（微电子学与固体电子学专业论文）表面等离子共振传感系统及其对生物样品的检测.pdf

南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项 内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位 论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存 论文：学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服 务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容 用于学术活动。 学位论文作者签名： 砌的年专其硝b 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在力l d 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年蚨 学位论文作者签名： 欲碰 l 解密时间： 砂f 口年厂月? 广日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：欢维 知口亨年孑rx yb 摘要 摘要 表面等离子共振( s p r ) 技术作为一种新型的生物传感技术，由于其无需 标记、实时检测、灵敏度高等优点，近年来受到了越来越多的关注，成为生物 传感领域的研究热点。 本文设计制作了棱镜耦合式“k r e t s c h m a n n 结构的s p r 传感系统，并使用 此系统对生物样品进行了检测。文中先根据薄膜光学理论，使用数学软件m a t l a b 给出不同实验条件下s p r 现象的仿真曲线，为系统调试过程中的条件优化提供 依据。在介绍了传感系统各部分的结构和原理后，本文用该系统对不同折射率 的简单样品进行了检测，同时给出系统的技术指标。最后作为s p r 传感系统的 应用研究，使用该系统检测了样品溶液中d n a 分子的体响应及其与敏感膜上 的探针分子的动态结合过程，实验结果说明此传感系统可以检测出生物分子的 结合过程。 本文研制的s p r 传感系统采用角向会聚入射光路，可以一次完成多角度的 测量，使检测速度大大加快。文中采用适合的理论公式，得到与实际结果吻合 很好的仿真曲线。而且系统达到了较好的技术指标。在入射光波长6 3 2 8 n m ， 金膜厚度5 0 n m 的条件下，系统的灵敏度为9 0 1 4 度r i u ，分辨率为3 3 2 1 0 - 4 r i u ，检测范围为1 0 0 - - - 1 4 3 r i u 。 关键词：表面等离子共振棱镜耦合生物传感技术仿真曲线 a b s t r a c t a b s t r a c t a san e wt e c h n i q u eo fb i o - s e n s o r , s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) t e c h n i q u e b e c o m e sar e s e a r c hh o t s p o tr e c e n t l yb e c a u s eo fi t sn o l a b e l ，r e a l t i m ed e t e c t i o n ，h i g h s e n s i t i v i t y i nt h i st h e s i s ，as p rs e n s o rw i t hp r i s m c o u p l e d “k r e t s c h m a l m c o n f i g u r a t i o ni s u s e dt om e a s u r et h eb i o - s a m p l e a c c o r d i n gt ot h ef i l mo p t i c st h e o r y , s i m u l a t i o n c u r v eo fd i f f e r e n tc o n d i t i o n si sg i v e nt oo p t i m i z et h es y s t e m a f t e ri n 仃o d u c i n gt h e f r a m e w o r ka n dp r i n c i p l eo fs y s t e m ，t h es e n s o ri su s e dt om e a s u r et h es a m p l eo f d i f f e r e n tr e f r a c t i v ei n d e xa n dg i v e st h et e c h n i c a li n d e x f i n a l l y , a st h ea p p l i c a t i o n r e s e a r c ho fs p rs e n s o r , t h eb u l kr e s p o n s ea n dd y n a m i cb i n d i n gp r o c e s so fd n a m o l e c u l ei sm e a s u r e db yt h i ss y s t e m t h i ss p rs e n s o ru s e df o c u s i n gi n c i d e n c eo p t i c sb l o c kt oc o m p l e t em u l t i a n g l e m e a s u r e t h et h e o r ye q u a t i o ng i v e st h es i m u l a t i o nc u r v ea c c o r dw i t hr e a l i t y a n dt h e s y s t e ma c h i e v e dg o o dt e c h n i c a li n d e x ：i nt h ec o n d i t i o no f6 3 2 8 n mw a v e l e n g ha n d 5 0 n mt h i c k e dg o l df i l m ，t h es e n s i t i v i t yi s9 0 14 d e g r i u ，r e s o l u t i o ni s3 3 2 10 - 4 r i u ，m e a s u r er a n g ei s1 o o 1 4 3 r i u k e y w o r d ：s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ，p r i s m c o u p l e d ， b i o s e n s o rt e c h n i q u e ， s i m u l a t i o nc u r v e i i 目录 目录 第一章绪论1 1 1s p r 传感系统概述1 1 1 1 s p r 现象1 1 1 2s p r 传感系统工作原理。2 1 1 3s p r 传感系统的结构- 3 1 1 4s p r 传感系统的技术指标5 1 1 5s p r 传感技术的应用与发展趋势6 1 2 本文的研究工作与创新点。9 1 2 1 本文的研究内容9 1 2 2 本文的创新点一9 第二章s p r 传感系统的理论研究1 1 2 1理论模型l1 2 1 1s p r 理论模型1 1 2 1 2 薄膜光学理论模型1 7 2 2 理论模型的仿真与分析1 9 2 2 1 理论模型的仿真1 9 2 2 2 结论与分析2 3 第三章s p r 传感系统的设计与研制2 5 3 1 系统的整体结构2 5 3 2 光学系统2 6 3 2 1光源选择2 6 3 2 2 光路设计2 7 3 3 传感系统3 0 1 i i 目录 3 3 1 全反射棱镜的选择3 0 3 3 2 金属膜的制备3 0 3 3 3 生物敏感膜的固定3 1 3 3 4 样品的输送3 2 3 4 信号采集系统3 3 3 4 1c c d 及其驱动电路3 4 3 4 2 信号采集电路设计3 7 3 5 数据处理与分析系统4 0 3 5 1 软件设计4 0 3 5 2 数据处理方法4 2 第四章检测条件的优化与技术指标的测定4 5 4 1f i r 滤波的去噪性能4 5 4 2 不同实验条件下的样品检测4 6 4 3 检测结果的分析及技术指标的测定5 0 4 3 1实验数据的查询5 0 4 3 2 实验条件对测量结果的影响5 2 4 3 3 技术指标的测定5 4 第五章对生物样品的检测与分析5 6 5 1 对生物样品体响应的检测与分析5 6 5 2 探针分子的固定5 8 5 3 生物样品特异性结合过程的动态检测与分析5 9 第六章待测物质结合量测定的方法设计。6 3 6 1待测物质结合量测定的理论方法【7 3 1 6 3 6 2 待测物质结合量测定的实验设计6 5 第七章结论与展望6 7 目录 致谢7 0 参考文献71 附录a 7 5 附录b 7 6 第一章绪论 1 1s p r 传感系统概述 1 1 1s p r 现象 第一章绪论 虽然表面等离子体共振这一术语在2 0 世纪6 0 年代才开始使用【l 】，但是该现象 在2 0 世纪初就已有记录，r w w o o d 发现了用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，并且对这一现象给出了详尽的描述【2 1 。1 9 4 1 年，f a n o 用金属与空气界面的表面电磁波激发模型解释了这一现象【3 】。1 9 5 7 年，r i t c h i e 发 现，当电子穿过金属薄片时存在能量吸收峰。他将这种吸收峰称之为“能量降 低的 等离子体模式，并指出了这种模式与薄膜边界的关系。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【4 】。两年后，p o w e l l 和s w a n 用实验证实t r i t c h i e 的理论【5 】。随后s t e m 和f a r r e l l 给出了这种等离子体模 式的共振条件，并将其称作“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 ) ”【6 j 。1 9 6 8 年，k r e t s c h m a n n t7 j 和o t t o 8 】各自利用衰减全反射( a t t e n u a t e dt o t a l r e f l e c t i o n ，a t r ) 的方法证实了光激发表面等离子体共振现象的存在。从那时 起，越来越多的人对s p r 现象产生了浓厚的兴趣。经过多年的集中研究，人们对 s p r 的主要特性基本上形成了一致的观点。 等离子体通常是指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体，其中正、 负带电粒子数目几乎相等，内部不形成空间电荷。如果我们把金属的价电子看 成是均匀正电荷背景中运动的电子气体，这实际上也是一种等离子体。当金属 受到电磁干扰的时候，金属中电子密度分布就会变得不均匀，在某一区域电子 密度低于平均密度，形成局部的正电荷过剩。这时，由于库仑引力作用，会把 近邻的电子吸引到该区域，而被吸引的电子由于获得附加的动量，又会使该区 域聚集过多的负电荷。其后，由于电子间的排斥作用，使电子再度离开该区域， 从而形成价电子相对于正电荷背景的密度起伏振荡。由于库仑力的长程作用， 这种局部的电荷密度振荡将形成整个电荷系统的纵向集体振荡，并以密度起伏 波的形式表现出来。不难看出，金属中价电子相对于正离子背景的这种振荡与 第一章绪论 导电气体中的等离子振荡相似，故称为金属中的等离子振荡【9 】。表面等离子体 振荡大体上说也是如此，只不过由于介质分界面具有一定的特殊性，从而使得 表面等离子的振荡具有其特有的本征模式。 表面等离子体振荡可以存在于两种介质( 如金属与电介质) 的分界面。由 这种电荷密度振动引起的电磁场沿着分界面传播开来，形成表面等离子体波 ( s u r f a c ep l a s m o nw a v e ，s p w ) 。s p w 是一种偏振的横磁波，其磁场矢量垂直 s p w 的传播方向，平行于两种介质的分界面，而且s p w 的场矢量在介质分界面 达到最大值，并在两种介质中呈指数快速衰减。当j b j j n 电磁场与s p w 的波矢相 等时，就会激发s p r 现象。 1 1 2s p r 传感系统工作原理 ( 1 ) 工作原理 金属膜 s p r 传感系统一般采用入射敏感膜 光作为s p w 的激发源。图1 1 为 棱镜耦合式s p r 传感系统的结构 示意图，下面以此为例说明其结构 譬罢：。全譬聋翌会警譬要在萼苎妻 图1 1 棱镜耦合式s p r 传感器原理图 金属膜的界面发生全反射，光电检 一 。一。 测器用于接收反射光并测量光强，在金属膜上制备有一层敏感膜( 其中含有可 与待测生物分子反应的探针分子) ，敏感膜与样品池中含有待测生物分子的样 液充分接触。 入射光在棱镜和金属膜的界面上发生全反射时，会在金属膜中产生消逝波， 但消逝波的传播深度非常有限，入射光的全部能量均反射回棱镜中。然而当入 射光的波长及入射角满足一定条件时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。这 是因为此时发生了s p r 现象，即一部分能量通过金属膜内的消逝波在金属与敏 感膜的界面上传递给了表面等离子波，或者说消逝波与表面等离子波发生了共 振。共振时能量从光子转移到表面等离子体，因此可从反射光强上看到一个反 射率的最小尖峰，这个尖峰称为吸收峰，此时对应的入射光波长为共振波长， 对应的入射角为共振角。由于这种共振的发生，使得反射光的能量大幅衰减， 因此称这种全反射为衰减全反射( a t r ) 。 第一章绪论 共振波长和共振角与敏感膜的介电常数有关，而敏感膜的介电常数在与待 测生物分子的相互作用过程中会发生变化，因此通过检测共振波长或者共振角 的变化可以了解待测生物分子及其与敏感膜相互作用的信息。利用恰当的测量 及数学处理手段，还可以计算待测分子在单位面积的结合量【1 0 】以及分子反应的 动力学过程【1 1 】。 ( 2 ) 特点 与一般的生物传感系统相比，s p r ，传感系统具有以下特点： 无需标记。s p r 传感系统是通过对敏感膜折射率变化的检测，从而获得 生物分子相互作用的信息。与通常采用的荧光分析或e l i s a ( 酶联免疫吸附测定) 检测方法不同，无需对样品进行纯化或标记。这样就可省去样品的前期准备工 作，缩短了检测周期；此外还可避免标记物对检测可能造成的干扰。 实时检测。s p r 生物传感系统采用的是光学检测手段，信息转换非常快 捷，因此可以对生物分子相互作用的整个过程进行实时检测。这样不但可以大 幅提高检测分析的速度，而且可以通过对检测结果的分析，得到作用过程的动 力学参数。 无污染检测。s p r 传感系统所采用的光学检测手段避免了与待测样品的 直接接触，因而不会对样品造成污染，保证了待测样品的长效性。 高灵敏度检测。由于金属膜具有良好的导电性，所以分布于金属膜与敏 感膜界面处的表面等离子波( s p w ) 产生的场主要分布于敏感膜一侧。这就使 得共振条件( 共振角或共振波长) 对敏感膜折射率的变化非常敏感。正因为如 此，s p i 己传感系统具有很高的检测灵敏度，可以在很低的生物分子浓度水平下进 行交互检测。 由于s p r 生物传感系统具有实时、无标记、无污染和高灵敏度检测的突出优 点，所以s p r 传感系统在生物分子及其相互作用的检测等方面具有广阔的应用前 景。 1 1 3s p r 传感系统的结构 ( 1 ) s p r 传感系统的结构 。根据光波耦合方式的不同，目前s p r 传感系统主要有棱镜耦合、衍射光栅、 光学波导以及光纤耦合等四种结构类型【1 2 】。 一3 一 第一章绪论 棱镜耦合结构 棱镜耦合结构因其结构简单、容易实现以及动 高灵敏度等特点而被广泛采用。其中按照金属膜 与样品的相对位置不同，又可分为k r e t s c h m a n n 结 构和o t t o 结构，如图1 2 所示。两种结构的不同之 处在于o t t o 结构的金属膜与棱镜之间不是直接接 触，而是存在厚度与入射光波长相近的间隙，在 实际检测时，样液将被通入这一间隙内。由于间 隙厚度不易控制，同时要求样液必须透明，所以 o t t o 结构很少采用。 衍射光栅结构 衍射光栅结构的s p r 传感系统如图1 3 所示。 在这种结构中，金属层与介质层构成周期性变化 入射光 耦合棱镜 金属膜 样品 图1 2 棱镜耦合结构 a ) k r e t s c h m a r m 结构 b ) o t t o 结构 的光栅曲面，入射光照射到光栅表面时发生衍射，不同的衍射角对应不同的衍 射阶。当某一阶衍射光的波矢在界面方向的分量与s p w 的波矢相等时，二者将 发生共振。此时对应的衍射阶光强就会大幅降低，甚至消失。所以光栅耦合结 构的s p r 传感系统可以通过检测衍射光强分布的方法来获得与棱镜耦合方式类 似的s p r 峰值曲线。 光栅耦合s p r 传感系统的优点在于可利用 现代的微加工工艺( 特别是半导体工艺) ，实 现传感系统微型化和批量生产；另外，这种结 样 构对金属膜的厚度没有严格的限制，便于制衍嘉晃 作。 光栅耦合s p r 传感系统的不足之处在于灵 图1 3 光栅耦合结构 敏度较棱镜耦合方式低，数学模型与理论计算比棱镜耦合结构要复杂得爹1 3 】， 而且要求被测样品必须透明。这些不足使得这种传感系统的应用受到了限制。 光学波导结构 光学波导结构的s p r 传感系统如图1 4 所示。这种结构的工作原理与棱镜耦 合方式的k r e t s c h m a n n 结构十分相近。波导中传播的光波经过表面覆盖有金属层 的区域时，在金属层界面发生全反射。如果s p w 的相位与光波导波模式的相位 相符，就会激发s p w 。此时在波导的输出端可以检雅j j s p r 峰值曲线。它的突出 一4 一 第一章绪论 优点是光路人为可控、易于小型化和具有良好的 稳定性。 光纤耦合 光纤耦合结构的s p r 传感系统是以光纤作为 光的传输媒介。将普通光纤部分保护层剥离，代 图1 4 光学波导结构 以金属膜层；检测时，将该部分与样液接触。由于光纤的特殊性，使得这种传 感系统具有一些突出的优点：它可以非常方便地探测一些人类难于进入或有害 的区域；通过光纤的远距离传输，实现远程检测和分布式检测，此外该种传感 系统也可达到较高的灵敏度。 ( 2 ) s p r 传感系统的检测方法 s p r l 降感系统主要有以下几种检测方法： 单色光入射，改变入射角，检测不同入射角的反射光强，确定共振角【1 4 】； 复色光入射，固定入射角，检测反射光中不同波长成分的光强，确定共 振波长【1 5 j ； 检测发生s p r 现象时入射光偏振状态及相位的变化【1 6 1 。 1 1 4s p r 传感系统的技术指标 ( 1 ) 灵敏度 s p r 传感系统的灵敏度被定义为直接检测参数( 如共振角或共振波长) 的变 化与待定参数( 如折射率、膜厚、浓度等) 的变化之比。对于检测共振角的传 感系统，灵敏度随着入射光波长的减小而增大；相反，对于检测共振波长的传 感系统，灵敏度随入射光波长增大而增大【1 7 】。棱镜耦合方式的s p r 传感系统的灵 敏度高于光栅耦合方式。有报道称，检测共振波长的棱镜耦合s p r 传感系统灵敏 度可达8 0 0 0n m r i u ( r e f r a c t i v ei n t e r n a t i o n a lu n i t ，简称r i u ，折射率的国际单位) 【ls 】；检测共振波长的光栅高灵敏s p r 气体传感系统( 金属膜为银膜) 的灵敏度可 达1 0 0 0n m r i u ，而检测共振角度s p r 传感系统的灵敏度大约为1 0 0 度r i u 。 ( 2 ) 分辨率 s p r 传感系统的分辨率是传感系统能分辨的待定参数( 如折射率) 的最小变 化。它与检测精度有关，受系统噪声的限$ 0 t 1 9 1 。噪声来自温度、光源、光电探 测器等。瑞典的l i n k op i n g 大学和b i a c o r e 研制的检测共振角度的棱镜耦合s p r 传 一5 一 第一章绪论 感系统的折射率分辨率高于3 1 0 j r i u ，一种使用声光调制器和调制频率测量方 法的光栅耦合方式s p r 传感系统的分辨率接近1 1 0 击u 【2 0 1 。 ( 3 ) 检测范围 s p r 传感系统的另一个重要参数是检测范围，即传感系统可检测的待定参数 的取值范围，比如可检测的敏感膜折射率或样品浓度的变化范围等。 除以上三种主要参数外，衡量s p r 传感系统性能的参数还有选择性、响应时 间以及稳定性等。 通常，s p r 传感系统包括光学系统、传感系统及检测系统。光学部分包括光 源及光路；传感系统将待测信息转换成敏感膜折射率的变化，而敏感膜折射率 的变化又可通过光学耦合转换为可被检测系统检测的光强变化。因此，s p i 啭感 系统的主要性能是由传感系统的各子系统决定的。如灵敏度、稳定性、分辨率 依赖于光学系统、敏感膜及检测系统的性能，选择性和响应时间主要由敏感膜 决定，检测范围则主要由棱镜的折射率决定，等等。 1 1 5s p r 传感技术的应用与发展趋势 ( 1 ) 应用 s p r 传感器因为具有实时、无标记检测，高灵敏度及可小型化等优势而被广 泛应用于疫苗研制、疾病诊断、药物靶标与药物开发、基因测序和治疗、案件 侦破、环境监测、食品安全检验、兴奋剂检测等多个领域。按测量对象属性可 分为三类：物理量的测量、化学反应的测量、生物分子作用的测量。 物理量的测量。由湿度变化引起敏感膜吸湿量变化，进而引起其折射率 变化的湿度传感器【2 1 1 1 2 2 1 ，基于氢化无定型硅的热光效应的温度传感器【2 3 1 等。 化学反应的测量。被分析物被敏感膜吸收或与之发生化学作用，将引起 敏感膜的光学属性的变化，因此可以通过检测共振角或共振波长的变化来检测 待测物质成分、浓度等属性。如检测被吸收到聚乙二醇薄膜的乙醇的浓度 2 4 】， 被氯代烃类吸收的醛酶、酒精【2 5 1 ，被聚二甲基硅氧烷橡胶吸收的四氯乙烷【2 6 】浓 度等等；以光学属性与氢气浓度密切相关的金属钯做活性金属膜，检测氢气浓 度【2 7 1 ，检测金一铝薄膜遇水的腐蚀特性【2 8 1 ，等等。 生物分子作用的测量。s p r 传感器在生物领域的应用范围最为广泛，现 有的商用s p r 传感器基本都是生物传感器。自从1 9 8 3 年s p r 传感系统第一次应用 6 一 第一章绪论 于生物领域【2 们，s p r 生物传感系统已经被广泛应用于各种类型的生物分子检测。 s p r 生物传感系统可用于检测生物分子的结合作用，或者是通过生物分子结合作 用的检测来完成特定生物分子的识别及其浓度的测定，比如早期的抗原一抗体的 相互作用，s t r e p t a t i v i d i n 和维生素h 的相互作用以及一些i g g 检测。现在生物方面 新的应用有检测蛋白质一蛋白质或蛋白质d n a ( d e o x y r i b o n u c l e i ca c i d ) 相互作 用【3 0 1 ，甚至检测蛋白质的结构变化【3 1 1 。还有检测抗瘤蛋白质a p c 的生物化学属 性【3 2 1 ，醣蛋白与单克隆抗体的动态反应过程p 3 】等等。检测过的对象还有细胞色 素c 刚、葡萄糖【3 5 1 、机球素【3 6 1 、铁蛋白【3 7 】、香烟中的烟碱网等等。s p r 传感器 还可用于医学、环境领域。已经有文献报道的有破伤风毒素【3 9 1 、艾滋病毒m 1 的 检测等。 随着国际上商业化s p r 生物传感系统的出现，s p r 传感技术正在成为直接实 时检测生物分子相互作用领域中最重要的技术。 1 9 9 0 年瑞典b i a c o r ea b 发布了第一款商业化s p r 生物传感器b i a c o r e 。其后 b i a c o r e 传感器技术在速度、精确度、产量上都得到了改善。目前b i a c o r e 传感器 有几种类型( b i a c o r e 3 0 0 0 ，b i a c o r e 固2 0 0 0 ，b i a c o r e x ，b i a c o r e 回10 0 0 ， b i a c o r e q u a n f r m ) 。对光学生物传感器商业化日益增长的兴趣又促使德州仪器开 发出另一种生物传感器( t i s p r - ie x p e r i m e n t e r sk i t ，s p r e e t a t me v a l u a t i o nk i t ) ， 见图1 5 。l e d 光源经两次反射照射到光电二极管阵列，光的传播介质为光学塑 料。l e d 、光电 二极管阵列以 及温度传感器 均做在s p r 传 感器低面，方 便接口。 此外，其 它公司也都开 发出了各具特 色的产品，如： 图1 5s p r e e t a t m 型s p r 传感器 美国q u a n t e c h 公司的基于波长测量的光栅耦合方式s p r 传感器，德国b i o t u l b i oi n s t r u m e n t sg m b h 公司研制的k i n e t i ci n s t r u m e n tl ，美国e b is e n s o r s 公司 的基于波长测量的波导方式s p r 传感器，瑞士万通公司的e s p r 单通道电化学 7 一 第一章绪论 表面等离子共振仪，等等。 国内研究s p r 生物传感器的单位有中科院电子所、东南大学等。目前已经 研制出s p r - 2 0 0 0 型表面等离子体谐振生化分析仪，用户评价“是目前国内唯一 具有实用水平的产品。 尽管众多的s p i 啭感系统产品已被投入市场，但这些产品主要还是被用于专 门从事这一领域研究的实验和分析，就连在s p r 传感系统市场上占绝对优势的 b i a c o r e 公司也不例外。这是因为现有的s p r 传感技术与传统分析手段相比，特 别是与免疫检测手段相比，在检测成本、易用性、稳定性、检测效率以及灵敏 度等方面还存在一些不足。 ( 2 ) 发展趋势 s p r 传感技术在生化检测领域具有广阔的应用前景，但要与现有主流检测技 术竞争，s p r 传感技术就必须针对自身的不足，在一些关键技术上有所突破。由 此决定了它的发展趋势t 提高检测灵敏度及分辨率。目前s p r 传感系统所能检测到的生物分子材 料表面最小覆盖量为lx1 0 - 1 2 9 m m 2 ，这对于检测低浓度、小分子量的样品是不 够的。关于这一点，很多科研工作者正在进行一些积极的尝试。例如：改进传 感系统的整体结构和检测手段，可以提高检测的分辨本领；改进传感膜层结构 【4 1 1 ，可以提高生化信息与光信息的转换效率；引入参考通道，可以避免非特异 性响应的影响【4 2 】：优化数据处理算法，可以有效降低噪声等。 提高检测效率。从目前来看，提高检测效率的有效途径应该是多通道检 测4 3 】m 】。采用多通道结构至少有三个明显的优点：( a ) 可以一次完成多个样品 的检测，这在药物筛选中是十分必要的；( b ) 可以一次完成同一样品的不同特 征的检测，这一点可以有效降低疾病检测中存在假阳性的几率；( c ) 在多通道 中设置参考通道，可以消除非特异性响应的影响。 实现器件小型化。器件的小型化可以带来很多好处。如：可以降低制作 成本，提高系统稳定性，减少样品的使用量，容易实现多通道检测，等等。光 纤耦合结构和光学波导结构的s p r 传感系统无疑会在实现小型化方面发挥其独 特的优势【4 5 】。 降低检测成本。降低检测成本的方法除了实现小型化外，更有效的途径 是制作材料的选择。如研究或开发可以替代贵金属的材料，利用光学塑料代替 昂贵的光学玻璃等【4 6 1 。此外，一些传感部件的再生利用应该是降低成本的更加 一8 第一章绪论 有效的途径。 1 2 本文的研究工作与创新点 1 2 1 本文的研究内容 ( 1 ) 提出了基于s p w 及全反射消逝波的共振模型：以薄膜光学理论为基 础，对s p r 响应曲线进行计算机模拟，得到了多种情况下的s p r 响应曲线。为 本文s p r 传感系统的研制和调试工作提供了理论依据。 ( 2 ) 完成s p r 传感系统各子系统的研制。其中，光学系统采用多角度入射 光路，实现无需机械角度扫描，一次完成s p r 响应的快速检测。传感系统包括了 耦合棱镜、金属膜、敏感膜和样品池等，为生物样品的动态检测提供了必要条 件。信号采集系统采用了线阵c c d ( c h a r ec o u p l e dd e v i c e ) 光电转换器件，设 计制作了相应的驱动电路和数据采集电路，并开发了配套的数据采集控制程序， 实现了s p r 响应数据的实时采集与传输。在数据处理与分析系统中，使用v i s u a l b a s i c 语言开发的应用软件可以对s p r 响应数据进行快速滤波、确定共振角等处 理分析，同时可实时显示响应曲线、分析结果等重要信息；使用m i c r o s o f ta c c e s s 开发的数据库，可以完成实验条件、实时数据和历史数据的存储及管理。 ( 3 ) 利用所研制的s p r 传感系统，测试不同实验条件下的s p r 响应，并给 出系统的技术指标。 ( 4 ) 利用所研制的s p r 传感系统，分别对生物样品的体响应及动态结合过 程进行检测分析，并且得到了较为满意的结果。 ( 5 ) 给出了待测物质结合量测定的理论；并设计出待测物质结合量检测的 实验方法。 1 2 2 本文的创新点 ( 1 ) 用m a t l a b 软件对基于棱镜耦合方式的衰减全反射模型进行了s p r 响应曲线的仿真分析，得到了不同条件对响应曲线的影响规律，所得结论对s p r 传感系统的研究具有指导意义。 ( 2 ) 将点光源多角度入射光路系统与c c d 检测系统相结合，一次完成s p r 一9 一 第一章绪论 响应的快速检测，避免了传统机械角度扫描方式所引起的误差，提高了检测精 度及速度，符合s p r 传感器发展趋势。 ( 3 ) 设计了专用的检测电路及数据分析软件，实现了数据采集、传输、处 理及分析的自动化，使其成为一套完整的检测分析系统。 ( 4 ) 使用f i r 滤波方法对信号进行平滑和去噪处理，有效地去除了噪声和 干扰，提高了系统检测精度。 ( 5 ) 设计出定量检测待测物质结合量的实验方法，为今后传感系统拓展应 用空间提供了良好的基础。 一1 0 一 第二章s p r 传感系统的理论研究 第二章s p r 传感系统的理论研究 2 1 理论模型 2 1 1s p r 理论模型 ( 1 ) s p w 的数学描述 r i t c h i e 指出：在金属表面有属于表面所固有的叫做表面等离子体的振动模 式，即s p w 4 7 。因为等离子体振动是与电子疏密状态有关的纵波，所以通常情 况下与电磁波或光等横波没有相互作用，然而，在薄膜中，由于表面等离子体 的原因，却表现出固有的相互作用【4 8 1 。 s p w 是一种t m ( t r a n s v e r s em a g n e t i c ) 波，其磁矢量与s p w 的传播方向垂 直，与表面平行，其波矢与入射光波矢在表面上的分量方向一致；所以入射光 波只有p 偏振光才能与s p w 共振。因此通过在入射光路或者反射光路中加p 偏振片滤掉s 偏振光的方法，可以提高传感器的分辨率。 s p w 沿着两种不同介质的分界面传播，并要求这两种介质的介电常数符号 相反。l v , 女n 说金属和待测绝缘介质，金属的介电常数可表示为复数，并且实部 为负数。 s p w 包括辐射模式和非辐射模式，当它的角频率和波矢之比大于光速即 c o k c 时为辐射模式，因为这种s p w 可以由电磁波激发，并向各个方向辐射 电磁波。当角频率和波矢之比小于光速即t a l k 0 ) e = e o e 鹏吲( 1 ，o , - i k ( k 2 一黝2 c 2 ) - 1 1 2 ) p m 2 一黝2 店) u 2 z ( z 0 。从( 2 1 ) 式可见s p w 沿x 方向 ( 界面) 传播，频率为国，波矢为k ；而且 s p w 的强度在界面处最大，在界面两侧都是 衰减的。要使s p w 的波函数有意义，需满足 k 2 一r m 2i c 2 0 ( k 2 一c o ) 2i c 2 0 因晶 o ，。 ll | | | | | | 7 l o = s + l + j 2 图2 1s p w 波函数坐标示意图 c oc 2 i 0 时，d = 栖，当z 刀时，即光波从光密介质射向光疏介质，当幺超 过某个角度值，只不再存在。但是可以把有关量延伸到复数领域，在形式上斯 奈尔定律和菲涅耳公式同样适用，复数的幅角与电磁波的相位相对应。这种推 理的正确性已经通过实验得到证实。 因为幺是实数，利用折射定律和三角公式把s i n o , 和c o s o , 写成最的函数： s i n o , = 旦s i n b 刀2 ( 2 5 ) c 。s 只= c - 一s i n 2 幺，“2 = c s i n 2 幺一，“2 = ( 卺) 2 s i n 2b 一 2 = c 2 6 ， r 一”n - - l l1 2 s i n 2 0 , - 1 l ，2 ( 2 7 ) 当幺大于临界角时，s i n t 9 t大于1 的实数，c o s o , 是一个纯虚数，r 是一 个实数。利用菲涅耳公式可得： = 一考 筹= i 。l e x p ( 缈甲) ( 2 8 ) 铲羔= k e x 町 ( 2 9 ) 尽管和f p 都是复数，但是它们的模值l o i 和k l 可以理解为反射波和折射 波与入射波的振幅大小之比；它们的相位可以理解为反射波和折射波在界面处 的相位跃变。因为( 2 8 ) 式中分子分母构成一对共轭复数，所以总有： r p = l r , 1 2 = l ( 2 1 0 ) 一1 3 第二章s p r 传感系统的理论研究 反射。乍一看来，当发生全反射时，似乎在第- o r 质中不再存在任何折射波。 但是，根据( 2 9 ) 发现f p 不为零，亦即第二介质中仍有电磁波。不过，从能量 守恒的角度考虑，这个电磁波应该有特殊的性质，这种性质使它不能无限深入 第二介质的内部。 因为金属( 第二介质) 的介电常数为复数，所以我们在复数领域讨论反射 时第二介质中的电磁波【5 0 1 。设折射波矢为t ，入射波矢为丘。第二介质中位矢 量为尹处的电场e t 的表达式为： 毋= e x p v 正芦一f ) 】 ( 2 1 1 ) 其中毛，尹是复矢量。如果把尹的分量写成x 和z ，则： 毛尹= k f x s i n o , + _ z c o s o t ( 2 1 2 ) 根据边界条件和折射定律有： t n , s i s i n n 幺0 i ：= 尼n ，2 s s i i n n 幺o , ( 2 1 3 ) ts i n 幺= 尼，s i n 幺 、7 c 。s 幺= c 一s i n 2 幺，1 ，2 = 。，c s i n 2b 一，1 ，2 = ( 菩n j 2s i n 2 幺一t 2 = 卢c 2 t 4 ， 综合( 2 1 2 ) ( 2 1 4 ) 式，可得第二介质波函数为： 。唧呻矗引卜删 = e , o e x p ( 一鲁k ，r z e 冲c 豇一s i n b ，e 印c 一耐， g - 5 ， 哦十h 一鞫 2 z e x p j ( x x ，s i n 0 , - c o t ， ( 2 1 5 ) 式右端第一个指数不是复数，所以不代表相位，而是毋振幅的一 部分。它表明折射波的振幅随着z 的增大( 即随着波深入第二介质内部) 而作指数 衰减，等振幅面与界面平行。第二个指数是相位的变化部分，在空间分布上只 第二章s p r 传感系统的理论研究 与x 有关，所以等相位面与x 轴垂直，并沿x 方向传播。这个波的色散关系和 速度分别是： k = 一0 7 百s i n o , c 国c ( 2 1 6 ) 国c 1 ，= 一= 一 k fs i n o ,s i n 0 _ f 因为全反射时折射波随着向第二介质内深入而很快减弱，以致在波长数量 级的深度已接近消失，所以通常称为消逝波。因为它的等相位面和等振幅面不 重合，所以它是“非均匀波”。 金属膜的厚度应足够小，以便全反射消逝波能够渗透金属膜而与金属膜的 另一界面的s p w 发生共振。由( 2 1 5 ) 式可知消逝波的振幅衰减系数是： f2 , x l 2 一ls i n z 岛一等l l 刀l 假定刀2 n 1 = 1 5 ( 临界角o c = 4 1 8 。) ，可算出研= 4 5 。时，衰减系数为 1 4 8 九；当0 1 = 6 0 。时衰减系数为3 4 7 , ；t f 。由此得到表2 1 所列的数据。表 中e ，( z ) e ( o ) 代表第二介质中深度为z 处的波振幅与界面处波振幅之比。从表 中可以看出，当消逝波离开界面仅2 2 i 时振幅已经接近零。到l o 疋可认为基本消 失。这样，除了在入射波刚射到界面之初需要花一定能量以建立消逝波电磁场 之外，当达到稳定状态后，不再需要向它提供能量。消逝波只沿着界面传播， 不进入第二介质内部。因而，全反射时透射系数不为零并不违反能量守恒定律。 可见光波长范围在4 0 0 n m 9 0 0 n m ，所以金属膜的厚度应该远小于这一长度， 这从内部场角度说明了金属膜厚度增加，共振现象为什么会减弱。 表2 1消逝波振幅在第二介质中的衰减程度 入i 8入i 4入i 2入i2 入i1 0 入i 4 5 。o 8 3o 6 9o 4 8 0 2 3 o 0 53 7 1 0 7 6 0 。o 6 50 4 2o 1 8o 0 30 0 0 18 1 0 。1 8 ( 3 ) 共振模型 当此消逝波和s p w 的速度匹配时( 即波矢相等时) 会发生共振。由( 2 1 6 ) 一1 5 第二章s p r 传感系统的理论研究 式可见，引入高折射率的入射介质产生的消逝波速度可能与金属一绝缘介质( 介 电常数较小) 界面的s p w 速度一致。a t r ( a t t e n u a t e dt o t a lr e f l e c t i o n ) 正是基 于这个原理的一种激发s p r 的方