（测试计量技术及仪器专业论文）基于spr技术的检测装置设计与实验研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 基于表面等离子体共振( s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，s p r ) 的监测仪器具有灵敏度 高、检测速度快、样品消耗量少、无需标记生物样品等特点，能够广泛应用于化学、生 物、环境、食品、医疗、制药等领域。但是，目前国内外大部分s p r 仪器都存在结构复 杂、体积庞大、成本高等缺点，限制了其在现场监测、实时分析等方面的运用。因此， 研制小体积低成本的s p r 检测装置，必然能够推广s p r 技术在各领域的应用，产生巨 大的社会效益和经济效益。 本文在仔细分析s p r 检测仪器应用领域、现状和发展趋势以及传感原理的基础上， 自主开发了一套小型s p r 检测装置。该装置主要包括s p r 传感器、微流恒速进样系统、 信号检测与控制电路以及计算机数据分析处理软件。传感器采用宽光束入射的非扫描式 角度调制方式，简化了传统具有可动部件的角度扫描方式，简化了s p r 传感器结构，减 小了体积。微流恒速进样系统由高精度注射泵和智能多位阀组成，可满足极微量样品的 选择以及控制样品进样速度的恒定，并可进行样品、缓冲液和再生液的自动选择进样， 保证测量过程的自动完成。信号检测与控制系统和计算机数据分析处理软件为s p r 仪器 提供了强大的数据采集与分析处理功能，使其具有实用性强、操作方便等特点。 利用自行设计的小型s p r 检测装置，搭建一套基于s p r 技术的在线折射率计。对 不同浓度的葡萄糖溶液进行测量，结果表明该装置具有较好的性能，其折射率检测灵敏 度达到5 x 1 0 劬( 折射率单位) ，能够测量的葡萄糖溶液的最低浓度可达0 0 1 。 利用自行设计的小型s p r 检测装置，搭建一套基于s p r 技术的生物传感器。简要 地分析s p r 生物检测原理与检测过程，在此基础上，通过磺胺甲恶唑( s u l f a m e t h o x a z o l e ， s m x ) 抗原浓度的实验，表明该装置在生物分子相互作用方面的直接、实时在线观测的 能力。 关键词：表面等离子共振( s p r ) ，非扫描式角度调制，k r e t c h s m a n n 棱镜型，信号检测 与控制系统，微流恒速进样系统 浙江大学硕士学位论文 a bs t r a c t s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a l l c e ( s p r ) m o n i t o ri n s t r u m e n th a st h e a d v a n t a g eo f l l i g h - s e n s i t i v i t y , f a s td e t e c t i o n , l e s ss a m p l en e e d e da n dl a b e l - f r e ea n a l y s i s i tc a l lb ew i d e l y u s e di nc h e m i s t r y , b i o m e t r i c s ，e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r , f o o dd e t e c t i o n , c l i n i cd i a g n o s i s ，a n d m e d i c i n ee t c h o w e v e r , m o s ts p ri n s t n n n e n t sh a v et h ed i s a d v a n t a g eo fc o m p l e xs t r u c t u r e , h u g ep h y s i c a lv o l u m ea n dh i g hc o s t t h ed i s a d v a n t a g el i m i t si t sa p p l i c a t i o ni nf i e l dm o n i t o r a n dr e a l t i m ea n a l y s i s a sa r e s u l t , d e v e l o p i n gas m a l la n dl o w - c o s ts p rm o n i t o ri n s t r u m e n t w i l ls p r e a ds p r t e c h n i q u eu s i n gi ne a c ha r e a i tw i l lb r i n gh u g es o c i a lb e n e f i t sa n d e c o n o m i c b e n e f i t s t h i sr e s e a r c hc a r e f u l l ya n a l y s e st h ea p p l i c a t i o na r e a , d e v e l o p i n gt r e n da n ds e n s o r p r i n c i p l eo f t h es p rm o n i t o ri n s t r u m e n t w ed e v e l o p e da s e to fs m a l ls p rm o n i t o ri n s t r u m e n t i n d e p e n d e n t l y t h ei n s t r u m e n tc o n s i s t so fas p rs e n s o r , as a m p l i n gs y s t e mw i 也t i n ya n d c o n s t a n tf l o w , as i g n a ld e t e c t i o na n dc o n t r o lc i r c u i ta n da n a l y s i sp r o c e s s i n gs o f t w a r e t h e s p rs e n s o ra d o p t sn o n - s c a n n i n gm o d u l a t i o ns t r u c t u r e 而也b r o a db e a m t h i sm o d u l a t i o ni s b a s e do nt h et r a d i t i o n a ls c a n n i n gm o d u l a t i o nw i t hm o v i n gp a r t s b u ti tr e d u c e st h ep h y s i c a l v o l u m eo fs p rs e n s o r t h es a m p l i n gs y s t e mw i mt i n ya n dc o n s t a n tf l o wc o n s i s t so fh i g h p r e c i s i o np u m pa n dm u l t i - p o s i t i o nm i c r o e l e c t r i cv a l v e t h i ss y s t e mc a nc o n t r o lt h es p e e do f s a m p l ea n dc h o o s ed i f f e r e n ts a m p l e s a l lt h em e a s u r i n gp r o c e s si sa u t of i n i s h e d t h es i g n a l d e t e c t i o na n dc o n t r o lc i r c u i ta n da n a l y s i sp r o c e s s i n gs o t t 、) v a r ep r o v i d et h ef u n c t i o no fd a t a a c q u i s i t i o na n da n a l y s i sp r o c e s s i n gf o rs p ri n s t r u m e n t d e x t r o s es o l u t i o n so fd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o na r em e a s u r e db y0 1 1 1 s m a l ls p ri n s t r u m e n t t h er e s u l tp r e s e n t st h a tt h ei n s t r u m e n th a sg o o dp e r f o r m a n c e t h es e n s i t i v i t yr e a c h e s a p p r o x i m a t e l y5 x1 0 5r i u ，t h em i n i l n u mc o n c e n t r a t i o nc a nb ed e t e c t e di s0 0 1 i nt h ep a p e rw ea l s oa n a l y z et h es p rp r i n c i p l eo fb i o l o g i c a ld e t e c t i o na n dd e t e c t i o n p r o c e s sb r i e f l y s m xi sm e a s u r e db yo u rs m a l ls p ri n s t r u m e n t t h er e s u l tp r e s e n t st h a tt h e s y s t e m sp o w e r f u la b i l i t yo nd i r e c t l ym o n i t o r i n gi n t e r a c t i o n sb e t w e e nb i o m o l e e u l e s k e y w o r d s ：s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) ，n o n - s c a n n i n gm o d u l a t i o n , k r e t c h s m a n np r i s m s t r u c t u r e ，s i g n a ld e t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e m ，s a m p l i n gs y s t e m 、撕t ht i n ya n dc o n s t a n tf l o w i l 浙江大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 表面等离子共振( 简称s p r ) 传感技术是近二十年来国际上迅速发展起来的一种新 型光电检测技术，具有高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰性能好等特点，适用于微量、 痕量物质的检测，在化学、生物、环境、食品分析、医疗及制药等领域得到了越来越广 泛的应用。 表面等离子共振是一种物理光学现象，由入射光波和金属导体表面的自由电子相互 作用而产生。光线从光密介质照射到光疏介质时，在入射角大于某个特定的角度( 临界 角) 时，会发生全反射( t o t a li n t e r n a lr e f l e c t e d ，t 瓜) 现象。如果在两种介质界面之间 存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的倏逝波( e v a n e s c e n tw a v e ) 的p 偏振分 量( p 波) 将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜 表面传播的表面等离子体波( s u r f a c ep l a s m o nw a v e ，简称s p w ) 。当入射光的角度或 波长达到某一特定值时，入射光的大部分会转换成s p w 的能量，从而使全反射的反射 光能量突然下降，在反射谱上出现共振吸收峰，此时入射光的角度或波长称为s p r 的共 振角或共振波长。 s p r 的共振角或共振波长与金属薄膜表面的性质密切相关，如果在金属薄膜表面附 着被测物质( 一般为溶液或者生物分子) ，会引起金属薄膜表面折射率的变化，从而 s p r 光学信号发生改变，根据这个信号，就可以获得被测物质的折射率或浓度等信息， 达到生化检测的目的。 1 2s p r 检测装置的应用领域与装置总述 s p r 具有电磁场增强效应，s p w 传播在金属薄膜与介质界面，s p w 的性质与金属 薄膜和介质性质密切相关，其波矢是介质介电常数和介质厚度的函数，探测s p r 信号可 以得到许多关于介质的有用信息，所以，s p r 的检测在很多领域都得到了广泛的应用。 1 2 1s p r 技术在生物检测领域的应用 生物分子的特性由溶液状态下过分子间的相互作用来体现，常规的生物检测方法有 浙江大学硕士学位论文 同位素标记法、荧光标记法、酶标记法等，这些方法都需要对生物分子进行某种标记， 操作复杂、耗时长、步骤繁琐，而且标记物有可能与所研究的分子相互作用，影响检测 结果。 将生物学识别机制与s p r 技术相结合，通过s p r 共振角的检测，可以把生物信号 转化为光信号，进而转化为电信号进行检测。在生物检测中应用s p r 技术可以研究生物 分子的实时相互作用，能够检测特异性结合的生物物质的浓度【，可以原位无损地对生 物分子之间的相互作用进行实时动态过程监测。综合目前国内外使用s p r 技术进行生物 分析的内容来看，s p r 检测能够获得生物分子特异性( 体现参加生物分子相互作用的种 类) 、生物样品浓度、分子亲和性( 体现生物分子相互作用的程度) 、动力学( 包括生 物分子相互作用的结合速率、解离常数和结合常数等) 、协同作用、相对结合模式等的 特征。 目前，国外已成功研制出了一些应用s p r 技术的生物免疫传感器，在蛋白质分子相 互作用分析【2 1 、d n a 杂交条件和配体受体相互作用分析【引、小分子药物设计【4 1 等方面都 有广泛的研究与应用。 1 2 2s p r 技术在薄膜检测领域的应用 s p r 技术在薄膜检测方面是一个新型的应用，2 0 世纪7 0 年代以来，在检测金属薄 膜特性及检测金属表面反应的潜能中，s p r 技术越来越受重视。通过测量s p w 波矢量 可以确定金属薄膜的介电常数与厚度。w p c h e r t 5 】等人使用s p r 技术测量了他们的实验 用银膜，测量结果所得其厚度为4 7 5 r i m ，介电常数为1 6 7 2 + i l 6 6 ( 波长6 3 2 8 n m 时) 、 5 2 5 + i 0 3 2 ( 波长4 3 5 8 n m 时) ，很好的符合了文献记录值1 6 3 2 + i 0 5 4 和5 1 9 + i 0 2 8 。 在物理化学领域新型的一种新材料，合成和表征金属或金属氧化物表面的有机膜的 研究，s p r 技术也有其独特的优势。结合椭圆偏振检测，可以得到这种超薄有机膜的表 面特性和灵敏度。在研究l b 膜、自组装膜时，常用s p r 技术表征膜厚度和结构的等性 质【6 7 1 。 1 2 3s p r 技术在表面分析领域的应用 s p r 技术是一种灵敏的表面光谱技术，任何能够引起金属与介质表面变化的物理量 都会引起s p r 信号的改变。其中，s p r 成像技术是一种表面光谱技术的应用。对于厚 2 浙江大学硕士学位论文 度不均匀的薄膜，选择可以产生s p r 共振的某一特定厚度的入射角，使用该入射角照射 时，与共振厚度不同的区域对光强的吸收各不相同，产生的s p r 信号不同，造成反射光 呈现不同的强度变化。k n o l l 8 别等利用这个原理，研制出表面激元显微镜( s u r f a c e p l a s m o nm i c r o s c o p e ，s p m ) ，将光强吸收的这种差异通过透镜的傅立叶反变换作用投射 到屏上，最终得到能够反映薄膜厚度信息的显微图像。 1 2 4s p r 技术在其他方面的应用 s p r 技术已被广泛用于生物、化学检测等相关领域，与传统的检测方法相比，它具 有操作简单、实时性强、灵敏度高等优点，可以应用于在环境监测、药品研制、食物安 全检测等方面。 利用s p r 技术来测定水质情况，是一种无污染的检测方法。目前利用光化学检测水 质污染情况有三种方法：荧光光谱分析法、吸收光谱分析法和折射率分析法，其中折射 率分析法的线性度最好。水质污染程度不同，呈现水质的折射率变化，通过s p r 测定水 样的折射率大小，就能够分析水质的污染情况。1 9 9 5 年，英国l i v e r p o o l 大学、s o u t h a m p t o n 大学、德国t u b i n g e n 大学和德国集成光学器件制作中心在欧盟的资助下，合作研制开 发出一种s p r 水质传感器，该传感器在水中成功探测到了浓度仅为1 0 p g l 的除草剂【1 0 】。 在食品安全检测【l l 】方面，s p r 技术以其无标记检测、无污染检测的优点得到广泛的 关注，已有很多研究表明，s p r 技术能够应用于食品中维生素的检测、生物毒素检测、 细菌病原菌检测、农兽药残留检测诸多方面【1 2 】。将s p r 检测技术与其他分析方法相结 合，有望在食品检验中取得更完美的检测结果。 s p r 技术还能应用于环境湿度温度的检测【1 3 l ，温度变化会引起某些特定敏感膜的吸 湿量的变化，从而导致其折射率的变化，这样利用s p r 传感技术可以制成检测湿度的传 感系统，以及基于氢化无定型硅的热光效应的温度传感系统等。 1 3 国内外研究现状和发展趋势 s p r 传感技术是近年来国际上迅速发展起来的一种新型光电检测技术，利用s p r 可以获得丰富的信息。从物理学和光学角度讲，可以获得敏感膜厚度、溶液折射率等信 息；从生物学角度讲，可获得诸如样品浓度、亲和性、特异性、动力学( 包括结合速率、 解理常数和结合常数) 等信息。 3 浙江大学硕士学位论文 s p r 应用非常广泛。其中s p r 生物传感器更是以其特异性强、灵敏度高、响应速 度快和使用寿命长等优点吸引无数的眼球【1 4 , 1 7 1 。它利用生物大分子间( 抗体与抗原、配 体与受体、酶与底物等) 特异性结合而进行分子识别，并通过光激励一分子识别一光输 出一电输出的途径完成分子相互作用的信息传递与检测。除了上述特点，s p r 生物传感 器还具有较高的抗干扰能力，易于小型化及远距离传输等优点。因此近2 0 年来越来越 多的为人们所关注。 从8 0 年代至今，s p r 传感器已先后出现了棱镜、集成光波导和光纤等几种类型， 其中棱镜耦合式s p r 传感器由于结构和工艺实现上相对比较容易，在化学、生物、环境、 食品分析及医药等领域得n t 广泛的应用【1 & 2 0 1 。自b i a c o r e 公司首次推出商品化s p r 仪 器以来，越来越多的科研人员开始热衷于s p r 仪器的开发，关于s p r 传感器的研究已 形成蓬勃发展的局面，每年发表的参考文献都在逐年增多。上世纪9 0 代，国外的一些 著名仪器公司如b r a c e r ea b ，o u a n t e c h ，t e x a si n s t r u m e n t s 等相继研制出了棱镜耦合的 生化s p r 仪器系统，使该项技术从实验室走向市场，主要应用在血液分析、d n a 分析 和生化分析等方面，应用于环境微量检测的报导尚处于实验研究阶段。国内自1 9 9 0 年 以来中科院电子所国家重点实验室等科研单位也相继开展了将s p r 技术用于生物传感 及生化分析监测的研究。目前各大公司研究的主流方向是开发通用型的高精尖实验室仪 器，针对对象是科研单位和大型制药公司等，他们都希望占领技术制高点，却忽略了 s p r 检测技术广阔的应用前景。如果有专门用于折射率或浓度监测的小型s p r 仪器， 必将受到市场的青睐。 目前对s p r 检测装置的改进主要从以下几个方面着手： 1 ) 在逐步提高仪器灵敏度的基础上向小型化，便携化发展。由于目前基于棱镜型 的表面等离子共振检测系统均属实验室型的大型仪器，存在价格昂贵、结构复杂、体积 大等问题；采用改进仪器结构，减少噪声干扰和优化数据算法等措施，能使仪器的测量 精度进一步得到提高。但是，尚且需要减小仪器的体积，研究学者们期望开发出不需角 度移动又保证精确度的小型装置，以实现仪器的便携化和易用化。 2 ) 开发阵列化、多通道s p r 检测仪器。多通道的优点是同时能够测量多个样品， 实现高通量检测，以及可以引入参考通道，以消除温度漂移、光源波动等干扰因素引起 的信号噪声，确保测量结果的精确度和可信度，同时达到测量效率和降低成本的作用。 同时采用多种新技术与s p r 方法联用，以提高s p r 检测灵敏度。 3 ) 金属膜系的改进，提高检测灵敏度。为了提高s p r 传感器的检测灵敏度和分辨 4 浙江大学硕士学位论文 率，对于s p r 传感器结构优化、传感新机制等的实验研究仍然非常活跃。国外一些学者 开展了金属膜系优化和能量耦合新机制的研究，用纳米化合物制作周期性结构光子晶体 带隙薄膜作为传感器的金属膜系，以增强表面等离子效应【2 1 1 ；在金膜上同时生长金纳米 粒子和介质纳米粒子( 如s i 0 2 ) ，生成金属介质混合膜系，可以大大提高传感器的分辨 率和灵敏度【2 2 2 3 】；b o r j as e p u l v e d a 等在传感器表面加入磁性材料层，利用磁光效应增强 能量的耦合，研究了磁光表面等离子共振( m o s p r ) 传感器f 2 4 】。 ， 1 4s p r 检测装置的研究意义 本项目为国家科技部8 6 3 资助项目( 项目编号2 0 0 6 a a 0 6 2 4 0 6 ) 。s p r 技术是一种 无需标记、无需分离纯化并能在线实时监测生物分子相互作用、可确定反应物种类和浓 度的检测技术，具有检测灵敏度高、抗电磁干扰性能好等特点，因而在化学、生物、环 境、食品分析、医疗及制药等领域得到越来越广泛的应用。相关研究结果表明，基于棱 镜结构的s p r 传感器的检测灵敏度可达到l xl0 咖，对应l p g m m 2 质量变化，这是传 统分析仪器无法比拟的。 但是目前国内外研制的s p r 监测分析系统基本上都是大型专业化仪器，存在结构复 杂、体积庞大、成本高、不能用于现场在线监测等缺点。因此研究一种小型s p r 检测仪 器，使之能够满足高灵敏、现场在线和低成本的检测要求，既符合市场需求，也具有十 分重要的社会和经济意义。 本项目在理论分析和实验研究基础上，研究设计了一种非扫描式、数字化、智能化 的小型s p r 检测仪器。该检测仪器以l e d 点光源进行宽光束入射，无需进行精密的角 度扫描，大大简化了系统的结构，降低了复杂性；配备具有注射泵和多位阀组成的微流 恒速进样系统；同时将信号检测和a d 转换、m c 耵控制、数字通信等集成在一块电路 中，可与p c 直接相连。整个仪器结构简单，使用方便，能够应用于现场检测。 1 5 研究内容和研究目标 本项目的主要研究目标是在理论分析和实验研究基础上，研究以棱镜型s p r 传感器 为核心部件，结合信号检测与控制系统、微流恒速进样系统等外围设备的小型s p r 检测 装置。通过数字信号处理方法分析样品溶液的s p r 光谱，可计算出被测样品的折射率。 还可进一步在金膜的表面耦联不同的配体( 受体) 分子，由于s p r 光谱随金属表面的折 浙江大学硕士学位论文 射率变化而变化，而折射率的变化又和结合在金属表面的生物分子质量成正比，因而可 通过对生物反应过程中s p r 光谱的动态变化获取生物分子相互作用的特异信号，如样品 溶液中相应的受体( 配体) 分子浓度，建立标准样品溶液的校正曲线。随后利用校准 曲线测量实际样品溶液浓度，并将此结果与其他实验室精密仪器所测结果相比较，验证 其准确性。 主要研究内容包括： ， 1 ) 从m a x w e l l 方程组出发，分析全反射中倏逝波的产生，根据金属中的体积等离 子体的特性，以及薄膜中电磁波的传播理论，揭示s p r 的产生原理。 2 ) 研究光机电一体化的s p r 系统的相关理论和整体结构，提出具有特色的整体设 计方案，为搭建小型s p r 检测装置奠定理论基础。 3 ) 设计开发s p r 检测仪器的泵阀控制电路、微流恒速进样系统，使仪器可以根据 需要选择样品、调节液体流速，完成全自动监控检测过程。 4 ) 利用已设计完成的小型s p r 检测装置搭建基于s p r 的在线折射率计，并设计相 应的检测控制软件。进行不同浓度葡萄糖溶液的测量，分析和讨论仪器的灵敏度、示值 误差、可重复性和检测限等性能指标。 5 ) 研究s p r 的基本理论和生物分子互作技术的相关理论。 6 ) 利用已设计完成的小型s p r 检测装置结合带有生物敏感膜的传感器搭建基于 s p r 的生物检测装置，并设计相应的检测控制软件。在此基础上，进行s m x 的实验研 究和结果分析。 6 浙江大学硕士学位论文 参考文献 【1 】s l o f a s ，b j o h a s s o n , j c h e m s o c c h e m c o m m u n ，1 9 9 0 ，1 ：1 5 2 6 【2 】e r k e l l e y m e t h o d s ：ac o m p a n i o nt om e t h o d si ne n z y m o l o g y 1 9 9 4 ，1 9 ：3 5 4 【3 】s d a v i s ，b i a j o u r n a l ，p h a r m a c i ab i o s e n s o r a b ，1 9 9 4 ，1 ：1 - 2 7 【4 】gb i s c h o f , r b i s c h o f f , e b i r c h - h i r s c h f e l d , u g r o m a n n , s l i n d a u ，w v m e i s t e r , s b a m b i r r a , c b o h l e y , s h o f f m a n n , j b i o m 0 1 s t r u c t d y n l 9 9 8 ，1 6 ：1 8 7 【5 】w 只c h e n , j m c h e n , j o 弘s o c 觚1 9 8 1 ，7 1 ( 2 ) ：1 8 9 【6 】c r l a w r e n c e ，a s m a r t 毗j r s a m b l e s ，t h i ns o l i df i l m s ，1 9 9 2 ，2 0 8 ：2 6 9 【7 】a h s e v e r s ，r b m s c h a s f o o r tb i o s e n s b i o e l e c t r o 几，1 9 9 3 ( 8 ) ：3 6 5 【8 】w n i e k e l ，d i o m p ，w k n o l l ，n a t u r e 1 9 8 9 ，3 3 9 ，1 8 6 【9 】w k n o l l ，m z i z l s p e r g e re t c s t r e p t a v i d i na r r a y s 丛s u p r a - m o l e c u l a ra r c h i t e c t u r e si ns u r f a c ep l a s m o n , 【1 0 】w a v e g u i d e 燃d e t e c t s1 r a c el e v e l so f h 盯b i c i & i nw a t e r , o l e 1 9 9 5 ：3 9 【1 1 】缪璐，张水华，刘仲明表面等离子体共振技术在食品工业中的应用，食品安全与检测，2 0 0 6 ， 3 ：1 3 6 - 1 3 8 【1 2 】缪璐，张水华，刘仲明s p r 传感器在食品检测中的应用，食品科技2 0 0 6 ( 8 ) ：2 6 6 - 2 6 8 【1 3 】陈焕文，牟颖，赵晓君等表面等离子体子共振传感器i ：应用与发展，分析仪器2 0 0 1 ，2 ：3 - 8 【1 4 】程慧，黄朝峰，段子渊s p r 生物传感器及其应用进展中国生物工程杂志2 0 0 3 , 5 【15 】s u a i lka r y a , p r a t i m a & s o l a r i a , s p s i n e 啦p o l y - ( 3 - h e x y l t h i o p h e n e ) s e l f - a s s e m b l e dm o n o l a y e r b a s e dc h o l e s t e r o lb i o s e n s o ru s m gs u r f a c ep l a s m o nl 他s o i l a n c et e c h n i q u e ，b i o s e m s o r sa n db i o e l e c t r o n i c s 2 0 0 7 ，2 2 ( 1 1 ) ：2 5 1 6 - 2 5 2 4 【16 】l i m mc a o ，h o n gl i na n dv l a d i m i rm m i m k y s u r f a c ep l a s m o n l e s o i l a n c eb i o s e n s o rf o re n r o f l o x a d n b a s e do nd e o x y r i b o n u c l e i ca c i d a r l a l y t i c ac h i m i c aa c t a 2 0 0 7 ，5 8 9 ( 1 ) ：1 - 5 【1 7 】j o h nw a s w a ，j o s e p hx r u d a y a r a ja n dc h i t i nd e b r o y d i r e c td e t e c t i o no fe c o i l0 1 5 7 ：h 7i ns e l e c t e d f o o ds y s t e m sb yas u r f a c ep l a s m o nr e s o n a r i c eb i o s e n s o r l w t - f o o ds c i e n c ea n dt e c l m o l o g y 2 0 0 7 ，4 0 q ) ：18 7 - 19 2 【18 】l o u i sa o b a n d o ，d a r c yj g e n t l e m a n ，j o h n & h o u o w a ya n dk a r ls b o o k s hm a n u f a c t u r eo f r o b u s t s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c ef i b e ro p t i cb a s e dd i p - p r o b e s s e n s o r sa n da c t u a t o r sb ：c h e m i c a l 2 0 0 4 ，1 0 0 ( 3 ) ：4 3 9 4 4 9 7 浙江大学硕士学位论文 【19 】f u t a ok a n e k o ，t a k a y a k jn a k a n o ，m i t s u r ut e r a k a d o ，k a z u n a r is h i n b o e m i s s i o nl i g h tf r o m p r i s m s i l v e r r h o d a m i n e - bl bf i l ma n dm u l t i p l es u r f a c ep l a s m o ne x c i t a t i o n si nt h ea t rk r e t s e h m a r m c o n f i g u r a t i o n m a t e r i a l ss c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ：c 2 0 0 2 , 2 2 ( 2 ) ：4 0 9 - 4 1 2 【2 0 】i ll e v y ，a p e l e da n ds r u s c h i n w a v e g u i d e ds p rs e n s o ru s i n gam a e h - z e h n d ei n t e r f e r o m e t e rw i t h v a r i a b l ep o w e rs p l i t t i n gr a t i o s e i ：i s o i sa n d a c t u a t o r sb ：c h e m i c a l 2 0 0 6 ，1 1 9 ( 1 ) ：2 0 - 2 6 【21 】a s u a r e z - g a r e i a , kd e lc o s o ，s e m a , e ta 1 c o n t r o l l i n gt h et r a n s m i s s i o na tt h eb l l l f a c ep l a s m o n r e s o n a n c eo fn a n o c o m p o s i t ef i l m s u s i n gp h o t o m cs t r u c t u r e s a p p l i e dp h y s i c sl e t t e r s 2 0 0 3 ， 8 3 ：1 8 4 2 1 8 4 4 【2 2 】k y u n gm i nb y u n , d o n g h y u nk t m , a n ds u n gj u n ek i m i n v e s t i g a t i o no ft h es e n s i t i v i t ye n h a n c e m e n t o fn a n o p a r t i c l eb a s e ds u _ r 矗c , ep l a s r n o n 托翻) i 姗b i o s e n s o r su s i n gr i g o r o u sc o u p l e dw a v ea n a l y s i s p l a s m o n i c si nb i o l o g ya n dm e d i c i n e ，p r o c e e d i n g so fs p i ev 0 1 5 7 0 3 ，s p i e , b e l l i n g h a m , w a 2 0 0 5 ， 6 1 7 0 【2 3 】e c c h i e n , s j c h e n , w ：p h u , gy “玛e ta 1 n a n o p a r t i c l e - e n h a n c e du l t r a h i g h - r e s o l u t i o ns u r f a c e p l a s m o n l e 5 0 n a n c eb i o s e n s o r s p l a s m o n i c si n b i o l o g ya n dm e d i c i n e ，p r o c e e d i n g so fs p m ， b e l l i n g h a m , w a ，0 0 4 5 3 2 7 ：1 4 0 1 4 7 【2 4 】b o r j as e p t i l v e d a , a r i ac a l l e ，l a u r am l e c h u g a , a n dg a s p a ra n n e l l e s h i g h l ys e n s i t i v ed e t e c t i o no f b i o m o l e c u l e sw i t ht h em a g n e t o - o p t i cs u r f a c ep l a s m o n r e s o n a n c e 翻玎l s o r o p t i c sl e t t e r s 2 0 0 6 8 浙江大学硕士学位论文 第二章表面等离子共振的理论分析 表面等离子体共振( s p r ) 是发生在金属薄膜与电介质分界面上的一种物理光学现 象，其基本原理可以简单归纳为：利用光在玻璃与金属薄膜交界面处发生全内反射时的 倏逝波，引发金属表面的自由电子产生表面等离子波。当入射角或波长为某一适当值时， 表面等离子波与倏逝波的频率和波数相等，二者将发生共振，入射光被吸收，使反射光 能量急剧下降，在反射光谱上出现共振峰( 即反射强度最低值) 。当紧靠在金属薄膜表 面的介质折射率不同时，共振峰位置将不同。 目前有三种常用的理论模型可以在技术上实现表面等离子波与外部电磁辐射( 光 波) 的耦合：光栅型、棱镜型和波导型( 光纤和平面波导) 。但目前最流行、使用最广 泛的还是k r e t s h m a n n 提出的棱镜型s p r 传感器。 2 1 表面等离子体波( s p w ) 2 1 1s p w 的理论推导 根据经典的d r u d e 金属电子气模型【1 】，金属中存在大量的电子，它们中的大多数被 束缚在原子核周围；而另一部分则可以脱离原来的原子核在一些原子间运动，它们被称 为“自由电子”，体密度可高达1 0 2 3 c m 3 。“自由电子”并非完全自由，它们为整个金属晶 格所共有。金属晶格上的正离子和其它电子对“自由电子”形成一个势场，其整体效果对 “自由电子”运动而言相当于一个“阻尼力”。这个“阻尼力”与代表整个电子群平均运动状 态的电子群速度成正比而方向相反。“自由电子”群在某一时刻偏离其平衡位置) ( o 一定距 离a x ，则它们就会受到“阻尼力”的作用返回平衡位置；当到达平衡位置x 0 继续向前运 动直到动能全部转化为势能。如此反复，“自由电子”群形成一种周期性的电子集体简谐 振荡，振荡能量约为1 0 e v 量级。若在金属表面，电子的横向( 垂直于表面) 运动受阻， 在表面形成了电子浓度的梯度分布，表现为局限于表面的等离子体振荡【2 1 ，从而产生一 种沿x 方向传播并且幅度沿z 方向衰减的电磁波，这种沿金属表面传播的电磁波被称为 表面等离子体波( s p w ) ，可描述为： e = 岛* e x p c + i ( k 工乞一耐) 】 ( 2 - 1 ) 9 浙江大学硕士学位论文 介曩屡 延萝0 事无鼠的大金置层 图2 - 1 表面等离子波沿金属表 i 互，一唯j 厂 由式( 2 - 1 ) 知，s p w 在z 方向的渗透深度( 幅度衰减为1 e 时) 为： 乞= l 乞i 1 ( 2 - 2 ) 以金属银为例，假设s p w 的波长为名= 6 0 0 n m ，则其在金属层的传播长度为 厶，= 3 l n m ，在介质层2 的传播长度丘2 = 3 9 0 n m 。 图2 1 形象地描述了s p w 在金属表面的分布和传播。根据m a x w e l l 方程，在半无 限大金属表面和介质层的界面处，s p w