SiO₂介孔薄膜修飾的紅外表面等離子體共振傳感器在波長測(cè)量模式下的特性研究

摘 要 分別利用射頻濺射法和溶膠凝膠模板法， 在玻璃基板上制備45 nm厚的金膜和45 nm厚的SiO2介孔薄膜，用作表面等離子體共振（SPR）芯片，然后基于Kretschmann結(jié)構(gòu)和共振波長測(cè)量模式構(gòu)建了近紅外SPR傳感器。實(shí)驗(yàn)表明，在寬帶平行光入射條件下，隨著入射角度（θ）的減小，共振波長（λR）紅移，折射率靈敏度（S＝λR/n）迅速提高。在θ＝8°時(shí)測(cè)得的折射率靈敏度為24241 nm/RIU，是θ＝15°所對(duì)應(yīng)的靈敏度（2524.2 nm/RIU）的9.6倍。與常規(guī)的裸金SPR傳感器相比，在相同的共振波長下， SiO2介孔薄膜修飾層使得SPR共振吸收峰明顯變窄，光譜分辨率升高。低濃度溶菌酶水溶液在θ＝10°時(shí)測(cè)得的SPR近紅外共振波長隨溶菌酶濃度增大而線性紅移，其斜率為

1 引 言

由于具備結(jié)構(gòu)簡單、制作容易、操作方便及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，基于衰減全反射（Attenuated total reflection， ATR）測(cè)量技術(shù)的光學(xué)傳感器件在近20年來得到了快速發(fā)展。其中，表面等離子體共振（Surface plasmon resonance，SPR）傳感器作為一種典型的ATR器件，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床診斷、新藥開發(fā)、藥效機(jī)理分析、基礎(chǔ)生物研究等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用\\。商品化的SPR傳感器多采用裸金芯片在單波長入射時(shí)的角度探測(cè)模式，存在靈敏度有限，且不能直接檢測(cè)小分子（分子量＜200 Da）的缺點(diǎn)\\。而許多有毒有害物質(zhì)，如殺蟲劑、揮發(fā)性有機(jī)化合物、重金屬離子等，均為小分子物質(zhì)\\。因此，對(duì)傳統(tǒng)SPR傳感器的優(yōu)化改進(jìn)具有重要意義。 

波長調(diào)制模式的SPR傳感器操作簡單，靈敏度隨著共振波長紅移而增大\\。與傳統(tǒng)的可見光區(qū)域SPR傳感器相比，近紅外SPR傳感器具有靈敏度高，探測(cè)深度大等優(yōu)點(diǎn)，且多采用結(jié)構(gòu)較簡單的裸金芯片\\。通常，在裸金SPR傳感器表面發(fā)生的非專一性分子吸附均為單分子層，消逝場(chǎng)與靶標(biāo)分子的相互作用小，靈敏度低。為了增大消逝場(chǎng)與靶標(biāo)分子的相互作用，在金膜表面制備介孔薄膜，利用它比表面積大的特性增加生化分子吸附數(shù)量，加大與消逝場(chǎng)的相互作用，使靈敏度提高， 探測(cè)極限降低\\。目前，TiO2， Al2O3， PMMA和多孔Si等介孔材料用于優(yōu)化ATR傳感器已有報(bào)道\\。與其它多孔材料相比，溶膠凝膠分子模板法制備的SiO2介孔薄膜具有制作簡單、透明度高、熱穩(wěn)定性好、比表面積大、孔徑一致、孔分布均勻等優(yōu)點(diǎn)\\。本研究將SiO2介孔薄膜覆蓋的SPR傳感芯片用于近紅外光譜區(qū)域的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，該傳感器對(duì)折射率和分子離子吸附的檢測(cè)靈敏度均有提高，且半峰寬較相同共振波長下裸金SPR顯著變窄，使共振波長識(shí)別更加精確。這對(duì)SPR傳感器在食品安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

LS1鹵鎢燈（美國Ocean Optics 公司）；AQ6370B近紅外光譜分析儀（日本Yokogawa公司），HR4000可見光波段光譜分析儀（美國Ocean Optics 公司）；玻璃片（厚度為1 mm， 633 nm波長處折射率為1.522， 日本Matsunamia株式會(huì)社）；45°/45°/90°玻璃棱鏡 （北京北東光電自動(dòng)化開發(fā)公司，633 nm波長處折射率為1.799）；透鏡、線性偏振片（北京大恒光電技術(shù)公司），多模石英光纖（浙江雷疇科技有限公司）；箱式馬弗爐（合肥科晶材料技術(shù)有限公司）；SolGel拉膜儀（自制）；數(shù)字阿貝折射儀（上海光學(xué)儀器研究所）。

尿素（（NH2）2CO，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；二水合氯化銅（CuCl2·H2O，分析純，西隴化工股份有限公司）；溶菌酶（Lysozyme， Lyz，分子量14.3 kDa，美國Sigma公司）；細(xì)胞色素C （Cytochrome C，Cyt C，分子量12.3 kDa，美國Sigma公司）；正硅酸四乙酯（Tetraethylorthosilicate， TEOS，分子量208.33 Da，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；有機(jī)聚合物（Poly（ethylene glycol）blockpoly（propylene glycol）blockpoly（ethylene glycol）， P123，分子量5800 Da，美國Aldrich公司），無水乙醇、HCl （分析純，北京化工廠）。實(shí)驗(yàn)用水為去離子水（MilliQ純凈水機(jī)制備）。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.2.1 SiO2介孔薄膜修飾的SPR芯片制備 在干凈的玻璃基底上依次濺射3 nm Cr和45 nm Au，然后置于SiO2膠體溶液（TEOS∶P123∶H2O∶HCl∶EtOH＝1∶0.014∶15∶0.16∶39， 按照藥品摩爾比配制）中\\，用浸漬提拉法在金膜表面制備一層SiO2膠體薄膜，提拉速度為30 cm/min。浸漬過的玻璃片在室溫下靜置干燥后放入馬弗爐中，在120 min內(nèi)，從室溫加熱到450 ℃，并保持240 min，使得薄膜內(nèi)部的P123造孔劑經(jīng)高溫氧化分解被徹底去除；然后經(jīng)過120 min勻速降溫至100 ℃；最后自然冷卻至室溫，得到SiO2介孔薄膜。利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)所制SiO2薄膜樣品的表面和橫斷面進(jìn)行分析。結(jié)果表明，薄膜表面較為粗糙（見圖1），厚度約為45 nm。 圖1 由SEM觀測(cè)到的SiO2介孔薄膜樣品的表面形貌

2.2.2 實(shí)驗(yàn)裝置搭建 如圖2所示，將制備好的芯片緊夾在棱鏡與樣品槽之間（樣品槽未顯示），并使芯片背面緊貼棱鏡底面而SiO2薄膜暴露于樣品槽內(nèi)。鹵鎢燈發(fā)出的可見至紅外波段的連續(xù)光譜穿過多模石英光纖、聚焦透鏡和線性偏振片后，成為p偏振的平行光束。該入射光束在玻璃基底與金膜界面發(fā)生全反射。當(dāng)入射光沿x軸方向波矢分量與金/介質(zhì)表面等離子波的波矢一致時(shí)，能量耦合，發(fā)生表面等離子體共振。對(duì)接收到的反射光束進(jìn)行光譜分析，由于表面等離子體共振的發(fā)生，會(huì)在反射光譜中某一波段呈現(xiàn)出一個(gè)波谷。由于表面等離子波對(duì)周圍環(huán)境介質(zhì)敏感，外界溶液濃度的改變或由于分子吸附導(dǎo)致折射率的改變均會(huì)引起波谷位置移動(dòng)。通過監(jiān)測(cè)反射光譜中波谷位置的變化達(dá)到傳感的目的。

圖2 SiO2介孔薄膜修飾的紅外波長調(diào)制SPR傳感器裝置示意圖

Fig．2 Schematic diagram of wavelengthinterrogated infrared surface plasmon resonance sensor modified with SiO2 mesoporous thin film

2.2.3 實(shí)驗(yàn)方法 折射率靈敏度測(cè)試中使用的測(cè)試樣品為9種不同濃度的尿素溶液，其質(zhì)量百分比濃度依次為0，0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，3.0%，3.5%和4.0%。在室溫（23.5 ℃）下，由阿貝折射儀測(cè)得的溶液的相應(yīng)折射率分別為1.3334，1.3341，1.3348，1.3355，1.3363，1.337，1.3377，1.3384和1.3391，這與文獻(xiàn)\\報(bào)道的數(shù)值基本相同。