基于相位型表面等离子体共振成像的传感器及其应用

李鹏

摘要：表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）传感是一种高精度的光学折射率传感技术，由于其灵敏度高、无需标记、实时性强等特点，被广泛应用在蛋白质组学、遗传分析、药物动力学分析、环境污染物检测和食品安全等领域。传统的SPR传感器主要基于对光的振幅信息的检测来实现折射率传感，包括强度型、角度型和波长型等几种类型。新型的相位型SPR传感器基于相位信息检测，其传感分辨率优于传统的振幅检测的SPR传感器2-3个数量级，可以达到10^-9RIU，因此在生物小分子相互作用和微量样品检测中有着巨大的应用潜力。

关键词：相位型表面等离子体共振传感器；应用

一、表面等离子体共振传感器概述

（一）表面等离子体共振传感器的基本原理

传感器是一种能感受被测量的信息、并能将感受到的信息按照一定的规律转换成电信号输出的器件或装置，它可以探测单靠人类自身感觉器官无法获取的信息。传感器通常由敏感元件和转换元件组成：敏感元件指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件则将敏感元件感受或响应的被测量转换成可传输和测量的电信号。表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种由入射光波与金属薄膜表面电子互相发生作用而产生的物理光学现象。这个现象发生在金属薄膜表面，光波全反射产生的倏逝波与金属薄膜中的自由电子相互作用，可以激发一种金属薄膜表面的表面等离子波（Surface Plasmon Wave，SPW）。由于入射光波能量的一部分被耦合到SPW中，因此反射光的状态也会相应发生变化。而这种耦合与金属薄膜表面的介质折射率密切相关，如果将样品通入到金膜表面，那么就可以利用SPR现象将无法直接探测的样品变化转变为可探测的反射光强度或相位的变化。如图1所示，SPR传感器中的敏感元件即为传感头，能直接感受样品溶液的折射率变化；转换元件为探测器，可以将探测到的反射光光强转化为电信号。这就是SPR传感器的基本原理。

（二）相位型表面等离子体共振成像传感器的特点

1.无需对样品进行标记。在现有的各种生物组织分析方法中，大多数需要对样品进行标记，例如荧光免疫标记（hnmunofluorescence Technique）酶联免疫吸附试验

2.灵敏度高，所需样品量极少。对于分子量为20 Kd的大分子物质，其检测限制大约为1-10 nmol/L。而一般需要的样品体积在100，uL左右。

3.实时动态检测。细胞内生物分子的相互作用是一个动态连续的过程，传统的分析方法只能进行静态检测，而不能对反应过程进行实时动态监测。SPR传感技术可以很方便地实时动态监测生物分子相互作用的情形。SPR传感技术响应迅速，通过计算机实时采集处理，大大缩短了检测时间，提高了检测效率。实践证明，许多传统技术需要几小时甚至几天的分析过程，但如果采用SPR传感技术在几分钟内就可能完成。

4.无损伤检测。SPR传感技术是一种光学检测方法，光线在传感芯片表面被反射回来，并不与被测物接触；而且由于光线并不是穿透样品，对混浊或不透明的样品也同样可以进行检测。

二、相位型表面等离子体共振传感器的现状及应用

SPR imaging（一般也称作SPR microscopy）是于1987年被Yeatman和Ash首次提出。他们利用SPR成像获得了银膜上的介质膜图案分布。由于在SPR成像传感中，传感面的信号通过成像的方式被面阵图像传感器CCD或CMOS接收，使得传感面理论上可根据图像传感器的像素数量被分为许多单元，每一个单元的信号变化都可以被分别检测。由此，为了达到提高单位时间内的检测通量的目的，可以采取多通道传感面阵型SPR的方式。在SPR成像生物传感中使用最广泛的是基于棱镜耦合法的光路系统，激光经过扩束入射在棱镜底面的金膜传感面上，金膜与多通道的微流芯片接触，阵列式的微流芯片内的样品信息通过反射光成像后被CCD完整接收。并且，随着近年来高分辨率CCD的出现以及微流控技术的发展，面阵型SPR成像传感技术也得到了快速提升。强度型、相位型的SPR传感器均可以实现多通道成像传感。其中强度型SPR与微流技术的结合获得了广泛的研究。Yiqi Luo等人在2008年提出了一种用于免疫分析的SPR成像微流芯片，可以在10分钟内完成一次免疫反应的探测和计算。

近年来，SPR传感技术在高通量方面的发展受到特别的重视。这是由于在临床应用、药物筛选或生物研究试验中，往往需要大量检测不同种类的样品或多种浓度的相同样品。

如果使用单通道SPR传感，实验过程耗时耗力，因此可以大大提升检测通量，SPR成像传感技术开始兴起。人们很早就了解光一SPS的相互作用會改变光的相位，并可以用此来测量膜厚，但是利用SPR相位信号进行传感的研究直到90年代后期才开始。相位型SPR传感器是当前国际上研究SPR传感的热点方向，其主要基于光的相位改变来实现样品折射率测量。其检测分辨率远远高于传统的角度型SPR传感器，可以达到10-gRIU。在小分子检测、药动力分析、生化污染物检测等方面有着巨大的发展前景。国内多数研究都集中在角度型、强度型和波长型SPR传感器，相对来说相位型SPR传感器，尤其是利用微流控技术实现相位SPR成像传感的研究并不广泛。相比传统的角度型SPR传感器，相位SPR传感器可以达到更高的检测精度（10^-6RIU，同时也更加容易实现面阵探测，在这十几年来得到了巨大的发展。