表面等離子體共振傳感器的研究進(jìn)展

表面等離子體共振傳感器的研究進(jìn)展

表面離子共振（spr）是指在微波的作用下，改變金屬和電介質(zhì)交叉面中的波長傳播所形成的振幅波。當(dāng)光以大于全反射角入射到交界面上時(shí),有一部分光被反射,另一部分光被耦合進(jìn)等離子體內(nèi),在表面等離子中存在光的消失波。如果入射光的波矢量沿著平行于界面的分量和表面等離子波的波矢量相等,表面等離子在光的作用下發(fā)生諧振,光波在傳輸過程中發(fā)生能量的損失,在宏觀上表現(xiàn)為光波的被強(qiáng)烈的吸收,這種現(xiàn)象稱為等離子體的諧振。在20世紀(jì)的初期,Wood等人就利用衍射光柵觀測到光柵的反常衍射現(xiàn)象,第一次公開對表面等離子波進(jìn)行描述。1909年,索末菲從麥克斯韋的電磁理論出發(fā),引入復(fù)介電常數(shù)的概念,得到了表面局部的等離子表面波解,等離子波是一種在表面和界面?zhèn)鞑サ腡M波.其振幅隨離開界面的距離而按指數(shù)規(guī)律衰減。1941年,Fano用金屬與空氣界面的表面電磁波來激勵(lì)等離子波,并對其進(jìn)行了解析,1957年,Ritchie發(fā)現(xiàn)電子穿過金屬薄膜時(shí)產(chǎn)生的“能量降低”現(xiàn)象,第一次提出“金屬等離子體”概念,1959年,Powell和Swan用實(shí)驗(yàn)的方法證實(shí)了Ritchie的理論.Stem和Farrell稱這種現(xiàn)象為“表面等離子共振”(SurfacePlasmonResonance)。1988年,Kretschmdnn和Otto用衰減全反射方法證實(shí)了表面等離子共振現(xiàn)象的存在。1982年,Nylander和Liedberg將表面等離子共振技術(shù)應(yīng)用于氣體的檢測和生物傳感的研究。由于等離子波隨介質(zhì)的折射率的變化較敏感,如果讓被測樣品(如氫氣等氣體)與發(fā)生表面等離子共振的金屬薄膜相接觸,由于存在著先吸附,再吸收,最后可發(fā)生化學(xué)反應(yīng)等過程,導(dǎo)致薄膜的介電常數(shù)發(fā)生變化。根據(jù)這一原理,人們研究了各種的SPR傳感器,報(bào)道的有氣體傳感器、液體傳感器、化學(xué)傳感器和生物傳感器。這類傳感器的優(yōu)點(diǎn)是;測量的準(zhǔn)確性高,響應(yīng)速度快,體積小,機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)以及抗干擾能力強(qiáng)等。因此SPR在生物、化學(xué)以及環(huán)境檢測等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。1spr傳感檢測系統(tǒng)當(dāng)金屬受到光電磁場的作用時(shí),金屬中的電子密度分布不再均勻,如果在金屬中的某個(gè)區(qū)域的電子密度小于平均密度,則存在過剩的正電荷,這過剩的正電荷對鄰近的負(fù)電荷產(chǎn)生庫倫力的作用,使鄰近的負(fù)電荷向這個(gè)區(qū)域運(yùn)動過來,同時(shí)獲得多的能量,然后,這區(qū)域出現(xiàn)過多的負(fù)電荷,由電子間的相互排斥作用,電子又遠(yuǎn)離該區(qū)域運(yùn)動,從而形成電子相對于正電荷的密度的起伏振蕩。這稱為金屬中的等離子體振蕩。而表面等離子體共振具有其特有的特征,其可存在于兩種介質(zhì)的分界面處,而且可沿著界面?zhèn)鞑?形成等離子體表面波(SPW)。等離子體表面波為一種偏振的TM波,其磁場矢量垂直于波的傳播方向,平行于兩種介質(zhì)的分界面。當(dāng)光波的電磁場矢量沿著平行于交界面的分量和SPW波的波矢量相等時(shí),便發(fā)生了SPR現(xiàn)象。SPR傳感系統(tǒng)一般是由三部分組成,即光學(xué)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)和檢測系統(tǒng),如圖1所示。發(fā)光二極管(LED)發(fā)出的白光,經(jīng)過透鏡后,輸出光為平行光,入射在棱鏡的一個(gè)側(cè)面上,棱鏡的底面是鍍有金或銀膜,其厚度由實(shí)驗(yàn)得到的最佳靈敏度來確定,一般為50nm左右。棱鏡材料為K9或BK7玻璃。反射光線由棱鏡的另一側(cè)輸出,經(jīng)過全反射鏡反射進(jìn)入單色儀,再由單色儀輸出進(jìn)行光電接收和轉(zhuǎn)換,電信號放大和輸出,便得到SPR的輸出光譜。這是一種棱鏡耦合式的SPR傳感器系統(tǒng)。在這個(gè)工作系統(tǒng)中,調(diào)整入射到棱鏡底部的光的入射角,使入射光的波矢量沿分界面的分量等于SPW波矢量,這樣便可激勵(lì)起SPW,在激勵(lì)SPW過程中,從棱鏡的另一個(gè)側(cè)面輸出的光強(qiáng)便出現(xiàn)明顯的減弱,則出現(xiàn)一個(gè)光譜吸收峰。這種激勵(lì)技術(shù)也稱為衰減全反射(AttenuatedtotalRefractionATR)技術(shù)。ATR原理是現(xiàn)代SPR傳感器的工作基礎(chǔ)。2光柵耦合型spr傳感器檢測分析方法光學(xué)SPR傳感器從結(jié)構(gòu)上分,可分為4種類型:(1)棱鏡耦合式SPR傳感器;(2)集成光波導(dǎo)SPR傳感器;(3)光纖SPR傳感器;(4)光柵耦合型SPR傳感器。從檢測分析方法來分,有(1)復(fù)色光入射,固定入射角,記錄反射光譜,得到反射率隨入射光波長的關(guān)系,找出共振波長。(2)單色光入射,改變?nèi)肷浣?檢測反射光強(qiáng)度隨入射角的變化情況,記錄反射光強(qiáng)為最小時(shí)的入射角,即為共振角。(3)入射光波長固定,入射的共振角固定,改變電介質(zhì)的濃度,記錄反射光強(qiáng)隨電介質(zhì)濃度變化之間的關(guān)系。(4)入射光的波長和入射角均固定,檢測反射光與入射光之間的相位差。2.1金屬鏡耦合式多通道spr傳感器的發(fā)展棱鏡耦合式SPR傳感器有兩種基本的結(jié)構(gòu),如圖2所示。圖2(a)為Otto研制和采用的結(jié)構(gòu),稱為Otto結(jié)構(gòu),圖2(b)為Kretschmann研制和采用的結(jié)構(gòu),稱為Kretschmann結(jié)構(gòu)。在Otto結(jié)構(gòu)中,調(diào)整棱鏡和金屬膜之間的間隔d,或Kretschmann結(jié)構(gòu)中,調(diào)整光在棱鏡底部的入射角,使入射光的波矢量沿平行于界面的分量等于SPW的波矢量,便激起SPW波。在Otto結(jié)構(gòu)中,棱鏡和金屬膜之間留有間隙,待測物樣品置入間隙內(nèi),這種結(jié)構(gòu)的使用過程不方便,人們現(xiàn)在已很少采用.而對于Kretschmann結(jié)構(gòu),它是在棱鏡的底部鍍上一層銀膜或金膜,棱鏡的形狀一般有兩種,直角棱鏡或半球形棱鏡,在鍍金屬膜的底邊固定上一個(gè)樣品池,樣品池的進(jìn)出口,以使被測樣品(如氣體等)在樣品池內(nèi)流動。入射光在棱鏡底部發(fā)生衰減全反射,通過調(diào)節(jié)得到共振入射角或共振波長,測量角度或波長與被測樣品濃度之間的關(guān)系,可對環(huán)境氣體的濃度進(jìn)行檢測。最近,BoozerC等人提出一種新型的棱鏡耦合式SPR傳感器,它是一種能消除溫度環(huán)境變化或折射率變化而導(dǎo)致測量結(jié)果受影響的SPR傳感器。其耦合部分的結(jié)構(gòu)如圖3所示,先在棱鏡底邊上鍍上一層2nm厚的鉻層,在鉻層上再鍍上50nm厚的金膜,金膜的一半鍍上18nm厚的五氧化二鉭,另一半制上聚乙烯氧化物—生物素—硫醇組合膜,在五氧化二鉭的一側(cè)制上聚乙烯氧化物和硅烷,其相當(dāng)于一個(gè)參考信道,當(dāng)環(huán)境溫度變化或襯底折射率變化時(shí),對測量結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。胡建東等人提出一種新型的棱鏡耦合式金/鈀復(fù)合膜氫敏SPR傳感器,它是先在棱鏡底邊鍍上2nm厚的金膜,而后再鍍上20nm厚的鈀膜,數(shù)值模擬的結(jié)果表明,復(fù)合膜對氫氣的測量靈敏度比單層鈀膜的測量靈敏度提高了50%,同時(shí)器件的穩(wěn)定性也得到較大的提高,同時(shí)各層膜的厚度都是經(jīng)過數(shù)值優(yōu)化的結(jié)果。2.2基于spw波的多層壓壓傳感器dsps集成光波導(dǎo)SPR傳感器是在玻璃襯底(或其它光波導(dǎo)材料)上,采用離子交換技術(shù)制成光波導(dǎo),在光波導(dǎo)上先鍍上一層厚為2nm厚的鉻膜,然后再依次鍍Au膜和Ta2O5,厚度分別為60nm和20nm。結(jié)構(gòu)如圖3a所示。工作時(shí),輸入光源一般為寬帶光源,當(dāng)寬帶光源輸入時(shí),如果導(dǎo)模的相速度與等離子體傳播的相速度相等時(shí),傳輸光將在多層膜中激勵(lì)起SPW,輸出光中某個(gè)波長的光發(fā)生最大的衰減。SPW波的傳播常數(shù)除了與多層膜的厚度、復(fù)折射率有關(guān)外,還與被測樣品的折射率有關(guān),因此,通過測量輸出光譜的變化,可探測出樣品的特性(如濃度等)。這種集成光波導(dǎo)SPR傳感器特別適合于液體樣品的濃度測量。由于采用了光波導(dǎo),同時(shí)寬帶光源是通過光纖耦合進(jìn)入光波導(dǎo)的,因此測量的準(zhǔn)確度還受到光波導(dǎo)與光纖耦合效率等因素的影響,因此應(yīng)盡可能提高光波導(dǎo)的耦合效率。2.3ag膜和au膜微彎光纖SPR傳感器有兩種結(jié)構(gòu)類型;一種是傳感位置在光纖的中部;另一種結(jié)構(gòu)是傳感位置在光纖的端面。第一種結(jié)構(gòu)檢測的是傳輸光的光強(qiáng),第二種結(jié)構(gòu)檢測的是反射光的光強(qiáng)。第二種較少使用,我們這里只介紹第一種的結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖3b所示。把一小段光纖進(jìn)行纖芯裸露,在纖芯上用真空蒸發(fā)制一層Ag膜或Au膜,膜的厚度約50nm左右,光纖可用單模光纖,也可用多模光纖,但多模光纖由于模間的干擾使得導(dǎo)模和SPR之間的相互作用難于確定,故大多數(shù)采用單模光纖,這樣便形成了光纖SPR傳感器。Slavik等人把單模光纖進(jìn)行微彎后,光纖裸露,依次鍍上Au膜和Ta2O5。當(dāng)SPW的波矢量等于某個(gè)波長的波矢量時(shí),便激起SPW,而SPW的傳播常數(shù)是與傳感器相接觸的被測樣品的折射率有關(guān)的,因此,被測樣品可以通過測量某一波長的傳輸光強(qiáng)的變化來確定,當(dāng)然也可以通過測量光強(qiáng)最大衰減波長的變化來確定。2.4光柵spr傳感器檢測特定的衍射波佐水受熱壓光柵型SPR傳感器是在金屬層與介質(zhì)層構(gòu)成周期性變化的光柵曲面,當(dāng)入射光入射到光柵表面上時(shí),光柵便發(fā)生衍射,當(dāng)某一階的衍射波矢等于SPW的波矢時(shí),二者發(fā)生共振,發(fā)生SPR現(xiàn)象。對應(yīng)的衍射階光強(qiáng)度便大幅度下降,所以光柵SPR型傳感器也可以通過檢測某階衍射光強(qiáng)的變化來確定被測樣品的特性。光柵SPR傳感器與棱鏡SPR傳感器相比,靈敏度較低,同時(shí)數(shù)學(xué)模型的建立和理論分析也較復(fù)雜,被測樣品要求是對光透明的,光柵的制作也比較困難,這些缺點(diǎn)限制了光柵SPR傳感系統(tǒng)的使用。3光纖spr傳感器檢測蛋白質(zhì)的方法,主要考當(dāng)某個(gè)物理量發(fā)生變化時(shí),如濕度的變化,如果能導(dǎo)致敏感膜的折射率變化,那么可以用這光學(xué)SPR傳感器測量共振波長或共振角與濕度的關(guān)系,這便是濕度SPR光學(xué)傳感檢測系統(tǒng)。另外還基于這個(gè)特征的有溫度和鹽度SPR傳感器。如果某些化學(xué)物質(zhì),被敏感膜吸附,吸收以致于敏感膜與物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致敏感膜的折射率變化,可利用光學(xué)SPR傳感器檢測共振角或共振波長與待測物質(zhì)的濃度或成分之間的關(guān)系。例如檢測酒精、醛酶等化學(xué)物質(zhì)的濃度。又如用鈀膜、或金/鈀復(fù)合膜作為敏感膜,利用SPR傳感器測量共振角或共振波長與氫氣濃度的關(guān)系。SPR傳感器還可用于檢測生物分子間的相互結(jié)合作用,或用來檢測特定生物分子的識別和濃度的測定。Boozer等人用自研制和改進(jìn)的棱鏡耦合式SPR傳感器檢測牛血清中的白蛋白溶液的單克隆抗體,檢測到的最低質(zhì)量濃度為1μg/L。如Dostalek等人用集成光波導(dǎo)SPR傳感器測量牛血清蛋白質(zhì)溶液中單克隆抗體的濃度,在1ml的1%牛血清白蛋白溶液中可探測到2ng的單克隆抗體,其分辨率為1.2×10-6RIU,靈敏度為6000nm/RIU。Slavik等人用光纖SPR傳感器實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明:在靜態(tài)條件下,可檢測出溶液中免疫球蛋白抗體中的最小質(zhì)量濃度為90μg/L,傳感器靈敏度為3100nm/RIU,分辨率為3×10-5R1U,Lin等人在去光纖包層的纖芯表面鍍上一層Ag膜,再用溶膠-凝膠法在其表面制作長鏈硫醇膜和ZrO2膜,用以檢測兔子的免疫球蛋白的抗原,檢測的最小質(zhì)量濃度為0.2mg/L。ZhaoYong等人用光纖傳感器測量鹽溶液的鹽度和溫度,當(dāng)溫度在2～3℃時(shí),發(fā)現(xiàn)鹽溶液的折射率隨溫度的變化為5×10-5RIU/℃,當(dāng)溫度在20℃附近變化時(shí),其折射率變化變?yōu)?×10-4R1U/℃,可見,溫度對測量的影響較大。近年來,SPR生物傳感器的生物技術(shù)應(yīng)用還可用來進(jìn)行蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)之間,或蛋白質(zhì)與DNA之間的相互作用的檢測、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的檢測,抗瘤蛋白質(zhì)APC生物化學(xué)的檢測,而這些內(nèi)容的研究用傳統(tǒng)的方法,如酵母雙雜交系統(tǒng)、蛋白質(zhì)微陣列等技術(shù)顯得束手無策。Robbio等人將脂蛋白B100固定在SPR傳感器芯片上,依次注入不同的單克隆抗體,由于不同的單克隆抗體與脂蛋白B100相互作用的能力不同,所以可以精確監(jiān)定脂蛋白上的不同結(jié)構(gòu)域,另外當(dāng)某種蛋白質(zhì)中單個(gè)氨基酸發(fā)生改變,此蛋白與其它分子間結(jié)合也發(fā)生改變,由此可在蛋白水平上進(jìn)行多態(tài)的篩選。Werawatgoompa等人采用SPR技術(shù)對人體內(nèi)鐵蛋白的含量進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測,他們將兔抗人鐵蛋白抗血清固定在傳感器芯片,當(dāng)鐵蛋白與抗體特異性結(jié)合引起共振角的改變,從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測,應(yīng)用該方法檢測的濃度范圍為25～800ng/mL。由于光學(xué)SPR傳感系統(tǒng)具有許多傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)無法具有的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),因而在生物分子的相互作用、環(huán)境檢測、醫(yī)學(xué)診斷和食品安全等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,但SPR傳感系統(tǒng)也有其自身的缺點(diǎn),如共振波長或共振角的漂移,測量過程受環(huán)境溫度的影響,另一方面,在制作敏感層時(shí),如果太薄,靈敏度可高,但測量的動態(tài)范圍較小,不利于對樣品濃度變化幅度范圍大的測量,則測量易于發(fā)生飽和,如果敏感層太厚,有利于提高測量的動態(tài)范圍,但測量的靈敏度會發(fā)生降低,因此在制作敏感層時(shí),必須考慮膜的厚度問題。4spr傳感器發(fā)展展望光學(xué)SPR傳感技術(shù)由于其具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢,在近幾十年來得到快速的發(fā)展。目前國際上已經(jīng)出現(xiàn)了商品化的SPR傳感器,并且將其應(yīng)用于生物學(xué)的研究。我國對SPR傳感器的研究也非常的重視,并且也進(jìn)行了深入的研究。但目前商品化的SPR傳感器系統(tǒng)也僅限于科學(xué)的研究和實(shí)驗(yàn)室中的研究,為使SPR傳感系統(tǒng)突破這種局限,達(dá)到普及使用,未來的SPR光學(xué)傳感系統(tǒng)應(yīng)朝以下幾個(gè)方面發(fā)展:現(xiàn)在的SPR傳感器能檢測到在mm2上所具有的生物質(zhì)量