空心金属包覆波导检测小球藻溶液浓度的研究

陈发祥

(上海海事大学文理学院，上海 201306)



空心金属包覆波导检测小球藻溶液浓度的研究

陈发祥

(上海海事大学文理学院，上海 201306)

[目的]为了研究空心金属包覆波导所构造的光波导振荡场传感器对小球藻溶液浓度的检测灵敏度。[方法] 将小球藻溶液注入波导结构中，采用波长为650nm的激光经衰减器准直衰减后直接入射于波导上表面银膜，经角度扫描得到反射率随入射角的变化曲线即衰减全反射吸收(ATR)谱，通过ATR吸收峰极小值(及其同步角)来检测小球藻溶液的浓度。[结果] 在0～4 nmol/L范围内吸收峰极小值(及其同步角)与浓度呈较好线性关系。[结论] 用该方法检测小球藻溶液浓度是可行的。

空心金属包覆波导；超高阶导模；振荡场传感器；小球藻浓度

小球藻(Chlorella)是普生性单细胞藻类，在分类上属于绿藻门(Chlorophyta)、绿藻纲(Chlorophyceae)、绿球藻目(Chlorococcales)、小球藻科(Chlorellaceae)[1]。小球藻属约有10种，广泛分布于各种生态环境(如淡水、咸水和土壤等)。常见的有蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、椭圆小球藻(Chlorellaellipsoidea)、普通小球藻(Chlorellavulgaris)等。小球藻生长速度快，易于培养，既可利用光合作用自养生长，又可在无光照情况下利用有机物进行异养生长[2]。由于它富含蛋白质、油脂、烃类和维生素，能够吸附环境中的氮、磷、重金属等元素， 因此在生物技术研究和污水处理等方面有着广泛的应用[3-5]。

小球藻的浓度测量在其培养与应用中占重要地位。目前，常用的检测方法有分光光度法[6-8]、显微镜计数法[8]、比色法[9]、叶绿素法[10]等。其中，分光光度计法利用藻细胞在一定生长期内的增长量与在最大吸收波长下的吸光度值呈正比，具有操作简单、所需样品数量少等特点[6-8]；显微镜计数法(或血球计数板计数法)计算小球藻浓度费时、费力且容易出错[6]；比色法精确度不高[9]；叶绿素法操作较复杂，耗用物资也较多[10]。

基于衰减全反射谱(Attenuated total reflection)技术的空心金属包覆波导(Hollow-core metal-cladded waveguide)传感器由于结构简单、成本低、灵敏度高等优点成为新一代光学生化传感器之一，在高精度光学探测领域具有广阔的应用前景[11-14]。由于其波导层厚度可以拓展到毫米量级，所激发的超高阶导模对波导参数的变化非常灵敏，因此HCMW传感器比普通波导中的低阶模具有更高的灵敏度。近年来，HCMW传感器主要应用于测量痕量铬、草甘膦、葡萄糖等分子的溶液浓度，其检测灵敏度比分光光度计法要高[12-14]。该研究的目的是研究这种传感器对更大尺度分子溶液浓度的检测灵敏度。小球藻的直径在3～8 μm。将这一技术应用于微米量级的藻类植物尚属首次。利用小球藻待测样品与上层金属膜衬底的玻璃片构成导波层，采用超高阶导模作为探针，利用小球藻溶液介电常数随其浓度的变化，通过ATR吸收峰的极小值(和同步角)检测小球藻溶液的浓度。研究表明，HCMW传感器法相对于传统的小球藻浓度检测方法具有灵敏度高、操作简便、能耗低、无污染、所需样品量少等优点。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

(1)蛋白核小球藻溶液。藻种原液(106个/ml)，经自行培养，将其配成5组不同浓度(0～4 nmol/L)的小球藻溶液。

(2)空心金属包覆波导传感器(自制)。结构图见图1，自上而下分别是银膜(介电常数ε1=-18.2+2i，厚度h1=17 nm)、K9玻璃(介电常数ε2=2.25，厚度h2=0.7 mm)、样品室(厚度h3=0.1 mm)、银膜(介电常数ε4=-18.2+2i，厚度h4=144 nm，完全不透光，可看作无限厚)、K9玻璃。

(3)衰减全反射(ATR)谱测量装置。包括激光器(功率5 mW，波长650 nm)、衰减器、θ/2θ转角仪器、空心金属包覆波导、探测器、模/数转换器、步进马达、计算机(图2)。

1.2 试验过程在室温暗室条件下用试管将配好的5组不同浓度的小球藻溶液置于同一支架上，静置30 min，以达温度与环境统一。调节衰减器，使得激光器发出的光束准直并强度弱化，以免光强过大引起小球藻发生剧烈运动，也可避免波导内的温度变化。用注射器将配好的小球藻溶液注入波导中，再将波导竖直固定在θ/2θ转角仪器中心平台上。该平台每转动10，放探测器的外盘转动20，以保证探测器时刻跟踪反射光。角度扫描通过步进马达由计算机控制，探测器接收的信号放大后经模/数转换器传输到计算机，并且在屏幕上得到反射率随入射角的变化曲线，也称为衰减全反射吸收(ATR)谱。

1.3 传感器检测原理激光器发出的光经衰减器准直衰减后直接入射于波导上表面银膜，待测小球藻溶液与上层银膜衬底的玻璃片构成导波层。根据反射率公式，连续改变入射角(θ)，反射率(R)随θ的曲线将呈现一系列衰减全反射吸收峰。由于双面金属包覆波导有效折射率(N)满足条件0

与导膜传播常数匹配的情况下实现光能与部分导膜能量的耦合，激发0

. (1)

式中，Im(β0)表示导波的本征损耗，主要由波导结构的消光系数确定；Im(ΔβL)表示导波光能量返回自由空间的泄漏损耗，取决于波导上层金属膜的厚度。根据波矢匹配条件，吸收峰极小值所对应的入射角称为同步角，即在同步角处入射光能量才能转移到波导中[11]。由方程(1)可知，当波导的本征损耗与泄漏损耗相等，即Im(β0)=Im(ΔβL)时，有Rmin=0；当泄漏损耗偏离本征损耗时，Rmin将变大，即ATR吸收极小值将升高。

Rmin及其同步角(θ)是检测过程中的2个可观测物理量。其中，Rmin主要取决于待测溶液介电常数的虚部(即溶液的消光系数)；θ主要取决于溶液介电常数的实部。由于小球藻溶液的浓度决定其介电常数虚部和实部，继而决定Rmin及其同步角，因此依据测定的吸收峰即可确定待测小球藻溶液的浓度。

2 结果与分析

由图3～5和表1可知，随着小球藻溶液浓度的增大，Rmin逐渐上升，其同步角也逐渐增大。这与传感器检测原理是一致的。由方程(1)以及Beer-Lambert定律[15]可知，随着溶液浓度(C)的增加，吸收增大，溶液的介电常数增加，因此Rmin上移，吸收峰向右移动，θ增加。由图4、5可知，Rmin、θ与C呈较好的线性关系，其线性拟合方程分别为：

Rmin=0.081 60C+4.466 0

(2)

θ=0.038 51C+1.463 0

. (3)

其决定系数分别为0.862 0和0.937 2。

由表1可知，溶液浓度每变化1 nmol/L，Rmin最小变化约为0.35%，θ的最小变化约为1.55%。这种反射率和同步角的变化在图3～5中是可分辨的。理论上，光电探测器的分辨率至少为0.5%，因此该研究建议空心金属包覆波导传感器检测小球藻溶液浓度的分辨率小于0.2 nmol/L。

3 结论与讨论

该研究构建了一种光波导振荡场传感器系统，用以检测小球藻溶液的浓度。结果表明，在0～4 nmol/L范围内Rmin、θ均与C呈良好线性关系。该方法对小球藻溶液浓度的分辨率小于0.2 nmol/L。用空心金属包覆波导传感器检测小球藻溶液的浓度是可行的。文中所提出的方法具有操作简便快速、能耗低、节省材料、无污染等优点，为今后研究小球藻的生长与培养提供一种新的检测手段。

表1 不同浓度下吸收峰极小值与同步角

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

陈发祥(1987-)，男，湖北红安人，硕士研究生，研究方向：电磁场与微波技术。

2015-02-11

S 122

A

0517-6611(2015)09-016-03