表面等離子體共振生物傳感器綜述

施玉佳 王凱（江西環境工程職業學院 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（江西環境工程職業學院 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分界面處的表面等離子體共振現象的光學檢測系統，它的主要特點是方便、快捷、無需標記，并且可以用于實時和非破壞性檢測，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用于醫學診斷、藥學研究、食品安全及環境檢測等領域。

表面等離子體；光學；傳感器

一、引言

1902年Wood首次發現了SPR現象。1941年Fano利用金屬和空氣界面上表面電磁波的激發原理解釋了這一現象。1958年Turbader對金屬薄膜采用光的全反射激勵觀察SPR現象。1971年Kretschmann研究了Kretschmann結構，給SPR傳感器的發展奠定了基礎。1983年Linkoping利用SPR來檢測IgG蛋白質與其抗原的相互反應，并由Biacore AB公司開發出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

光從光密介質照向光疏介質發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行反射，而是有部分能量滲透到光疏介質中去，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中的能量形成的電場的電場強度和滲透深度是呈指數衰減的關系。如果以一般的玻璃作為光疏介質，把具有高反射率的金屬作為光密介質鍍在光疏介質上，控制鍍層厚度在50nm以內，那么全反射產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生作用，這種作用是能量耦合，但滿足一定條件時，消失波和等離子體波產生共振，此時入射光能量會轉移到等離子體波內，使得入射光強度（能量）急劇下降，通過光學檢測儀器可以檢測到這一現象。

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，是用棱鏡結構來產生衰減全反射。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，其產生的消失波將與界面等離子體產生共振，即產生了SPR現象。

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去光纖在的一小段包層，然后沉積一層具有高反射率的金屬薄膜。在能夠保證光纖發生全反射的角度范圍內，光纖纖芯和包層的界面產生消失波，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，耦合進去的光能越大（共振），可以在光纖出口處檢測光強損耗或者進行光的波長分布，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300nm。再在該光纖的這一端剝去5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。光纖在光纖中進行全反射傳輸，滿足共振條件時同樣會會產生SPR現象，而且共振光傳輸到端面后反射，在回路時再次產生共振，傳輸到光纖光譜儀進行檢測，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行了分析和比較。發現把波長作為變量時棱鏡耦合法高于衍射光柵偶合法的靈敏度；把角度作為變量時棱鏡耦合法與平面衍射光柵耦合法靈敏度相當；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，在物理結構上采用了肖特基結構，該傳感器是利用精密的微電子加工技術在硅片上鍍上一層40nm金屬膜，此厚度在工藝上要求較為苛刻，將SPR現象轉換成電信號（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，可用于反應機理和過程分析。

四、表面等離子體共振傳感器前景

SPR生物傳感器經過近20年的發展，不斷地在尋求新材料，新技術來提供其實用性，而納米技術的發展為SPR生物傳感器提供了新思路，同時SPR生物傳感器也為納米材料開辟了新領域，納米材料制成的SPR生物傳感器可以使響應信號得到很大程度上的提高，從而提供了其檢測靈敏度，但是同時也帶來了新的問題，比如說納米粒子團聚，非特異性吸附等。因此，納米材料在SPR生物傳感器中的應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，化學反應，開發出更適合用于SPR生物傳感器的納米材料；2.物理尺寸更小，反應時間更短并且能夠適應于特殊環境的SPR生物傳感器將成為關注點和研究熱門。

[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、李翔、陳裕泉.基于表面等離子體共振的生物傳感器的歷史、現狀與前景，《國外醫學生物學工程分冊》，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