表面等离子体共振生物传感器的研究现状

表面等离子体共振生物传感器的研究现状一、引言表面等离子共振技术（surfaceplasmonresonancetechnology,SPR）是20世纪90年代发展起来的一种生物分子检测技术，是基于SPR检测生物传感芯片（biosensorchip）上配位体与分析物作用的一种前沿技术，在20世纪初，Wood观测到连续光谱的偏振光照射金属光栅时出现了反常的衍射现象，并且对这种现象进行了公开描述。1941年，Fano用金属与空气界面的表面电磁波激发模型对这一现象给出了解释。1957年，Ritchie发现，当电子穿过金属薄片时存在数量消失峰。他将这种消失峰称之为“能量降低的”等离子模式，并指出了这种模式和薄膜边界的关系，第一次提出了用于描述金属内部电子密度纵向波动的“金属等离子体”的概念。2年后，Powell和Swan用实验证实了Ritche的理论。随后，Stem和Farrell给出了这种等离子体模式的共振条件，并将其称为“表面等离子共振技术（surfaceplasmonresonance,SPR）”。1968年，Otto和Kretschmann等人研究了金属和介质界面用光学方式激发SPR的问题。并分别设计了两种棱镜耦合方式。此后，SPR技术获得了长足的发展。1990年，国际上第一台商业生产的生物传感器在瑞典的Biocore公司诞生。实践证明，SPR传感器与传统检测手段比较，具有无需对样品进行标记，实时监测，灵敏度高等突出优点。所以，在医学诊断，生物监测，生物技术，药品研制和食品安全检测等领域有广阔的应用前景。二、生物传感器的基本原理SPR是一种物理光学现象。表面等离子体（SP）是沿着金属和电介质间的界面传播的电磁波形成的,形成SPR的必要条件之一是金属与电介质界面的存在。当平行表面的偏振光以称之为表面等离子角的入射角照在界面上发生全反射时,入射光被祸合入表面等离子体内,在这个角度由于表面等离子体谐振将引起界面反射率显著减少。SPR对附着在金属表面的电介质的折射率非常敏感,而折射率是所有材料的固有特征。因此,任何附着在金属表面上的电介质均可被检测,不同电介质其表面等离子角不同。而同一种材料,附着在金属表面的量不同,则SPR的响应强度不同。根据上述原理,SPR生物传感器通常将已知的生物分子（如单键DNA分子）固定在几十纳米厚的金属（金、银等）膜表面,加入与其互补的目标生物分子（如目标DNA）,两者结合（杂交）将使金属膜与溶液界面的折射率上升,从而导致谐振角改变,如果固定入射角度,就能根据谐振角的改变程度对互补的目标生物分子进行定量检测。整个传感过程包括：（1）生物分子的相互作用（藕联）（2）敏感层电介质变化（介电常数折射率改变）（3）传感器电磁场变化（反射光波衰减波）（4）光电信号检测（5）信号的连续检测与分析。三、表面等离子体共振技术的一些新应用（1）SPR应用于近场扫描光学显微技术Fischer等人最早将SPR技术应用于近场扫描光学显微技术(near—fieldscanningopticalmicroscopeNSOM）．当时使用的微探针为附着在棱镜表面的聚苯乙烯颗粒．棱镜内全反射的光与镀在棱镜表面和聚苯乙烯颗粒上的金膜产生共振．样品是显微镜的物镜，一方面，可用显微镜来观察和选择聚苯乙烯颗粒，另一方面，物镜的弧度有利于探针和样品的相互接近．实验显示共振的SPW极大地增强了近场光学显微镜的信噪比．随着NSOM的发展，光纤微探针成为主流．Marti等人首先使用Kretschmann配置中的镀膜棱镜作为样品，取得同样的效果。此外，SPR技术用于研制高分辨率近场光学显微镜．由于NSOM的光纤微探针尖端无法做得很细，因此分辨率只能达到十几纳米，不能象STM和AFM那样达到原子级分辨率．后来研制出几种高分辨率的NSOM．其中一种基于SPR技术的近场光学显微镜的分辨率可直接达到原子水平．SPW在金属表面传播时，遇到杂质、缺陷等将会发生散射，此处共振的SPW作圆锥辐射，圆锥顶角与入射角相同．若AFM的实心针尖在金属表面扫描，将作为一个散射中心，辐射出的圆锥形光携带针尖处的信息．由于圆锥辐射光比较微弱，一般用一个锁相放大器以一定频率驱动微悬臂，并检测光电转换器件的输出信号中的同频成分．上述应用SPR技术的近场光学显微镜已经在物理、化学、生物、医学等方面的高分辨率成像得到广泛的应用．值得一提的是，除此基本用途以外，还在以下几方面有着特殊的用途．Bozhvolyi等人将其应用于内表面成像技术．对多层金属薄膜而言，近场区域内的光纤探针检测到的是金属膜内外表面SPW的叠加，通过与剪切力模式得到的表面形貌像综合比较，可以在一定程度上推断内表面形貌。应用SPR技术的近场光学显微镜也提供了一种直接研究SPW散射的手段．Smolyaninov等人将246nm的短脉冲准分子激光从光纤微探针的自由端输入，从针尖输出，输出时将聚焦产生局部高温，将平整的样品表面烧出纳米尺度的缺陷．使用的针尖不镀膜，一方面可以减小对SPW的干扰，另一方面便于短脉冲激光的输出．在烧出的纳米缺陷区域附近激发SPW，同时可利用NSOM成像观测SPW在缺陷附近的散射及其散射后在金属膜表面的传播性质．此方面研究有助于提供一种控制SPW传播的方法，即在金属膜表面烧出点、线等结构，使SPW随制作出的结构改变传播方式．SPR技术还被应用于近场光刻中。其照明方式有两种：P偏振的光照射探针一样品间隙和照射样品一棱镜界面．金属探针进入光场时，P偏振光激发探针表面等离子体共振，使得金属探针的场增强效应比电介质材料的探针强．HaefligerD等人结合SPR技术利用原子力显微镜在Al膜上获得了直径为40nm的记录斑．用532nm的P偏振光照射样品一棱镜界面，通过反射率和透射率随入射角的变化曲线，获得了探针参与下的最佳人射角．（2）薄膜光学和膜厚测量在Kretschmann型SPR配置中的金属膜上覆盖待测薄膜，依据测得的ATR曲线，可以用双层膜Fresnel公式拟合计算待测薄膜的光学参数和膜厚．相对于椭圆偏振仪而言，SPR配置更适合于测量纳米厚度的薄膜，而且可以测量不透光的薄膜．崔大付等人在金属膜表面铺置不同层数的单分子层LB膜，通过测量共振角的变化，得到不同层数的介电常数。王炳奎等人使用银膜一液晶薄膜一导电玻璃三夹板结构，其中银膜镀在棱镜表面，作为在Kretschmann型SPR配置中的金属膜，这样可通过银膜和导电玻璃向液晶(向列相液晶5CB和8CB)施加不同的电压．通过测量和计算，可以得出不同电压下液晶薄膜的厚度和介电常数，并借以推断不同电压下液晶分子的排列方式．YoshiakiTokunaga等人实验测得表面等离子体共振时反射率的最小值Rmin随金属膜厚度dspr的变化曲线，并利用这一曲线得出了Rmin与dspr之间关系的经验公式：其中D，E，与入射光波长、金属模材料和棱镜材料等实验参量有关．对于银膜，入射光波长为632．8nm，D，E，F的取值分别为49．61，1120，0．03由于激光光束是高斯光束，并非平面波，而且对于不同厚度的金属膜，实验所得的表面等离子体的共振曲线与理论计算所得的曲线有偏差，因此上述公式并不能准确地计算出金属膜的厚度．用ART的方法测得的膜厚略小于Talystep(表面粗测f)的结果d，引入修正参量G，H得到d=Gdspr+H，G，H对于不同材料的金属膜有不同的取值．这一公式适用于膜厚在30—70nm范围内金属膜的厚度估算．WenbinLin等人将镀金膜的光纤放人折射率不同的水溶液中，利用投射光强随入射角变化的曲线求得金膜的厚度和折射率．与其他膜厚测量方法相比，利用SPR技术的测量方法具有灵敏度高、分辨率高等优点，特别适合纳米量级的膜厚测量．（3）全息成像技术大阪大学的ShojiMaruo等人开发出一种新型全息成像技术．底片为玻璃基底银膜一光刻胶三夹板结构，其中银膜厚度35nm，光刻胶厚度65nm．记录光路使用0．9mw的氦镉激光．曝光时间为25s．暗室显影后，将底片置于成像光路中成像．成像光路如图5(b)所示，主体结构是Kretschmann型SPR配置．银膜表面共振的SPW被全息照片上的刻痕散射并辐射光，从而产生全息虚像．这种新型全息摄影技术的优点是：成像时不存在照明光的零级散射干扰；记录时的人射角和成像时的人射角无关．Wang等人在金属膜与光刻胶之间加了一层聚乙烯膜(PMMA)，这层PMMA的折射率位1．5，厚度位895nm，作为波导层．当以P偏振的光人射到棱镜与银膜的界面时，在银膜中会产生表面等离子体波．同时人射光在电：介质波导层中激发出波导模式，表面等离子体使得波导模式中的电场分量增强．当改变人射角时，反射率发生突变处反映了波导层与全息图界面处电场强度和分布的变化．在记录光路中，：源为14mw的He—Cd激光器，信号光几乎垂直入射到记录底片上，参考光与信号光成55°角．银膜的厚度为48nm．再现光束以76．36°，60．17°，44．94°(对应波导层中的3个模式TM0，TM1，TM2)射人时，观察到了再现图像．对于TM1模，再现图像的对比度可达32％．关于此技术的进一步发展有个有趣的构想，即使用平面波导代替棱镜作为耦合器件．这样，将产生卡式或挂壁式全息成像仪器．（4）表面等离子体Q开关受抑全内反射Q开关由两个相对的棱镜组成，快速改变两棱镜问的间隙，可以抑制全内反射，从而改变激光腔内的损耗．但是Q开关只有当两棱镜的间距为0．1个激光波长时，方能充分闭合．而这个间距在实际应用中，较难达到，所以调制深度不高．清华大学郭继华等人用SPR技术改进激光技术中的受抑全内反射Q开关，采用Otto型结构，用一一个棱镜作反射面，另一个棱镜上镀一层高反射率金属膜．反射率与人射角0、空气间隙d以及人射波长入有关．对于波长为1064nm的红外光，其反射率最小值出现在间隙为1—2um的范围内．例如：对于Ag膜，以44．23°人射时，在d=1．87um处反射率取得最小值，可达10-4量级．因此两棱镜无需靠得很近，就可以获得较高的调制深度．这一技术弥补了普通受抑全内反射Q开关不适用于短波长激光器的缺点．而且表面等离子体Q开关更容易调节两个棱镜之间的初始距离．郭继华等人还研究了表面等离子体Q开关在压电陶瓷驱动下的动态特性曲线，所得动态曲线与普通受抑全内反射Q开关的同类曲线相似．采用Otto型结构是为了防止激光直接照射到金属表面，造成激光损伤．但是如果激光谐振腔内的功率密度过大也有可能对金属膜造成损伤．因此这一技术比较适用于二极管抽运的中、小功率全固化激光器．由于只有P偏振的光才可以激发表面等离子体，因此，与普通受抑全内反射Q开光相比，表面等离子体Q开关的谐振腔内要放置一个偏振片。（5）精密角度测量SPR对入射角的敏感特性，可用于制作精密角度测量仪器．棱镜放在旋转台上，通过转动旋转台调节人射角．用棱镜的直角边作为表面等离子体波的激发面，这样还可以保证在人射角变化的时候出射光与人射光始终平行．激光器发出的光经偏振片P变为线偏振光，旋转偏振片可以调节P分量和S分量的比例．人射光在棱镜一金膜界面上发生衰减全内反射，P分量和s分量反射时既有强度变化，又有相位变化．只有P波才可以激发表面等离子体波，S波不可以激发表面等离子体波．由于共振激发表面等离子体波时的入射角大于全内反射角．所以S波反射率约为1，其相位变化在此条件下也近似是一个常数．而P波的反射率和相位特性则是入射角的函数．当选转台发生微小角度变化时，S分量与P分量相位差发生改变变化，且对角度非常敏感．如果调节旋转台，使得S分量与P分量的相位变化的差为π／2或-／2π，则反射光经1／4波片后，便呈线偏光，调节检偏器的透射方向，使探测光强的为零，这时的入射角即是角度测量仪器的工作点．当入射角发生微小变化时，反射光s分量与P分量相位差发生改变，经1／4波片和偏振偏后，探测器所探测到的光强随之变化，从而实现角度的精确测量．压电陶瓷受激振动，使固定于压电陶瓷管的反射镜为光路引入频率为ω的交流信号，此交流信号被锁相放大器检测，起到消除噪声实现精密测量的目的。