空心金屬包覆波導檢測小球藻溶液濃度的研究

陳發(fā)祥

(上海海事大學文理學院，上海 201306)

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空心金屬包覆波導檢測小球藻溶液濃度的研究

陳發(fā)祥

(上海海事大學文理學院，上海 201306)

[目的]為了研究空心金屬包覆波導所構造的光波導振蕩場傳感器對小球藻溶液濃度的檢測靈敏度。[方法] 將小球藻溶液注入波導結構中，采用波長為650nm的激光經(jīng)衰減器準直衰減后直接入射于波導上表面銀膜，經(jīng)角度掃描得到反射率隨入射角的變化曲線即衰減全反射吸收(ATR)譜，通過ATR吸收峰極小值(及其同步角)來檢測小球藻溶液的濃度。[結果] 在0～4 nmol/L范圍內吸收峰極小值(及其同步角)與濃度呈較好線性關系。[結論] 用該方法檢測小球藻溶液濃度是可行的。

空心金屬包覆波導；超高階導模；振蕩場傳感器；小球藻濃度

小球藻(Chlorella)是普生性單細胞藻類，在分類上屬于綠藻門(Chlorophyta)、綠藻綱(Chlorophyceae)、綠球藻目(Chlorococcales)、小球藻科(Chlorellaceae)[1]。小球藻屬約有10種，廣泛分布于各種生態(tài)環(huán)境(如淡水、咸水和土壤等)。常見的有蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、橢圓小球藻(Chlorellaellipsoidea)、普通小球藻(Chlorellavulgaris)等。小球藻生長速度快，易于培養(yǎng)，既可利用光合作用自養(yǎng)生長，又可在無光照情況下利用有機物進行異養(yǎng)生長[2]。由于它富含蛋白質、油脂、烴類和維生素，能夠吸附環(huán)境中的氮、磷、重金屬等元素， 因此在生物技術研究和污水處理等方面有著廣泛的應用[3-5]。

小球藻的濃度測量在其培養(yǎng)與應用中占重要地位。目前，常用的檢測方法有分光光度法[6-8]、顯微鏡計數(shù)法[8]、比色法[9]、葉綠素法[10]等。其中，分光光度計法利用藻細胞在一定生長期內的增長量與在最大吸收波長下的吸光度值呈正比，具有操作簡單、所需樣品數(shù)量少等特點[6-8]；顯微鏡計數(shù)法(或血球計數(shù)板計數(shù)法)計算小球藻濃度費時、費力且容易出錯[6]；比色法精確度不高[9]；葉綠素法操作較復雜，耗用物資也較多[10]。

基于衰減全反射譜(Attenuated total reflection)技術的空心金屬包覆波導(Hollow-core metal-cladded waveguide)傳感器由于結構簡單、成本低、靈敏度高等優(yōu)點成為新一代光學生化傳感器之一，在高精度光學探測領域具有廣闊的應用前景[11-14]。由于其波導層厚度可以拓展到毫米量級，所激發(fā)的超高階導模對波導參數(shù)的變化非常靈敏，因此HCMW傳感器比普通波導中的低階模具有更高的靈敏度。近年來，HCMW傳感器主要應用于測量痕量鉻、草甘膦、葡萄糖等分子的溶液濃度，其檢測靈敏度比分光光度計法要高[12-14]。該研究的目的是研究這種傳感器對更大尺度分子溶液濃度的檢測靈敏度。小球藻的直徑在3～8 μm。將這一技術應用于微米量級的藻類植物尚屬首次。利用小球藻待測樣品與上層金屬膜襯底的玻璃片構成導波層，采用超高階導模作為探針，利用小球藻溶液介電常數(shù)隨其濃度的變化，通過ATR吸收峰的極小值(和同步角)檢測小球藻溶液的濃度。研究表明，HCMW傳感器法相對于傳統(tǒng)的小球藻濃度檢測方法具有靈敏度高、操作簡便、能耗低、無污染、所需樣品量少等優(yōu)點。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

(1)蛋白核小球藻溶液。藻種原液(106個/ml)，經(jīng)自行培養(yǎng)，將其配成5組不同濃度(0～4 nmol/L)的小球藻溶液。

(2)空心金屬包覆波導傳感器(自制)。結構圖見圖1，自上而下分別是銀膜(介電常數(shù)ε1=-18.2+2i，厚度h1=17 nm)、K9玻璃(介電常數(shù)ε2=2.25，厚度h2=0.7 mm)、樣品室(厚度h3=0.1 mm)、銀膜(介電常數(shù)ε4=-18.2+2i，厚度h4=144 nm，完全不透光，可看作無限厚)、K9玻璃。

(3)衰減全反射(ATR)譜測量裝置。包括激光器(功率5 mW，波長650 nm)、衰減器、θ/2θ轉角儀器、空心金屬包覆波導、探測器、模/數(shù)轉換器、步進馬達、計算機(圖2)。

1.2 試驗過程在室溫暗室條件下用試管將配好的5組不同濃度的小球藻溶液置于同一支架上，靜置30 min，以達溫度與環(huán)境統(tǒng)一。調節(jié)衰減器，使得激光器發(fā)出的光束準直并強度弱化，以免光強過大引起小球藻發(fā)生劇烈運動，也可避免波導內的溫度變化。用注射器將配好的小球藻溶液注入波導中，再將波導豎直固定在θ/2θ轉角儀器中心平臺上。該平臺每轉動10，放探測器的外盤轉動20，以保證探測器時刻跟蹤反射光。角度掃描通過步進馬達由計算機控制，探測器接收的信號放大后經(jīng)模/數(shù)轉換器傳輸?shù)接嬎銠C，并且在屏幕上得到反射率隨入射角的變化曲線，也稱為衰減全反射吸收(ATR)譜。

1.3 傳感器檢測原理激光器發(fā)出的光經(jīng)衰減器準直衰減后直接入射于波導上表面銀膜，待測小球藻溶液與上層銀膜襯底的玻璃片構成導波層。根據(jù)反射率公式，連續(xù)改變入射角(θ)，反射率(R)隨θ的曲線將呈現(xiàn)一系列衰減全反射吸收峰。由于雙面金屬包覆波導有效折射率(N)滿足條件0

與導膜傳播常數(shù)匹配的情況下實現(xiàn)光能與部分導膜能量的耦合，激發(fā)0

. (1)

式中，Im(β0)表示導波的本征損耗，主要由波導結構的消光系數(shù)確定；Im(ΔβL)表示導波光能量返回自由空間的泄漏損耗，取決于波導上層金屬膜的厚度。根據(jù)波矢匹配條件，吸收峰極小值所對應的入射角稱為同步角，即在同步角處入射光能量才能轉移到波導中[11]。由方程(1)可知，當波導的本征損耗與泄漏損耗相等，即Im(β0)=Im(ΔβL)時，有Rmin=0；當泄漏損耗偏離本征損耗時，Rmin將變大，即ATR吸收極小值將升高。

Rmin及其同步角(θ)是檢測過程中的2個可觀測物理量。其中，Rmin主要取決于待測溶液介電常數(shù)的虛部(即溶液的消光系數(shù))；θ主要取決于溶液介電常數(shù)的實部。由于小球藻溶液的濃度決定其介電常數(shù)虛部和實部，繼而決定Rmin及其同步角，因此依據(jù)測定的吸收峰即可確定待測小球藻溶液的濃度。

2 結果與分析

由圖3～5和表1可知，隨著小球藻溶液濃度的增大，Rmin逐漸上升，其同步角也逐漸增大。這與傳感器檢測原理是一致的。由方程(1)以及Beer-Lambert定律[15]可知，隨著溶液濃度(C)的增加，吸收增大，溶液的介電常數(shù)增加，因此Rmin上移，吸收峰向右移動，θ增加。由圖4、5可知，Rmin、θ與C呈較好的線性關系，其線性擬合方程分別為：

Rmin=0.081 60C+4.466 0

(2)

θ=0.038 51C+1.463 0

. (3)

其決定系數(shù)分別為0.862 0和0.937 2。

由表1可知，溶液濃度每變化1 nmol/L，Rmin最小變化約為0.35%，θ的最小變化約為1.55%。這種反射率和同步角的變化在圖3～5中是可分辨的。理論上，光電探測器的分辨率至少為0.5%，因此該研究建議空心金屬包覆波導傳感器檢測小球藻溶液濃度的分辨率小于0.2 nmol/L。

3 結論與討論

該研究構建了一種光波導振蕩場傳感器系統(tǒng)，用以檢測小球藻溶液的濃度。結果表明，在0～4 nmol/L范圍內Rmin、θ均與C呈良好線性關系。該方法對小球藻溶液濃度的分辨率小于0.2 nmol/L。用空心金屬包覆波導傳感器檢測小球藻溶液的濃度是可行的。文中所提出的方法具有操作簡便快速、能耗低、節(jié)省材料、無污染等優(yōu)點，為今后研究小球藻的生長與培養(yǎng)提供一種新的檢測手段。

表1 不同濃度下吸收峰極小值與同步角

C∥nmol/LRminθ∥°04.4101.44314.6261.52324.6421.54934.6761.57344.7931.611

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Optical Detection of Chlorella using a Hollow-Core Metal-cladded Waveguide

CHEN Fa-xiang

(School of Arts and Sciences, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306)

[Objective]The research aimed to investigate the concentration of chlorella by using an oscillation field optical waveguide sensor with a hollow-core metal-cladded waveguide (HCMW) structure.[Method] The chlorella solution was injected into the waveguide and a 650 nm incident laser beam was used on the upper silver film at certain optical angles. The attenuated total reflection (ATR) dips was obtained as a function of the laser beam incident angle. The depths (and shifts) of the ATR dips were observable quantities to determine the concentration. [Result] The concentration of chlorella was linearly associated with the minimum value (and the corresponding resonance angle) of the ATR dips in the concentration range of 0-4 nmol/L. [Conclusion] It was feasible to determine the concentration of chlorella by using our proposed method.

Hollow-core metal-cladded waveguide; Ultra-order guided modes; Oscillation field sensor; Concentration of chlorella

陳發(fā)祥(1987-)，男，湖北紅安人，碩士研究生，研究方向：電磁場與微波技術。

2015-02-11

S 122

A

0517-6611(2015)09-016-03