溫控表面等離子共振系統(tǒng)及其應(yīng)用

王少鵬,張洪艷,黃懷湘

(1.上海大學(xué)理學(xué)院,上海 200444;2.中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所光化學(xué)轉(zhuǎn)換與功能材料重點實驗室,北京 100190;3.北京服裝學(xué)院北京市紡織納米纖維工程技術(shù)研究中心服裝材料研究開發(fā)與評價北京市重點實驗室,北京 100029)

表面等離子共振(surface plasmon resonance,SPR)傳感技術(shù)是一種新興的檢測方法[1].SPR 傳感器具有實時快速、無標(biāo)記、高靈敏、定量檢測物種相互作用的動力學(xué)過程,并獲得動力學(xué)參數(shù)等優(yōu)點,因而被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、藥物篩選、臨床診斷、食品安全及環(huán)境污染等領(lǐng)域[2-5].目前商用SPR 設(shè)備很多,但價格昂貴.一些小型實用的SPR 可用于多種物種檢測和相關(guān)光學(xué)性能的研究[6-8],但這些系統(tǒng)大部分只適用常溫條件下的檢測,這在某種程度上限制了系統(tǒng)的推廣.

本課題組有多年SPR 實驗系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用基礎(chǔ),將SPR 與激光共聚焦顯微鏡結(jié)合開發(fā)出首臺激光掃描共聚焦表面等離子共振儀,實現(xiàn)了對抗原抗體結(jié)合過程、汞離子與DNA 作用、生物細(xì)胞與蛋白質(zhì)的相互作用及小分子葉酸與生物細(xì)胞之間的相互作用過程的檢測,達(dá)到了多種生物物種及其相互作用過程動力學(xué)參數(shù)的高靈敏檢測[9-12],在此基礎(chǔ)上對等離子檢測技術(shù)進(jìn)行開發(fā).

本工作基于角度調(diào)制型SPR,建立了以鈦合金結(jié)合帕爾貼半導(dǎo)體溫控技術(shù)的SPR 實驗裝置,用25?C 條件下乙醇水溶液濃度變化引起的SPR 信號變化確定了系統(tǒng)檢測靈敏度為497.8?/RIU(refractive index unit,單位折射率),實現(xiàn)了液晶分子5CB(4′-正戊基-4-氰基聯(lián)苯)溫變過程的檢測.

1 角度調(diào)制型SPR 原理

SPR 是一種復(fù)雜的物理光學(xué)現(xiàn)象,當(dāng)光線從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì),光線入射角大于某一特定角度時會發(fā)生全反射現(xiàn)象.若在兩種介質(zhì)中加入特定的金屬膜,入射光在金屬表面全反射時產(chǎn)生的消逝波會進(jìn)入金屬膜中,當(dāng)進(jìn)入金屬膜的消逝波P 分量與金屬膜自身的表面等離子波頻率相等時,消逝波的光能會耦合到表面等離子波中,從而導(dǎo)致反射光強(qiáng)急劇減弱,在反射光譜中出現(xiàn)吸收峰,將反射光強(qiáng)度最低值對應(yīng)的入射角稱為共振角.當(dāng)光疏介質(zhì)折射率發(fā)生微弱變化時,對應(yīng)吸收峰的位置也會發(fā)生明顯變化[13].

表面等離子波中最常用的是Kretschmann 結(jié)構(gòu)模型(見圖1),當(dāng)入射光透過棱鏡入射到金屬膜表面時,入射光圓波數(shù)為,其中,水平方向分量為kx=k sin θ=.根據(jù)麥克斯韋方程組和邊界條件可以得出表面等離子體在x 軸的波矢為

圖1 Kretschmann 結(jié)構(gòu)Fig.1 Kretschmann structure

式中:ω 為入射光的角頻率;c 為真空中光速;ε0,ε1,ε2分別為棱鏡介電常數(shù)、金屬膜介電常數(shù)和空氣介電常數(shù).當(dāng)發(fā)生表面等離子體共振時,入射光波矢水平方向分量與表面等離子波在x 軸的波矢相等,kx=ksp,從而得到,可以看出共振角θspr是棱鏡、金屬膜和樣品介電常數(shù)的函數(shù),當(dāng)棱鏡和金屬膜的介電常數(shù)確定后,共振角只與樣品的介電常數(shù)有關(guān),這樣就可以實現(xiàn)對被測樣品的介電常數(shù)的測量.

2 系統(tǒng)設(shè)計

本工作中SPR 系統(tǒng)主要由光學(xué)系統(tǒng)、溫控裝置和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)三部分組成,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示.在入射光路單元中,He-Ne 激光器發(fā)射的632.8 nm 的光經(jīng)偏振片、衰減片和光闌,形成一準(zhǔn)直的偏振光,經(jīng)斬波器固定頻率后入射到藍(lán)寶石棱鏡,斬波器頻率為鎖相放大器參考頻率;在反射光路單元中,反射光由聚焦透鏡聚焦在硅光電二極管,光信號轉(zhuǎn)換成電信號后再經(jīng)鎖相放大器放大后輸入NI 數(shù)據(jù)采集卡;在溫控單元中,藍(lán)寶石玻璃直角棱鏡(折射率為1.70)和藍(lán)寶石玻璃為基底的傳感芯片一側(cè)通過折射率匹配液相貼合,芯片另一側(cè)鍍有3.9 nm 鉻和49 nm 金,圖2(b)為SPR 系統(tǒng)實物.傳感芯片與帶有帕爾貼溫控傳感的鈦合金材質(zhì)樣品池通過機(jī)械壓合,使樣品和金屬膜充分接觸,樣品池兩端分別有入液口和出液口.反射光路單元和溫控單元分別集成在兩個共周的轉(zhuǎn)動平臺上,入射光路單元固定.如圖2(b)插圖所示,溫控裝置由帕爾貼溫控腔、散熱片和風(fēng)扇組成,溫控裝置體積小,可以通過直流電源對其供電,實現(xiàn)在18～42?C 范圍內(nèi)0.1?C 的溫度控制精度.數(shù)據(jù)采集卡獲得的電信號經(jīng)由Labview 編輯的控制和處理軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集、存儲和處理顯示.

圖2 SPR 系統(tǒng)Fig.2 SPR system

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 系統(tǒng)靈敏度

調(diào)整轉(zhuǎn)臺及光電探測器位置,使入射光線經(jīng)過棱鏡的中心軸線,并以此位置為零入射角.調(diào)整光線入射角的大小,記錄不同入射角對應(yīng)的反射光強(qiáng)度,圖3(a)為入射角和反射光強(qiáng)度的關(guān)系,橫坐標(biāo)為入射光角度,縱坐標(biāo)為反射光強(qiáng)信號,從左到右6 條曲線代表酒精濃度從10%逐漸增大到60%.可以看到,對于每一種溶液而言,隨著入射光角度的增大,反射光強(qiáng)減小,到達(dá)最低點后,光強(qiáng)隨著入射角的增大逐漸增大,曲線最低點對應(yīng)的角度為在此濃度下的共振角.隨著酒精濃度的增大,共振峰的角度也逐漸增大,在圖3(a)中可以清楚地看到當(dāng)酒精濃度由10%增大到60%時,共振角由58.1?移到69.8?.

角度調(diào)制型SPR 傳感器靈敏度可定義為共振角變化量與待測酒精溶液折射率變化的比值,記為S.靈敏度的大小取決于棱鏡材料的折射率,在固定溫度下,與金屬膜的介電常數(shù)以及入射光波長等有關(guān),在棱鏡材料和金屬膜確定的情況下,S=dθ/dn[14].實驗中用阿貝折射儀測量不同酒精濃度的折射率[15],在25?C 下將不同濃度酒精溶液的折射率和圖3(a)對應(yīng)的共振角進(jìn)行對比,得到圖3(b),其中誤差是經(jīng)過3 次檢測的平均值.在折射率和共振角平面內(nèi)實心圓點代表不同濃度酒精溶液.由圖3(b)可見,SPR 共振角與折射率存在線性關(guān)系,紅色實線為線性擬合結(jié)果,斜率為傳感儀器的靈敏度,由此得到SPR 傳感系統(tǒng)的靈敏度為497.8?/RIU.

圖3 SPR 共振角和酒精溶液濃度的關(guān)系Fig.3 Relationship between refractive index and resonance angle of alcohol solution

3.2 5CB 乙醇溶液溫變過程檢測

在樣品池中通入固定濃度的5CB 乙醇溶液,調(diào)節(jié)入射角至共振峰左側(cè)曲線斜率最大時對應(yīng)的位置,改變樣品的溫度,觀察反射光強(qiáng)的實時變化.實驗中10%,20%,30%,40%及50%的5CB 乙醇溶液測試角度分別為59.8?,61.5?,64.3?,67.4?,68?.圖4(a)～(e)是濃度分別為10%,20%,30%,40%及50%的5CB 乙醇溶液SPR 信號強(qiáng)度在不同溫度下的實時變化,橫坐標(biāo)為時間,縱坐標(biāo)為反射光強(qiáng)信號強(qiáng)度,不同顏色的曲線代表液晶溶液在不同溫度下的實時光強(qiáng)信號.以圖4(a)為例,實驗中起始與結(jié)束溫度相同,均為25?C,對應(yīng)曲線的前后兩段,從上到下不同顏色的曲線代表溫度逐漸增加.在時間間隔為700 s 的區(qū)間內(nèi)得到穩(wěn)定的光強(qiáng).可以看出,隨著待測樣品溫度的升高,濃度為10%的5CB 乙醇溶液在共振角附近反射光強(qiáng)信號顯示出規(guī)律性遞減趨勢,如27?C 時光強(qiáng)信號為0.96,41?C 時光強(qiáng)信號為0.66.實驗中可以準(zhǔn)確調(diào)節(jié)測量的時間.對濃度為20%,30%,40%及50%的5CB 乙醇溶液重復(fù)進(jìn)行上述實驗.如圖4(b)～(e)所示,所有實驗結(jié)果都表明,溫度的改變會引起SPR 信號的變化,溫度越高,SPR 信號越小.

以上實驗平行測試3 次,分析溫度與光強(qiáng)信號的關(guān)系,不同濃度5CB 乙醇溶液的溫度與光強(qiáng)信號的線性擬合結(jié)果如圖4(f)所示,圖中不同顏色的點和線分別代表不同濃度5CB 乙醇溶液下的實驗數(shù)據(jù)和線性擬合結(jié)果.從圖4(f)可見,任一濃度的液晶乙醇溶液的溫度與反射光強(qiáng)度信號有著明顯的線性關(guān)系.在不同的溶液濃度條件下,溫度與反射光強(qiáng)度信號的線性相關(guān)系數(shù)均在0.98 以上,表明SPR 信號與液晶溶液濃度間有很好的線性關(guān)系.因此,本工作設(shè)計的系統(tǒng)可以實時監(jiān)測樣品溫變過程,并對反應(yīng)過程實現(xiàn)精確的溫度控制,達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計目的.

圖4 液晶溶液溫變過程檢測Fig.4 Temperature change process detection liquid crystal solution

4 結(jié)束語

本工作基于角度調(diào)制型SPR,自行設(shè)計開發(fā)溫控型單元,建立了溫控SPR 系統(tǒng),靈敏度達(dá)到497.8?/RIU,實現(xiàn)了有效的溫度控制;采用所設(shè)計系統(tǒng)對液晶5CB 乙醇溶液溫度變化過程進(jìn)行檢測,結(jié)果表明在25～41?C 范圍內(nèi),隨著溫度的升高,SPR 光強(qiáng)信號減小,在濃度一定的情況下,樣品溫度與SPR 反射光強(qiáng)度信號有著良好的線性關(guān)系.本工作設(shè)計的溫控SPR 儀器能夠在25～41?C 范圍內(nèi)實現(xiàn)精準(zhǔn)控溫,測量結(jié)果穩(wěn)定,可為多種溫度敏感的生化反應(yīng)過程檢測提供有力的工具.