表面等離子體共振生物傳感器綜述

施玉佳 王凱（江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院 江西贛州 341000）

表面等離子體共振生物傳感器綜述

施玉佳 王凱（江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院 江西贛州 341000）

表面等離子體共振（surface plasmon resonance,SPR）生物傳感器，是一種基于金屬薄膜和電介質(zhì)分界面處的表面等離子體共振現(xiàn)象的光學(xué)檢測系統(tǒng)，它的主要特點(diǎn)是方便、快捷、無需標(biāo)記，并且可以用于實(shí)時(shí)和非破壞性檢測，具有非常高的選擇性，作為檢測、分析生物分子相互作用的工具廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、藥學(xué)研究、食品安全及環(huán)境檢測等領(lǐng)域。

表面等離子體；光學(xué)；傳感器

一、引言

1902年Wood首次發(fā)現(xiàn)了SPR現(xiàn)象。1941年Fano利用金屬和空氣界面上表面電磁波的激發(fā)原理解釋了這一現(xiàn)象。1958年Turbader對金屬薄膜采用光的全反射激勵(lì)觀察SPR現(xiàn)象。1971年Kretschmann研究了Kretschmann結(jié)構(gòu)，給SPR傳感器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1983年Linkoping利用SPR來檢測IgG蛋白質(zhì)與其抗原的相互反應(yīng)，并由Biacore AB公司開發(fā)出SPR儀器[1,2,3]。從此SPR儀器和SPR生物傳感器的研究全面展開并不斷深入。

二、表面等離子體共振原理

光從光密介質(zhì)照向光疏介質(zhì)發(fā)生全反射的條件是讓入射角大于臨界角，但是全反射并不是把所有的光能量進(jìn)行反射，而是有部分能量滲透到光疏介質(zhì)中去，這就是消失波，消失波的深度一般為100～200nm，這種滲透到光疏介質(zhì)中的能量形成的電場的電場強(qiáng)度和滲透深度是呈指數(shù)衰減的關(guān)系。如果以一般的玻璃作為光疏介質(zhì)，把具有高反射率的金屬作為光密介質(zhì)鍍在光疏介質(zhì)上，控制鍍層厚度在50nm以內(nèi)，那么全反射產(chǎn)生的消失波將透過金屬薄膜的厚度，和金屬與溶液的界面產(chǎn)生作用，這種作用是能量耦合，但滿足一定條件時(shí)，消失波和等離子體波產(chǎn)生共振，此時(shí)入射光能量會(huì)轉(zhuǎn)移到等離子體波內(nèi)，使得入射光強(qiáng)度（能量）急劇下降，通過光學(xué)檢測儀器可以檢測到這一現(xiàn)象。

三、表面等離子體共振傳感器

1.棱鏡型表面等離子體共振傳感器

棱鏡型表面等離子體共振傳感器有Outto和Kretschmann兩種，是用棱鏡結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生衰減全反射。Kretschmann型主要用在SPR生物傳感器，其原理是將具有高反射率的金屬薄膜（50nm）鍍在棱鏡的一面作為底部，待測溶液與該面接觸，讓入射光通過棱鏡照射到金屬薄膜上，其產(chǎn)生的消失波將與界面等離子體產(chǎn)生共振，即產(chǎn)生了SPR現(xiàn)象。

2.光纖型表面等離子體共振傳感器

Jorgenson[5]等人提出了在線傳輸式和終端反射式兩種光纖SPR傳感裝置。在線傳輸式在工藝上剝?nèi)ス饫w在的一小段包層，然后沉積一層具有高反射率的金屬薄膜。在能夠保證光纖發(fā)生全反射的角度范圍內(nèi)，光纖纖芯和包層的界面產(chǎn)生消失波，消失波電場將光能耦合到包層中的表面等離子體，滿足一定條件，耦合進(jìn)去的光能越大（共振），可以在光纖出口處檢測光強(qiáng)損耗或者進(jìn)行光的波長分布，可用于定量分析。終端反射式傳感器是在光纖的一端面上沉積一層金屬膜制成微反射鏡，其厚度可達(dá)300nm。再在該光纖的這一端剝?nèi)?毫米長的包層，并鍍上具有高反射率的金屬薄膜，一般也是在50nm以內(nèi)。光纖在光纖中進(jìn)行全反射傳輸，滿足共振條件時(shí)同樣會(huì)會(huì)產(chǎn)生SPR現(xiàn)象，而且共振光傳輸?shù)蕉嗣婧蠓瓷?，在回路時(shí)再次產(chǎn)生共振，傳輸?shù)焦饫w光譜儀進(jìn)行檢測，效果更佳。

3.光柵型表面等離子體共振傳感器

Tiefenthaler等人在1987年提出采用衍射光柵作為光波耦合元件來制作SPR生物傳感器，Homola等人又將衍射光柵耦合法和棱鏡耦合法進(jìn)行了分析和比較。發(fā)現(xiàn)把波長作為變量時(shí)棱鏡耦合法高于衍射光柵偶合法的靈敏度；把角度作為變量時(shí)棱鏡耦合法與平面衍射光柵耦合法靈敏度相當(dāng)；如果想獲得更高的信噪比，可采用曲面衍射光柵耦合法，同時(shí)也提高了靈敏度，但是光柵型的表面等離子體共振傳感器的光柵在制作難度系數(shù)較高。Nikitin PI等人[6]在1997年提出的衍射型SPR生物傳感器，在物理結(jié)構(gòu)上采用了肖特基結(jié)構(gòu)，該傳感器是利用精密的微電子加工技術(shù)在硅片上鍍上一層40nm金屬膜，此厚度在工藝上要求較為苛刻，將SPR現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（一般為電壓）再輸出，通過光譜分析儀器可得到電壓-角度曲線和拉曼譜線，可用于反應(yīng)機(jī)理和過程分析。

四、表面等離子體共振傳感器前景

SPR生物傳感器經(jīng)過近20年的發(fā)展，不斷地在尋求新材料，新技術(shù)來提供其實(shí)用性，而納米技術(shù)的發(fā)展為SPR生物傳感器提供了新思路，同時(shí)SPR生物傳感器也為納米材料開辟了新領(lǐng)域，納米材料制成的SPR生物傳感器可以使響應(yīng)信號(hào)得到很大程度上的提高，從而提供了其檢測靈敏度，但是同時(shí)也帶來了新的問題，比如說納米粒子團(tuán)聚，非特異性吸附等。因此，納米材料在SPR生物傳感器中的應(yīng)用研究可能有如下趨勢：1.從尺寸和外貌去研究納米材料的生物功能，化學(xué)反應(yīng)，開發(fā)出更適合用于SPR生物傳感器的納米材料；2.物理尺寸更小，反應(yīng)時(shí)間更短并且能夠適應(yīng)于特殊環(huán)境的SPR生物傳感器將成為關(guān)注點(diǎn)和研究熱門。

[1]Nylander C,Liedberg B,Lind T.,Gas detection by means of surface plasmon resonance, Sensors&Actuators,1982,3:79–88.

[2]Liedberg B,Nylander C,Lundstrom I.,Surface Plasmon resonance or gas detection and biosensing,Sensors&Actuators,1983,4:299–304.

[3]Stefan Lofaas,Malmqvist M,Ronnberg I et al.,Bioanalysis with surface plasmon resonance,Sensors&Actuators,1991,5:79–84.

[4]Ralph C J, Sinclair S Y, Kyle S J et al.,SPIE[J].1993,1886:35.

[5]蔡強(qiáng)、李翔、陳裕泉.基于表面等離子體共振的生物傳感器的歷史、現(xiàn)狀與前景，《國外醫(yī)學(xué)生物學(xué)工程分冊》，1999，22（2）：65-71.

[6]Nikitin PL,Beloglazov AA,Valeiko MV et al.,Silicon-based surface Plasmon resonance chemical sensors, Sensors&Actutors B, 1997,38-39:53-57.

10.19312/j.cnki.61-1499/c.2016.12.167