表面等离子共振传感技术的发展与应用
表面等离子共振传感技术的发展与应用
符运良1,傅 军1,吴英才2,袁一方3
1.海南师范学院物理系,海口 571158;
2.广东海洋大学信息学院,湛江 524025;
3.上海理工大学光学与电子信息工程学院,上海 200093
提要:表面等离子体共振(Surface Plas mon Res onance SPR)技术是一种简单、直接的传感技术,是表面等离子体在金属和电介质的交界面上形成的一电荷层,在电磁波的激励下,表面等离子体发生共振现象。根据这一原理研制的表面等离子体传感器在检测、分析生物分子间的相互作用等方面得到广泛的应用。介绍表面等离子传感器的工作原理和研究进展,由于其具有体积小、测量准确度高、抗电磁干扰能力强,因此表面等离子共振传感器在生物医学、环境保护、食品及化学等领域得到广泛的应用前景。
关键词:表面等离子共振;折射率;传感器;薄膜
中图分类号:TN253;TP212 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2006)06-0015-03
Development and application of surface plasmon resonance sensor technique
FU Yun-liang 1,F U Jun 1,WU Ying-cai 2,Y UAN Yi-fang 3
1.Depart ment of Physics,Hainan Normal College,Haikou 571158,Chi na;
2.College of Information,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524025,China;
3.Collge of Optics and Electron Information Engineeri ng,Universi ty of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,Chi na
Abs tract:Surface plas mon res onance techni gue is a simple and direct sensing technique.Surface plas mon is a layer of charge which is formed i n the interface of metal and dielectric .Under excitation of elec tromagnetic,which lead to the phenomena of plasmon resonance appears,and SPR sens ors based on this principle have become most useful tools in detecti on and analysis reac tion bet ween molecules.Pri nciple of s ensors and thei r development are introduced ,as the advantages of small,high s ensitivity and i mmunity to electromagnetic interference and poss ible us eful in c hemical and biological measurement.
K ey words :surface plasmon resonance (SPR);refrac tive index ;sens ors;films
收稿日期:2006-06-20
基金项目:海南省教育厅高校科研基金资助项目(hjkj200518)
作者简介:符运良(1964-),男,海南师范学院物理系副教授,从事
光集成器件和传感器的研究。
表面等离子共振(SPR)是指在光波的作用下,在金属和电介质的交界面上形成的改变光波传输的谐振波。当光以大于全反射角入射到交界面上时,有一部分光被反射,另一部分光被耦合进等离子体内,在表面等离子中存在光的消失波。如果入射光的波矢量沿着平行于界面的分量和表面等离子波的波矢量相等,表面等离子在光的作用下发生谐振,光波在传输过程中发生能量的损失,在宏观上表现为光波的被强烈的吸收,这种现象称为等离子体的谐振。在20世纪的初期,Wood 等人就利用衍射光栅观测到光栅的反常衍射现象112,第一次公开对表面等离子波进行描述。1909年,索末菲从麦克斯韦的电磁理论出发,引入复介电常数的概念,得到了表面局部的等离子表面波解,等离子波是一种在表面和界面传播的TM 波.其振幅随离开界面的距离而按指数规律衰减。1941年,Fano 用金属与空气界面的表面电磁波来激励等离子波,并对其进行了解析,1957年,Ritchie 发现电子穿过金属薄膜时产生的/能量降低0现象,第一次提出/金属等离子体0概念,1959年,Powell 和Swan 用实验的方法证实了Ritchie 的理论.Stem 和Farrell 称这种现象为/表面等离子共振0(Surface Plasmon Resonance)。1988年,Kretschmdnn 122和Ot -to 132
用衰减全反射方法证实了表面等离子共振现象的存在。
1982年,Nylander 和Liedberg 14-52
将表面等离子共振技术应用于气体的检测和生物传感的研究。由于等离子波随介质的折射率的变化较敏感,如果让被测样品(如氢气等气体)与发生表面等离子共振的金属薄膜相接触,由于存在着先吸附,再吸收,最后可发生化学反应等过程,导致薄膜的介电常数发生变化。根据这一原理,人们研究了各种的SPR 传感器,报道的有气体传感器、液体传感器、化学传感器和生物传感器16-72。这类传感器的优点是;测量的准确性高,响应速度快,体积小,机械强度强以及抗干扰能力强等。因此SPR 在生物、化学以及环境检测等领域具有广泛的应用前景。
1 基本原理
当金属受到光电磁场的作用时,金属中的电子密度分布
不再均匀,如果在金属中的某个区域的电子密度小于平均密度,则存在过剩的正电荷,这过剩的正电荷对邻近的负电荷产生库伦力的作用,使邻近的负电荷向这个区域运动过来,同时获得多的能量,然后,这区域出现过多的负电荷,由电子间的相互排斥作用,电子又远离该区域运动,从而形成电子相对于正电荷的密度的起伏振荡。这称为金属中的等离子体振荡。而表面等离子体共振具有其特有的特征,其可存在于两种介质的分界面处,而且可沿着界面传播,形成等离子体表面波(SPW)。等离子体表面波为一种偏振的TM 波,其磁场矢量垂直于波的传播方向,平行于两种介质的分界面。当光波的电磁场矢量沿着平行于交界面的分量和SPW 波的波矢量相等时,便发生了SPR 现象。
图1 光学SPR 传感系统
SPR 传感系统一般是由三部分组成,即光学系统、传感系统和检测系统,如图1所示。发光二极管(LED)发出的白光,经过透镜后,输出光为平行光,入射在棱镜的一个侧面上,棱镜的底面是镀有金或银膜,其厚度由实验得到的最佳灵敏度来确定,一般为50nm 左右。棱镜材料为K9或BK7玻璃。反射光线由棱镜的另一侧输出,经过全反射镜反射进入单色仪,再由单色仪输出进行光电接收和转换,电信号放大和输出,便得到SPR 的输出光谱。这是一种棱镜耦合式的SPR 传感器系统。在这个工作系统中,调整入射到棱镜底部的光的入射角,使入射光的波矢量沿分界面的分量等于SPW 波矢量,这样便可激励起SPW,在激励SPW 过程中,从棱镜的
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另一个侧面输出的光强便出现明显的减弱,则出现一个光谱吸收峰。这种激励技术也称为衰减全反射(Attenuated total Refraction ATR)技术。ATR 原理是现代SPR 传感器的工作基础。
2 SPR 传感系统的分类
光学SPR 传感器从结构上分,可分为4种类型:(1)棱镜耦合式SPR 传感器;(2)集成光波导SPR 传感器;(3)光纤SPR 传感器;(4)光栅耦合型SPR 传感器。从检测分析方法来分,有
(1)复色光入射,固定入射角,记录反射光谱,得到反射率随入射光波长的关系,找出共振波长172。
(2)单色光入射,改变入射角,检测反射光强度随入射角的变化情况,记录反射光强为最小时的入射角,即为共振角182。
(3)入射光波长固定,入射的共振角固定,改变电介质的浓度,记录反射光强随电介质浓度变化之间的关系192。
(4)入射光的波长和入射角均固定,检测反射光与入射光之间的相位差1102。
2.1 棱镜耦合式SPR 传感器
棱镜耦合式SPR 传感器有两种基本的结构,如图2所示。图2(a)为Otto 研制和采用的结构,称为Otto 结构,图2(b)为Kretsch mann 研制和采用的结构,称为Kretschmann 结构。在Otto 结构中,调整棱镜和金属膜之间的间隔d,或Kretschmann 结构中,调整光在棱镜底部的入射角,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 结构中,棱镜和金属膜之间留有间隙,待测物样品置入间隙内,这种结构的使用过程不方便,人们现在已很少采用.而对于Kretsch mann 结构,它是在棱镜的底部镀上一层银膜或金膜,棱镜的形状一般有两种,直角棱镜或半球形棱镜,在镀金属膜的底边固定上一个样品池,样品池的进出口,以使被测样品(如气体等)在样品池内流动。入射光在棱镜底部发生衰减全反射,通过调节得到共振入射角或共振波长,测量角度或波长与被测样品浓度之间的关系,可对
环境气体的浓度进行检测。
图2 SPR 的棱镜耦合结构 图2c 棱镜耦合式SPR 传感器
最近,Boozer C 等人提出一种新型的棱镜耦合式SPR 传感器1112
,它是一种能消除温度环境变化或折射率变化而导致测量结果受影响的SPR 传感器。其耦合部分的结构如图3所示,先在棱镜底边上镀上一层2nm 厚的铬层,在铬层上再镀上50nm 厚的金膜,金膜的一半镀上18nm 厚的五氧化二钽,另一半制上聚乙烯氧化物)生物素)硫醇组合膜,在五氧化二钽的一侧制上聚乙烯氧化物和硅烷,其相当于一个参考信道,当环境温度变化或衬底折射率变化时,对测量结果进行补偿。胡建东等人提出一种新型的棱镜耦合式金/钯复合膜氢敏SPR 传感器1122,它是先在棱镜底边镀上2n m 厚的金膜,而后再镀上20nm 厚的钯膜,数值模拟的结果表明,复合膜对氢气的测量灵敏度比单层钯膜的测量灵敏度提高了50%,同时器件的稳定性也得到较大的提高,同时各层膜的
厚度都是经过数值优化的结果。
2.2 集成光波型SPR 传感器
集成光波导SPR 传感器是在玻璃衬底(或其它光波导材料)上,采用离子交换技术制成光波导,在光波导上先镀上一层厚为2nm 厚的铬膜,然后再依次镀Au 膜和Ta 2O 5,厚度分别为60n m 和20nm 。结构如图3a 所示。工作时,输入光源一般为宽带光源,当宽带光源输入时,如果导模的相速度与等离子体传播的相速度相等时,传输光将在多层膜中激励起SPW,输出光中某个波长的光发生最大的衰减。SPW 波的传播常数除了与多层膜的厚度、复折射率有关外,还与被测样品的折射率有关,因此,通过测量输出光谱的变化,可探测出样品的特性(如浓度等)。这种集成光波导SPR 传感器特别适合于液体样品的浓度测量。由于采用了光波导,同时宽带光源是通过光纤耦合进入光波导的,因此测量的准确度还受到光波导与光纤耦合效率等因素的影响,因此应尽可能提高光波导的耦合效率。
图3a 集成光波导SPR 传感器 图3b 光纤SPR 传感器原理图
2.3 光纤SPR 传感器
光纤SPR 传感器有两种结构类型;一种是传感位置在光纤的中部;另一种结构是传感位置在光纤的端面。第一种结构检测的是传输光的光强,第二种结构检测的是反射光的光强。第二种较少使用,我们这里只介绍第一种的结构。结构如图3b 所示。
把一小段光纤进行纤芯裸露,在纤芯上用真空蒸发制一层Ag 膜或Au 膜,膜的厚度约50nm 左右,光纤可用单模光纤,也可用多模光纤,但多模光纤由于模间的干扰使得导模和SPR 之间的相互作用难于确定,故大多数采用单模光纤,这样便形成了光纤SPR 传感器。Slavik 等192人把单模光纤进行微弯后,光纤裸露,依次镀上Au 膜和Ta 2O 5。当SPW 的波矢量等于某个波长的波矢量时,便激起SPW,而SPW 的传播常数是与传感器相接触的被测样品的折射率有关的,因此,被测样品可以通过测量某一波长的传输光强的变化来确定,当然也可以通过测量光强最大衰减波长的变化来确定。2.4 光栅型SPR 传感器
光栅型SPR 传感器是在金属层与介质层构成周期性变化的光栅曲面,当入射光入射到光栅表面上时,光栅便发生衍射,当某一阶的衍射波矢等于SPW 的波矢时,二者发生共振,发生SPR 现象。对应的衍射阶光强度便大幅度下降,所以光栅SPR 型传感器也可以通过检测某阶衍射光强的变化来确定被测样品的特性。
光栅SPR 传感器与棱镜SPR 传感器相比,灵敏度较低,同时数学模型的建立和理论分析也较复杂,被测样品要求是对光透明的,光栅的制作也比较困难,这些缺点限制了光栅SPR 传感系统的使用。
3 SPR 光学传感器的应用
当某个物理量发生变化时,如湿度的变化,如果能导致敏感膜的折射率变化,那么可以用这光学SPR 传感器测量共振波长或共振角与湿度的关系,这便是湿度SPR 光学传感检测系统。另外还基于这个特征的有温度和盐度SPR 传感器。如果某些化学物质,被敏感膜吸附,吸收以致于敏感膜与物
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质发生化学反应,导致敏感膜的折射率变化,可利用光学SPR传感器检测共振角或共振波长与待测物质的浓度或成分之间的关系。例如检测酒精、醛酶等化学物质的浓度113,142。又如用钯膜、或金/钯复合膜作为敏感膜,利用SPR 传感器测量共振角或共振波长与氢气浓度的关系1122。SPR 传感器还可用于检测生物分子间的相互结合作用,或用来检测特定生物分子的识别和浓度的测定。Boozer等1112人用自研制和改进的棱镜耦合式SPR传感器检测牛血清中的白蛋白溶液的单克隆抗体,检测到的最低质量浓度为1L g/L。如Dos talek等1152人用集成光波导SPR传感器测量牛血清蛋白质溶液中单克隆抗体的浓度,在1ml的1%牛血清白蛋白溶液中可探测到2ng的单克隆抗体,其分辨率为1.2@10-6RIU,灵敏度为6000nm/RIU。Slavik等192人用光纤SPR传感器实验的结果表明:在静态条件下,可检测出溶液中免疫球蛋白抗体中的最小质量浓度为90L g/L,传感器灵敏度为3100n m/ RIU,分辨率为3@10-5R1U,Lin等172人在去光纤包层的纤芯表面镀上一层Ag膜,再用溶胶-凝胶法在其表面制作长链硫醇膜和ZrO2膜,用以检测兔子的免疫球蛋白的抗原,检测的最小质量浓度为0.2mg/L。Zhao Yong等1162人用光纤传感器测量盐溶液的盐度和温度,当温度在2~3e时,发现盐溶液的折射率随温度的变化为5@10-5RIU/e,当温度在20e 附近变化时,其折射率变化变为1@10-4R1U/e,可见,温度对测量的影响较大。近年来,SPR生物传感器的生物技术应用还可用来进行蛋白质与蛋白质之间,或蛋白质与DNA之间的相互作用的检测、蛋白质结构变化的检测,抗瘤蛋白质APC生物化学的检测,而这些内容的研究用传统的方法,如酵母双杂交系统、蛋白质微阵列等技术显得束手无策。Rob-bio等1172人将脂蛋白B100固定在SPR传感器芯片上,依次注入不同的单克隆抗体,由于不同的单克隆抗体与脂蛋白B100相互作用的能力不同,所以可以精确监定脂蛋白上的不同结构域,另外当某种蛋白质中单个氨基酸发生改变,此蛋白与其它分子间结合也发生改变,由此可在蛋白水平上进行多态的筛选。Werawatgoompa等1182人采用SPR技术对人体内铁蛋白的含量进行了实时监测,他们将兔抗人铁蛋白抗血清固定在传感器芯片,当铁蛋白与抗体特异性结合引起共振角的改变,从而实现实时监测,应用该方法检测的浓度范围为25~ 800ng/mL。由于光学SPR传感系统具有许多传统的传感系统无法具有的独特的优点,因而在生物分子的相互作用、环境检测、医学诊断和食品安全等领域得到广泛的应用,但SPR传感系统也有其自身的缺点,如共振波长或共振角的漂移,测量过程受环境温度的影响,另一方面,在制作敏感层时,如果太薄,灵敏度可高,但测量的动态范围较小,不利于对样品浓度变化幅度范围大的测量,则测量易于发生饱和,如果敏感层太厚,有利于提高测量的动态范围,但测量的灵敏度会发生降低,因此在制作敏感层时,必须考虑膜的厚度问题。
4结束语
光学SPR传感技术由于其具有独特的技术优势,在近几十年来得到快速的发展。目前国际上已经出现了商品化的SPR传感器,并且将其应用于生物学的研究。我国对SPR传感器的研究也非常的重视,并且也进行了深入的研究。但目前商品化的SPR传感器系统也仅限于科学的研究和实验室中的研究,为使SPR传感系统突破这种局限,达到普及使用,未来的SPR光学传感系统应朝以下几个方面发展:
(1)进一步提高检测的准确度:现在的SPR传感器能检测到在mm2上所具有的生物质量可达1p g,这对于低质量浓度和小分子物质浓度的物质是检测不到的,因此,必须进一步提高SPR传感器检测的灵敏度,提高测量的分辨率。
(2)开拓多信道的SPR光学传感器:采用多信道传感系统,与多信道的电子采集和显示系统相配合,提高多路信道的输出,以扩大传感的功能。
(3)器件小型化和阵列化:SPR光学传感器如果能够实现小型化和阵列化,可大幅度的提高器件工作的稳定性,减少样品检测的使用量,同时也易于实现多信道的采集检测。如果SPR传感系统与阵列波导相配合,那将会大幅度提高SPR传感系统的性能,SPR传感系统将在未来的检测中发挥重要的作用。
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