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1、第23卷第4期电子器件Vol.23,No.42000年12月JournalofElectronDevicesDec.,2000文章编号:100529490(2000)042238205①SPR生物传感器研制及谱的分析陈士进洪庆月(南京农业大学农业工程学院.南京,210032)(东南大学生物医学工程系.南京,210096)摘要:本文描述了表面等离激元共振(SPR)原理,并给出详细的SPR测量系统硬件及软件框图。最后对棱镜2金属膜2电介质层的SPR谱进行了解析。关键词:SPR谱介电常数中图分类法:Q7、TN01文献标识码:A1引言免疫传感器是以抗原、抗体间的特异性结合特性为基础的
2、定量检测系统。近年来发展了一些能够研究生物分子动力学过程的技术,其中比较引人注目的是表面等离激元共振(SurfacePlasmonResonance,SPR)测定技术。作为一种可以在表面上示踪生物分子特性以及相互作用的方法,它具有实时、原位跟踪动力学表面过程的能力,并且设备简单,不要求进行标记,对样品本身无损伤。2SPR装置基本原理图1为所设计的SPR系统的基本原理图。采用Kretschmann原理,其光学传感测量方式为R2H方式。表面高度抛光的半圆柱型棱镜(半径为1.2cm)的底部经光学切割面抛光。表面高度抛光的玻片(一面沉积一层金属膜)经过光学匹配液和棱镜相连,其作为SP
3、R探测头(厚度为0.2cm)正好和棱镜构成半圆结构。从而保证了入射光束在其扫描过程中始终保持在同一点上,即保证了原位检测。激光器通过偏振片产生P偏振激光激发金属膜产生SPR共振。在反射光的接收装置部分,采用了平面型的半导体光电二极管,省去了反射光接收装置中的机械结构。金膜上面安装了一个微型流动反应池。流动池上有两个小孔,以便于缓冲液的注入和流出。流动池由聚四氟乙烯材料或有机玻璃加工制作。缓冲液通过一个恒流泵被注入池中。来稿日期:2000206206①修稿日期:2000209212©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishin
4、gHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net第4期陈士进,洪庆月:SPR生物传感器研制及谱的分析239图1SPR系统的原理框图图2自动扫描式SPR系统框图3系统整体设计3.1系统硬件设计硬件系统的主体是由微机控制的旋转光学平台以及采样和控制部分,图2所示。它包括微动旋转定位装置、半导体激光源、工作平台、光强检测单元、接口、微机。3.2系统软件设计软件系统分为在线(on2line)和离线(off2line)两部分。在线部的功能是控制仪器按照用户要求完成实验检测。本系统有两种工作方式:角度扫描方式及定点监测方式。用户在设定有关参数后开始
5、进行实验,所采集的数据以曲线形式实时显示。图3为在线测量结构框图。图3在线测量结构框图离线部分的主要功能包括曲线的缩放,合并;输出文本文件及日志文件;曲线峰值、峰位、半峰宽等参数的确定;结合给定的参数确定待测样品的其它参数,谱线的模拟。©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net240电子器件第23卷4结果分析典型的SPR谱如图4示。SPR谱有三个特征量:共振角、最小反射率和半宽度。它们与入射光波长、棱镜的折射率、金属膜的厚度及介电常数
6、、样品膜的厚度及介电常数、介质的介电常数等参数有关。当其中某个参数发生改变时,SPR谱会发生变化。图4典型的SPR谱4.1SPR有关定量计算这里所指的均为KretschmannATR模型。以三层为例,设0为棱镜层,1为金属层,2为介质空间,介电常数分别为E1、E0、E2。p偏振光以波长K入射,入射角为H(H大于临界角)。当达到共振时,应满足条件kx=E0k0sinH=Re(kSP)=Re(2PE1E2ö(E1+E2)öK)(1)-1因此共振角HSPR=sin(ReE1E2ö(E1+E2)öE0)(2)当达到共振角时,反射光强度最弱。根据菲涅尔公式反射率R可这样求得2C01+C
7、12exp(i2kz1d)R=(3)1+C01+C12exp(i2kz1d)式中:Ejkzi-EikzjCij=(4)Ejkzi-Eikzj2X21ö2kzi=(2Ei-kx)(i=0,1,2)(5)cXkx=n0sinH(6)cEi和kzi分别为媒质i的介电常数以及媒质i中垂直于界面的波矢分量。d为金属层的厚度。根据菲涅尔公式,可推得四层模型的反射率为:2C01+C123exp(i2kz1d1)R=(7)1+C01C123exp(i2kz1d1)其中,C12+C23exp(i2kz2d2)C123=(
