SiO2，腔壁厚度为5～10μm，腔体直径为0.5～2.5cm。
作为优选，纳米颗粒层的纳米颗粒为核壳结构，颗粒直径为50～80nm，包含金纳米层以及包裹在金纳米层外的二氧化硅纳米层，用于增强被测液体的荧光传感信号；
作为优选，金属层为厚度为50～80nm金薄膜，设置于长波通滤光片的对侧。
作为优选，长波通滤光片的截止波长为630nm。
作为优选，光信息接收单元为光电二极管、光电倍增管或雪崩二极管。
作为优选，光信息处理单元包括微处理器、显示屏、无线装置和监控主机。
当需要对水体中的蓝藻和叶绿素浓度检测时，待测水体由密封进水口进入高反腔，激光光源发射的光束分别经过蓝藻荧光激发带通滤光片和叶绿素荧光激发带通滤光片，经过筛选后的光束通过光束耦合器耦合到高反腔内，光束在高反腔内发生多次反射，同时与被测液体发生充分接触作用产生荧光，荧光在金属层和纳米颗粒层的等离子体共振作用下的二次增强放大后，通过长波通滤光片被引出腔外，经过聚焦透镜后被光信息接收单位和处理单元接收和处理，得到蓝藻与叶绿素的浓度。
本发明具有以下有益效果：
1、通过带通滤光片单元对激光光源发出的光束进行筛选，使装置每次仅对一种物质进行检测，避免不同的物质激发的荧光光谱相互干扰。
2、进入高反腔的激光在腔内发生高反射，增大光程，并多次和被测液体充分接触后，激发蓝藻和叶绿素发射荧光信号，设置在高反腔内壁的金属层在激发光下产生表面等离子体共振效果，纳米颗粒层在激发光下产生表面荧光增强效应，增强激发荧光的强度，提高装置检测灵敏度与精度。
3、在长波通滤光片和信息采集装置之间设置了聚焦透镜，进一步增强检测荧光信号强度，提高检测灵敏度。
4、可以检测到0.001μmol/L数量级浓度的蓝藻和叶绿素，相比现有的检测传感器件，将检测精度提高了1～2个数量级。
附图说明
图1为实施例中的检测装置结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
如图1所示，一种基于腔增强表面等离子体共振的荧光检测传感装置，包括激光光源1、带通滤光单元2、光束耦合器3、高反腔单元4、长波通滤光片5、聚焦透镜6以及光信息接收单元7和处理单元8。
所述激光光源1为频率可调的可调谐激光器，能够发射波长为400～625nm的波长；带通滤光片单元2包括蓝藻荧光激发带通滤光片21和叶绿素荧光激发带通滤光片22，蓝藻荧光激发带通滤光片21允许通过的光束的波段为500～625nm，叶绿素荧光激发带通滤光片22允许通过的光束的波段为400～550nm，带通滤光片单元2用于选出蓝藻或叶绿素荧光激发波段的光束，然后送入光束耦合器。
高反腔单元4包括密封进水口44、密封出水口45、高反腔41以及设置在高反腔41内侧的金属层42与纳米颗粒层43；待检测水体由密封进水口44流入高反腔41，检测结束后由密封出水口45流出；高反腔41选用四分之三球形高反腔，纳米颗粒层43的长度小于1/4高反腔周径，纳米颗粒为核壳结构，颗粒直径为50～80nm，包含金纳米层以及包裹在金纳米层外的二氧化硅纳米层，在激光照射下对待测液体产生表面荧光增强作用；金属层42为金薄膜，位于高反腔1/4缺口的对侧，长度为1/4高反腔周径，厚度为50～80nm，在激光照射下实现表面等离子体共振，对腔内产生的荧光信号进行增强放大。
光束耦合器3选用三棱镜耦合器，设置在高反腔41的外侧，和高反腔41外切，用于将经过筛选的光耦合进高反腔单元4中；
由于蓝藻的荧光发射波长为650nm左右，叶绿素的荧光发射波长为670nm左右，因此选择长波通滤波片5的截止波长为630nm，以反射波长小于630nm的非荧光信号，降低干扰。长波通滤波片5为弧形，设置在高反腔41的1/4缺口位置，与金属层42对称分布，经金属层42对球形高反腔内的荧光信号产生极好的汇聚效果后散射的荧光信号会更充分地被从长波通滤光片5引出。
聚焦透镜6用于将通过长波通滤光片5的荧光汇聚，并将荧光信号传输到光信息接收单元7，光信息接收单元7选用光电二极管，光电二极管的感光窗口有限，被长波通滤光片5选出的荧光信号经过聚焦透镜6的汇聚作用后，会全部汇聚在光电二极管的感光窗口，进一步增强检测荧光信号强度，提高检测灵敏度。处理单元8包括微处理器81、显示屏82、无线装置83和监控主机84，用于对光信息接受单元接收到的信息进行分析处理，得到水体中蓝藻和叶绿素的浓度。
蓝藻浓度的检测方法：使待测液体从密封进水口44进入，激光光源1射出的光束先经过蓝藻荧光激发带通滤光片21，蓝藻荧光激发带通滤光片21将500～625nm波段的光选出，再通过光束耦合器3耦合到高反腔41内，进入高反腔41的光束会在腔内不断与内腔壁发生持续的高反射作用，多次与被测液体充分接触并激发其产生荧光信号，同时激发光束在反射作用下与设置在腔内的金属层42接触并激发产生表面等离子体共振荧光增强效果，与腔内的纳米颗粒层43接触并激发产生表面荧光增强效果，荧光信号会在腔增强和表面等离子共振的双重作用下不断被增强放大。长波通滤光片5会反射小于630nm波长的光，而大于630nm的、包含有增强荧光信号的光会通过，在经历了腔增强和表面等离子体共振双重增强放大作用后的荧光信号再经过聚焦透镜6进行汇聚作用，进入光信息接收单元7被接收，最后通过光信息处理单元8对超低浓度的蓝藻的浓度等参数进行采集和处理。
叶绿素浓度的检测方法：使待测液体从密封进水口44进入，激光光源1射出的光束先经过叶绿素荧光激发带通滤光片22，叶绿素荧光激发带通滤光片22将400～550nm波段的光选出，再通过光束耦合器3耦合到高反腔41内，进入高反腔41的光束会在腔内不断与内腔壁发生持续的高反射作用，多次与被测液体充分接触并激发其产生荧光信号，同时激发光束在反射作用下与设置在腔内的金属层42接触并激发产生表面等离子体共振荧光增强效果，与腔内的纳米颗粒层43接触并激发产生表面荧光增强效果，荧光信号会在腔增强和表面等离子共振的双重作用下不断被增强放大。长波通滤光片5会反射小于630nm波长的光，而大于630nm的、包含有增强荧光信号的光会通过，在经历了腔增强和表面等离子体共振双重增强放大作用后的荧光信号再经过聚焦透镜6进行汇聚作用，进入光信息接收单元7被接收，最后通过光信息处理单元8对超低浓度的叶绿素的浓度等参数进行采集和处理。
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