基于2S2G棱镜的新型反向表面等离子共振生物传感器

李文超，孟晓云，朴瑞琦，赵晶晶，李志全*，童 凯，顾而丹

1. 燕山大学电气工程学院，河北 秦皇岛 066004 2. 东北大学秦皇岛分校控制工程学院, 河北 秦皇岛 066004

基于2S2G棱镜的新型反向表面等离子共振生物传感器

李文超2，孟晓云1，朴瑞琦1，赵晶晶1，李志全1*，童 凯1，顾而丹1

1. 燕山大学电气工程学院，河北 秦皇岛 066004 2. 东北大学秦皇岛分校控制工程学院, 河北 秦皇岛 066004

提出了一种基于反向表面等离子体共振原理，由Ge20Ga5Sb10S65-钯-石墨烯分子-生物分子四层结构构成的新型生物传感器。当生物分子之间发生相互作用时，引起生物分子层折射率的变化，从而导致反向表面等离子体共振角的偏移。在此基础上，根据传输矩阵法推导了传感器的输出光谱，重点讨论了本文提出的传感器与传统传感器相比，在灵敏度、分辨率、动态检测范围以及检测信号信噪比方面取得的进展。另外，通过对比研究，深入分析了辅助介质层石墨烯厚度对传感器性能的影响。最后，利用近红外光作为提出的传感器的入射光，分析了在近红外区域传感器性能的改善。研究结果表明： 单层石墨烯分子使传感器性能达到最佳； 反向表面等离子共振峰强度约为入射光强的80%～90%，使传感器的输出信号具有较大的信噪比； 在可见光区域，当入射光波长为632.8 nm时，提出的反向表面等离子共振生物传感器的分辨率是基于SiO2棱镜耦合反向表面等离子共振生物传感器的1.9倍，是传统表面等离子共振生物传感器的3.5倍，提出的传感器的动态检测范围约是现有传感器的2倍； 利用Ge20Ga5Sb10S65棱镜可使反向表面等离子共振生物传感器检测光波长由可见光区域扩展到近红外区域，当入射光为1 000 nm时，传感器的分辨率是可见光区域的3～4倍。该研究对基于反向表面等离子体共振原理生物传感器的实现与发展具有重要意义。

反向表面等离子体共振； 生物传感； 分辨率； 灵敏度； 信噪比

引 言

表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR)是在P偏振光激励下，金属与电介质交界面处发生电荷密度集体振荡从而影响电磁波传播的一种物理现象。SPR技术因其对介质折射率的高灵敏特性成为近年来传感领域的热点研究课题，特别是在药品研制、临床诊断、基因工程等领域[1-2]，SPR传感技术由于其高灵敏度、实时响应和免标记等特性得到极大发展与应用[3-4]。

目前SPR传感器主要是基于Kretschmann全内反射结构制作，在贵金属薄膜(通常为金和银)的两面分别粘附耦合棱镜和敏感介质层(生物分子)，P偏振光射入棱镜，在棱镜与金属的交界面处发生全内反射，产生SPR现象时，反射谱中的反射光强快速降低，记作Rmin，约接近于零[5]，对应的入射角称为等离子共振角。当生物分子发生相互作用时，引起分子层折射率发生变化，从而导致共振角偏移，通过监测共振角的偏移可以实时检测生物分子间的相互作用。然而光源强度的波动和检测电路中的噪声势必会影响对Rmin的准确测量。早在1993年，Printz等学者在激发SPR波时观察到反向表面等离子体共振(inverted surface plasmon resonance, ISPR)现象[6]，即在反射光谱中反射强度出现显著的最大值峰，记为Rmax，之后Kohns[7]、Logachenva[8]等研究者相继研究了基于Kretschmann结构的ISPR。相比于传统SPR传感器对Rmin的测量，ISPR传感器对Rmax进行测量，提高了信号检测的信噪比和准确性。但是目前在ISPR传感器研究中主要使用SiO2棱镜，入射光被限制在可见光范围内，意大利学者Pradeep等提出了基于硫属化合物(Ge20Ga5Sb10S65, 2S2G)耦合产生SPR的研究，使入射光范围扩展到近红外区域，SPR技术在近红外区域有更高的检测深度[9]。

基于以上研究基础，本文提出了基于2S2G-钯-石墨烯分子层-生物分子四层结构的ISPR生物传感模型，以提高ISPR传感器的检测信号信噪比、灵敏度、分辨率以及动态检测范围。现行文献大量报道，使用单分子层石墨烯作为辅助介质层既可以提高传感器对生物分子的亲和力，而且能保护传感器中的金属薄膜不被氧化，本文所提出的设计结构，充分利用了石墨烯的这一特性来改善传感器性能。

1 原理和方法

1.1 理论研究

利用2S2G高折射率棱镜作为耦合棱镜，2S2G棱镜是硫族化物棱镜的一种，其折射率与波长的关系如式(1)所示[10]

(1)

式(1)中，波长λ的单位为μm。钯的折射率n2根据文献[11]得出，石墨烯的复折射率可用式(2)表示

(2)

其中，波长单位为μm,C=5.446 μm-1为常数，石墨烯单层厚度d=0.34 nm，L层石墨烯的厚度为d3=L×0.34 nm。生物分子层折射率n4的最小值为1.33(约等于水的折射率)。

1.2 传输矩阵法

使用传输矩阵法求入射光为TM波时的的反射光强度[12]。系统结构在Z方向包括N层。第j层介质的厚度为dj，介电常数为εj，折射率为nj，入射角是θ。式(3)和式(4)表示N层介质Fresnel全反射振幅r，全反射系数为R。

(3)

(4)

其中，M是系统的特征矩阵，

(5)

(6)

(7)

1.3 传感器性能指标

ISPR传感器设计中需要考虑灵敏度、共振半峰宽度、动态检测范围等性能指标。传感器的动态检测范围越大，适用范围越广。在角度扫描传感器系统中，反射强度达到Rmax时对应的入射角叫做反向共振角θIres，生物分子发生相互作用时引起折射率n4变化，从而引起θIres发生偏移，传感器的灵敏度定义为

(8)

传感器分辨率定义如式(9)，D与共振半峰宽度(full width at half maximum, FWHM)有关，FWHM越小，分辨率越高，对θIres的测量误差就越小。

(9)

1.4 结构设计

本文设计的结构模型如图1所示，棱镜右侧的光谱检测仪通过检测反射峰Rmax的偏移来检测生物分子之间的相互作用。

Fig.1 Schematic of biosensor based on ISPR

2 结果与讨论

图2给出了运用有限元方法基于Comsol Multiphysics软件模拟产生SPR和ISPR时的磁场分布情况，从图2(a)可以看出，产生SPR时，入射光能量在金属和生物分子交界面处几乎全部消耗，致使反射光强接近于零，反射谱中出现Rmin。图2(b)是ISPR磁场分布图，磁场能量主要分布在棱镜以及金属-生物分子交界面处，表明产生ISPR时反射谱出现Rmax。

Fig.2 Magnetic field distribution of (a) SPR and (b) ISPR

2.1 所提出的ISPR与传统ISPR对比

本文提出的ISPR传感模型和已有的参考ISPR传感模型中分别使用了2S2G棱镜和SiO2棱镜作为耦合棱镜，其他层所用材料相同。各模型的计算条件如表1计算参数所示。以下研究中，对基于金膜的SPR传感器记为Ⅰ型传感器，基于SiO2棱镜的ISPR传感器记为Ⅱ型传感器，本文提出的基于2S2G棱镜的ISPR传感器记为Ⅲ型传感器。

Table 1 Parameters for calculation

图3中曲线表示Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ传感器反射光谱中R与θ的关系。SPR反射谱中的Rmin≈0，由于Rmin值低于噪声水平，难以对Rmin进行精确地检测，从而影响传感器测量的准确性。ISPR传感器是检测反射谱中出现的Rmax，被检测信号具有较大的信噪比，能够提高检测准确度。

Fig.3 The reflectance spectrum of different sensors

改变生物分子层折射率，Ⅱ和Ⅲ型传感器反射谱与θ关系如图4所示，由图4可以看出，当生物分子层折射率从1.33 RIU变为1.34 RIU时，Ⅲ型传感器的共振角偏移0.34°，Ⅱ型传感器共振角偏移0.42°，但Ⅲ型传感器反射谱的FWHM是2.01°，小于Ⅱ型传感器反射谱的FWHM=3.62°。

Fig.4 The relationship between the reflectivity and angle of incidence

传感器分辨率与反射谱的FWHM紧密相关，图5给出了不同传感器FWHM随被测介质层的折射率变化的特性曲线图，可以看出： 当n4从1.33 RIU增加到1.60 RIU时，Ⅰ型传感器的FWHM从5.50°增加到10.09°，Ⅱ型传感器的FWHM从3.53°增加到5.93°，根据分辨率式(9)可以得出，后者的分辨率大约是前者分辨率的1.7倍。在相同的n4变化范围内，Ⅲ型传感器分辨率大约是Ⅰ型传感器的3.5倍，是Ⅱ型传感器的1.9倍。综上分析得出本文提出的基于2S2G高折射率棱镜耦合的ISPR传感器具有优越的分辨性能。

Fig.5 The relationship between n4 and FWHM in different sensors

ISPR传感器中n4的变化对Rmax的影响如图6所示，随着n4的逐渐增大，Rmax都呈下降趋势，但是Ⅲ型传感器中Rmax下降相对较慢。当n4<1.45 RIU时，Ⅱ型传感器反射谱中的Rmax略大于同条件下Ⅲ型传感器反射谱中的Rmax； 当n4=1.45 RIU时，两者相等； 当n4>1.45 RIU时，Ⅲ型传感器反射谱中Rmax显著地高于Ⅱ型传感器反射谱中的Rmax。结果表明基于2S2G的ISPR传感器具有较高的反射峰值，能够提高对输出信号检测的准确性。

Fig.6 The relationship between Rmax andn4 in different sensors

从图4、图5和图6可以得出，当n4变化范围为1.60～1.90 RIU时，基于2S2G的ISPR传感器依然保持较窄的FWHM和较高的反射峰值，表明该传感器具有较大的动态检测范围，约为现有传感器动态检测范围(1.33～1.5 RIU)的2倍。

2.2 石墨烯分子层数对传感器性能的影响

石墨烯分子层具有非常高的比表面积(2 630 m2·g-1)，对于分子具有很好的吸附性，另外，其较强的惰性可以保护金属不被腐蚀，提高传感器整体性能和使用寿命。为了深入了解辅助介质层石墨烯厚度对传感器灵敏度、分辨率及Rmax的影响，进行了详细的仿真实验。初始值设置按照表1中ISPR列所示，但是改变L数值。图7给出了n4分别为1.33，1.60和1.90 RIU，L分别为1，10和20时传感器的反射光谱图，结果表明当L相同时，改变石墨烯分子层的厚度不会对共振峰位置产生影响，所以改变石墨烯分子层数对ISPR传感器的灵敏度没有影响。石墨烯分子层数对反射谱FWHM，Rmax的影响如图8和图9所示。从图8中可以看出，当L一定时，随着n4的增加，Rmax逐渐减小； 当n4不变时，Rmax随着L的增大而线性减少。图9给出了L对FWHM的影响，当n4一定时，随着L的增大，FWHM逐渐增大，当L<10时，FWHM的变化趋势十分缓慢，当L>10时，随着L的增大，反射谱FWHM变化较快。综合以上分析可得，基于石墨烯单分子层的ISPR具有明显的优势。

Fig.7 The influence of L on reflectance spectrum

Fig.8 The influence of L and n4 on the Rmax

Fig.9 The influence of L and n4 on the FWHM

2.3 ISPR传感器在近红外区域的性能研究

由于检测环境与检测安全的要求，以及使用近红外光可以提高ISPR传感器的探测深度等原因，研制近红外ISPR传感器就具有十分重要的意义，但基于SiO2棱镜耦合的ISPR传感器仅适用于可见光范围内，本文使用2S2G高折射率棱镜作为耦合棱镜，使传感器具有较宽的波长适用范围，不仅能在可见光，还可以在近红外区域内对生物分子之间的相互作用进行检测。

2.3.1 近红外区域传感器灵敏度的研究

当入射波长分别为632.8和1 000 nm，n4分别为1.33和1.50 RIU时，ISPR传感器的反射谱如图10所示，其中，λ=1 000 nm，相对应的计算参数见表2。从图10的仿真结果可以看出入射光在近红外区域时使得ISPR反射峰值整体右移。当λ=1 000 nm，n4>1.6时，ISPR反射广谱出现两个共振峰，会影响检测装置的准确测量，因此我们把使用近红外光检测的ISPR传感器动态检测范围限定在1.33～1.50 RIU之内，图11给出了波长分别为632.8和1 000 nm时，n4变化对θIres的影响, 根据式(8)可得，当检测光波长改变时，ISPR传感器的灵敏度不变，且θIres偏移量与n4的变化呈线性关系。

Table 2 Parameters for calculation

Fig.10 The relationship between the reflectivity and angle of incidence under different wavelength

Fig.11 The influence of different incident wavelengths on the θIres

Fig.12 The influence of different incident wavelengths on the FWHM

Fig.13 The influence of different incident wavelengths on Rmax

2.3.2 近红外区域传感器分辨率的研究

图12给出了传感器在可见光和近红外光检测条件下反射谱的FWHM，由式(9)得，该ISPR传感器的分辨率在近红外区域大约是可见光区域的3～4倍，是基于SiO2棱镜ISPR传感器的6～8倍，是传统SPR传感器的10～14倍。

2.3.3 近红外区域传感器Rmax的研究

图13是传感器在可见光和近红外光检测条件下的反射谱Rmax随n4的变化曲线图，在近红外区域，ISPR反射谱具有较大的Rmax，当n4改变时Rmax保持在0.9附近，强于在可见光区域的反射谱的Rmax≈0.8。

3 结 论

提出了一种基于2S2G棱镜-钯薄膜-石墨烯分子层-生物分子四层结构的反向表面等离子体共振(ISPR)生物传感器结构，对最大反射光强的检测，提高了传感器的检测准确性。给出了SPR和ISPR磁场分布示意图。研究和分析表明，相对基于SiO2棱镜的ISPR传感器，高折射率2S2G棱镜的使用，使传感器的分辨率在入射波长为λ=632.8 nm时提高了0.9倍，动态检测范围提高了1倍。2S2G棱镜的使用可使检测光由可见光扩展到近红外光，在近红外区域λ=1 000 nm，ISPR传感器的分辨率是利用可见光检测分辨率的3～4倍，约是基于SiO2棱镜ISPR传感器分辨率的6～8倍，是传统SPR传感器的10～14倍，本文提出的ISPR传感器，在可见光区域λ=632.8 nm和近红外区域λ=1 000 nm时灵敏度不变； 石墨烯分子层为单层时，传感器性能最佳。

[1] Toma M, Toma K, Adam P, et al. Optics Express, 2012, 20(13): 14042.

[2] Zeng S, Baillargeat D, Ho H P, et al. Chemical Society Reviews, 2014, 43(10): 3426.

[3] Liu Z, Liu L, Wang X, et al. Journal of Biomedical Optics, 2012, 17(3): 0360021.

[4] LUO Yun-han, CHEN Xiao-long, XU Meng-yun, et al(罗云瀚，陈小龙，徐梦云，等). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析)，2014, 34(3): 577.

[5] Luca S. Physical Review A, 2012, 86(5): 055801.

[6] Printz M, Sambles J R. Journal of Modern Optics，1993, 40(11): 2095.

[7] Kohns P, Logacheva E I, Makin V S, et al. Advanced Optoelectronics and Lasers, 2005. Proceedings of CAOL 2005. Second International Conference on. IEEE, 2005, 2: 340.

[8] Logacheva E I, Makin V S, Pestov Y I, et al. Journal of Optical Technology，2006, 73(6): 409.

[9] Islam M S, Kouzani A Z, Dai X J, et al. Journal of Biomedical Nanotechnology, 2012, 8(3): 380.

[10] Pradeep K M, Rajan J. Sensors and Actuators B, 2012, 169: 161.

[11] Ordal M A, Long L L, Bell R J, et al. Applied Optics, 1983, 22(7): 1099.

[12] Roli V, Banshi D Guptaa, Rajan J. Sensors and Actuators B, 2011, 160(1): 623.

*Corresponding author

Brand-New Ge20Ga5Sb10S65Prism Biosensor Based on Inverted SPR

LI Wen-chao2, MENG Xiao-yun1, PIAO Rui-qi1, ZHAO Jing-jing1, LI Zhi-quan1*, TONG Kai1, GU Er-dan1

1. College of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China 2. College of Control Engineering, Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China

Based on inverted surface plasmon resonance (ISPR) a novel biosensor consisting of Ge20Ga5Sb10S65-palladium-graphene layer-biomolecule layer is proposed. The refractive index of biomolecule layer alters as biomolecule experience interactions, thus leading to a shift of ISPR angle. On this basis, the spectrum output of sensor is derived by transfer matrix method. The sensitivity, the resolution, the dynamic detection range and the signal to noise ratio of the presented sensor are discussed and compared with the performance of traditional sensors. Moreover, the influences of grapheme layer thickness on sensors are analyzed with comparative study. Finally, near infrared is used as the incident light of the presented sensor. The results show that, the best thickness of grapheme layer is monolayer; the peak intensity of the ISPR reflection is about 80%～90% of intensity of incident light, guaranteeing a high signal to noise ratio; In the visible light, whenλ=632.8 nm, the presented sensor is 1.9 times the resolution of the sensor based on SiO2coupling inverted surface plasmon resonance, is 3.5 times the resolution of the sensor based on surface plasmon resonance(SPR), and is 2 times the dynamic detection range of pre-existing biosensor based on SPR. The application of Ge20Ga5Sb10S65prism extends the detection light wavelength from the visible region to the near infrared region. Whenλ=1 000 nm, the sensor is 3～4 times of the sensor in visible region. The research greatly contributes to the realization and application of biosensor based on inverted surface plasmon resonance.

Inverted surface plasmon resonance; Biosensor; Resolution; Sensitivity; Signal to noise ratio

Feb. 26, 2015; accepted May 19, 2015)

2015-02-26，

2015-05-19

国家自然科学基金项目(61172044)，河北省百人计划项目(4570018)和河北省自然科学基金项目(F2014501150)资助

李文超，1979年生，东北大学秦皇岛分校控制工程学院讲师 e-mail: chao121328@sohu.com *通讯联系人 e-mail: lzq54@ysu.edu.cn

O433

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0571-06