表面等离子体共振生物传感器的研究现状

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1、表面等离子体共振生物传感器的研究现状一、引言表面等离子共振技术（surfaceplasmonresonancetechnology,SPR）是20世纪90年代发展起来的一种生物分子检测技术，是基于SPR检测生物传感芯片（biosensorchip）上配位体与分析物作用的一种前沿技术，在20世纪初，Wood观测到连续光谱的偏振光照射金属光栅时出现了反常的衍射现象，并且对这种现象进行了公开描述。1941年，Fano用金属与空气界面的表面电磁波激发模型对这一现象给出了解释。1957年，Ritchie发现，当电子穿过金属薄片时存在数量消失峰。他将这种消失峰称之为“能量降低的

2、”等离子模式，并指出了这种模式和薄膜边界的关系，第一次提出了用于描述金属内部电子密度纵向波动的“金属等离子体”的概念。2年后，Powell和Swan用实验证实了Ritche的理论。随后，Stem和Farrell给出了这种等离子体模式的共振条件，并将其称为“表面等离子共振技术（surfaceplasmonresonance,SPR）”。1968年，Otto和Kretschmann等人研究了金属和介质界面用光学方式激发SPR的问题。并分别设计了两种棱镜耦合方式。此后，SPR技术获得了长足的发展。1990年，国际上第一台商业生产的生物传感器在瑞典的Biocore公司诞生。

3、实践证明，SPR传感器与传统检测手段比较，具有无需对样品进行标记，实时监测，灵敏度高等突出优点。所以，在医学诊断，生物监测，生物技术，药品研制和食品安全检测等领域有广阔的应用前景。二、生物传感器的基本原理SPR是一种物理光学现象。表面等离子体（SP）是沿着金属和电介质间的界面传播的电磁波形成的,形成SPR的必要条件之一是金属与电介质界面的存在。当平行表面的偏振光以称之为表面等离子角的入射角照在界面上发生全反射时,入射光被祸合入表面等离子体内,在这个角度由于表面等离子体谐振将引起界面反射率显著减少。SPR对附着在金属表面的电介质的折射率非常敏感,而折射率是所有材料的固

4、有特征。因此,任何附着在金属表面上的电介质均可被检测,不同电介质其表面等离子角不同。而同一种材料,附着在金属表面的量不同,则SPR的响应强度不同。根据上述原理,SPR生物传感器通常将已知的生物分子（如单键DNA分子）固定在几十纳米厚的金属（金、银等）膜表面,加入与其互补的目标生物分子（如目标DNA）,两者结合（杂交）将使金属膜与溶液界面的折射率上升,从而导致谐振角改变,如果固定入射角度,就能根据谐振角的改变程度对互补的目标生物分子进行定量检测。整个传感过程包括：（1）生物分子的相互作用（藕联）（2）敏感层电介质变化（介电常数折射率改变）（3）传感器电磁场变化（反射光

5、波衰减波）（4）光电信号检测（5）信号的连续检测与分析。三、表面等离子体共振技术的一些新应用（1）SPR应用于近场扫描光学显微技术Fischer等人最早将SPR技术应用于近场扫描光学显微技术(near—fieldscanningopticalmicroscopeNSOM）．当时使用的微探针为附着在棱镜表面的聚苯乙烯颗粒．棱镜内全反射的光与镀在棱镜表面和聚苯乙烯颗粒上的金膜产生共振．样品是显微镜的物镜，一方面，可用显微镜来观察和选择聚苯乙烯颗粒，另一方面，物镜的弧度有利于探针和样品的相互接近．实验显示共振的SPW极大地增强了近场光学显微镜的信噪比．随着NSOM的发展，

6、光纤微探针成为主流．Marti等人首先使用Kretschmann配置中的镀膜棱镜作为样品，取得同样的效果。此外，SPR技术用于研制高分辨率近场光学显微镜．由于NSOM的光纤微探针尖端无法做得很细，因此分辨率只能达到十几纳米，不能象STM和AFM那样达到原子级分辨率．后来研制出几种高分辨率的NSOM．其中一种基于SPR技术的近场光学显微镜的分辨率可直接达到原子水平．SPW在金属表面传播时，遇到杂质、缺陷等将会发生散射，此处共振的SPW作圆锥辐射，圆锥顶角与入射角相同．若AFM的实心针尖在金属表面扫描，将作为一个散射中心，辐射出的圆锥形光携带针尖处的信息．由于圆锥辐射光

7、比较微弱，一般用一个锁相放大器以一定频率驱动微悬臂，并检测光电转换器件的输出信号中的同频成分．上述应用SPR技术的近场光学显微镜已经在物理、化学、生物、医学等方面的高分辨率成像得到广泛的应用．值得一提的是，除此基本用途以外，还在以下几方面有着特殊的用途．Bozhvolyi等人将其应用于内表面成像技术．对多层金属薄膜而言，近场区域内的光纤探针检测到的是金属膜内外表面SPW的叠加，通过与剪切力模式得到的表面形貌像综合比较，可以在一定程度上推断内表面形貌。应用SPR技术的近场光学显微镜也提供了一种直接研究SPW散射的手段．Smolyaninov等人将246nm的短脉冲