基于相位型表面等離子體共振成像的傳感器及其應用

李鵬

摘要：表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）傳感是一種高精度的光學折射率傳感技術，由于其靈敏度高、無需標記、實時性強等特點，被廣泛應用在蛋白質組學、遺傳分析、藥物動力學分析、環境污染物檢測和食品安全等領域。傳統的SPR傳感器主要基于對光的振幅信息的檢測來實現折射率傳感，包括強度型、角度型和波長型等幾種類型。新型的相位型SPR傳感器基于相位信息檢測，其傳感分辨率優于傳統的振幅檢測的SPR傳感器2-3個數量級，可以達到10^-9RIU，因此在生物小分子相互作用和微量樣品檢測中有著巨大的應用潛力。

關鍵詞：相位型表面等離子體共振傳感器；應用

一、表面等離子體共振傳感器概述

（一）表面等離子體共振傳感器的基本原理

傳感器是一種能感受被測量的信息、并能將感受到的信息按照一定的規律轉換成電信號輸出的器件或裝置，它可以探測單靠人類自身感覺器官無法獲取的信息。傳感器通常由敏感元件和轉換元件組成：敏感元件指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分，轉換元件則將敏感元件感受或響應的被測量轉換成可傳輸和測量的電信號。表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一種由入射光波與金屬薄膜表面電子互相發生作用而產生的物理光學現象。這個現象發生在金屬薄膜表面，光波全反射產生的倏逝波與金屬薄膜中的自由電子相互作用，可以激發一種金屬薄膜表面的表面等離子波（Surface Plasmon Wave，SPW）。由于入射光波能量的一部分被耦合到SPW中，因此反射光的狀態也會相應發生變化。而這種耦合與金屬薄膜表面的介質折射率密切相關，如果將樣品通入到金膜表面，那么就可以利用SPR現象將無法直接探測的樣品變化轉變為可探測的反射光強度或相位的變化。如圖1所示，SPR傳感器中的敏感元件即為傳感頭，能直接感受樣品溶液的折射率變化；轉換元件為探測器，可以將探測到的反射光光強轉化為電信號。這就是SPR傳感器的基本原理。

（二）相位型表面等離子體共振成像傳感器的特點

1.無需對樣品進行標記。在現有的各種生物組織分析方法中，大多數需要對樣品進行標記，例如熒光免疫標記（hnmunofluorescence Technique）酶聯免疫吸附試驗

2.靈敏度高，所需樣品量極少。對于分子量為20 Kd的大分子物質，其檢測限制大約為1-10 nmol/L。而一般需要的樣品體積在100，uL左右。

3.實時動態檢測。細胞內生物分子的相互作用是一個動態連續的過程，傳統的分析方法只能進行靜態檢測，而不能對反應過程進行實時動態監測。SPR傳感技術可以很方便地實時動態監測生物分子相互作用的情形。SPR傳感技術響應迅速，通過計算機實時采集處理，大大縮短了檢測時間，提高了檢測效率。實踐證明，許多傳統技術需要幾小時甚至幾天的分析過程，但如果采用SPR傳感技術在幾分鐘內就可能完成。

4.無損傷檢測。SPR傳感技術是一種光學檢測方法，光線在傳感芯片表面被反射回來，并不與被測物接觸；而且由于光線并不是穿透樣品，對混濁或不透明的樣品也同樣可以進行檢測。

二、相位型表面等離子體共振傳感器的現狀及應用

SPR imaging（一般也稱作SPR microscopy）是于1987年被Yeatman和Ash首次提出。他們利用SPR成像獲得了銀膜上的介質膜圖案分布。由于在SPR成像傳感中，傳感面的信號通過成像的方式被面陣圖像傳感器CCD或CMOS接收，使得傳感面理論上可根據圖像傳感器的像素數量被分為許多單元，每一個單元的信號變化都可以被分別檢測。由此，為了達到提高單位時間內的檢測通量的目的，可以采取多通道傳感面陣型SPR的方式。在SPR成像生物傳感中使用最廣泛的是基于棱鏡耦合法的光路系統，激光經過擴束入射在棱鏡底面的金膜傳感面上，金膜與多通道的微流芯片接觸，陣列式的微流芯片內的樣品信息通過反射光成像后被CCD完整接收。并且，隨著近年來高分辨率CCD的出現以及微流控技術的發展，面陣型SPR成像傳感技術也得到了快速提升。強度型、相位型的SPR傳感器均可以實現多通道成像傳感。其中強度型SPR與微流技術的結合獲得了廣泛的研究。Yiqi Luo等人在2008年提出了一種用于免疫分析的SPR成像微流芯片，可以在10分鐘內完成一次免疫反應的探測和計算。

近年來，SPR傳感技術在高通量方面的發展受到特別的重視。這是由于在臨床應用、藥物篩選或生物研究試驗中，往往需要大量檢測不同種類的樣品或多種濃度的相同樣品。

如果使用單通道SPR傳感，實驗過程耗時耗力，因此可以大大提升檢測通量，SPR成像傳感技術開始興起。人們很早就了解光一SPS的相互作用會改變光的相位，并可以用此來測量膜厚，但是利用SPR相位信號進行傳感的研究直到90年代后期才開始。相位型SPR傳感器是當前國際上研究SPR傳感的熱點方向，其主要基于光的相位改變來實現樣品折射率測量。其檢測分辨率遠遠高于傳統的角度型SPR傳感器，可以達到10-gRIU。在小分子檢測、藥動力分析、生化污染物檢測等方面有著巨大的發展前景。國內多數研究都集中在角度型、強度型和波長型SPR傳感器，相對來說相位型SPR傳感器，尤其是利用微流控技術實現相位SPR成像傳感的研究并不廣泛。相比傳統的角度型SPR傳感器，相位SPR傳感器可以達到更高的檢測精度（10^-6RIU，同時也更加容易實現面陣探測，在這十幾年來得到了巨大的發展。