小型波长检测型表面等离子体共振分析仪的设计与研制.pdf

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1、第39卷分析化学(FENXIHUAXUE)仪器装置与实验技术第1O期2011年l0月ChineseJournalofAnalyticalChemistry1537～1542小型波长检测型表面等离子体共振分析仪的设计与研制孙颖曹彦波王兴华张寒琦于爱民宋大千(吉林大学化学学院，长春130012)摘要小型波长检测型表面等离子体共振(SPR)分析仪采用固定光的入射角，监测共振波长变化的测量模式，可进行多波长同时测量。设计并组装了SPR分析仪中的微型光纤光谱仪，采用光导纤维输入被测光，固定全息衍射光栅分光，线阵CCD光电传感器检测，可检测的波长范围是500-900nm,分辨率0．23nm。自行编

2、制了控制传感器数据采集和处理的计算机软件，采用信号强度对波长(实际谱图中的横纵坐标)收集实验数据。SPR分析仪不仅小型化，且具有良好的分析性能，可用于定量分析生物分子间相互作用的研究，对人免疫球蛋白(IgG)进行了实时检测，采用3种不同的方法所得到人IgG的最低浓度达到0．15mg／L，并对仪器的稳定性、样品的生物活性等因素进行了考察。关键词表面等离子体共振；微型光纤光谱仪；波长检测型1引言表面等离子体共振(SPR)是入射光在两相界面处发生全内反射时的消失波，可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子体子_10]。在入射角或波长为某一适当值的条件下，表面等离子体子与消失波的频率和波数相等

3、，二者将发生共振，入射光被吸收，使反射光强度急剧下降，在反射光谱上反射光强度最低点所对应的波长为共振波长。当金属薄膜表面介质折射率不同时，共振波长也不同_3]。目前，应用的SPR商品仪器基本是角度调制型，测量的角度范围有限，仪器本身也比较昂贵。本研究基于光栅有的高光谱分辨率和光纤的高光传输能力，且采用光纤可使仪器的设计更加方便，构型更加紧凑，宜于仪器的小型化，成功研制了多波长同时检测型SPR分析仪。本仪器体积小，重量轻，波长范围很宽，可用于定量分析，特别适于分子间相互作用叫]、生物分子与药物分子相互作用l_l仉1门的研究。设计并组装了与SPR分析仪相匹配的检测器——微型光纤光谱仪，采用

4、光导纤维输入被测光，固定全息衍射光栅分光，线阵CCD光电传感器检测。本仪器既可以应用于SPR仪器作为检测单元，也可以应用于其它光谱分析领域。2SPR分析仪的设计与研制2．1仪器结构多波长同时检测型SPR分析仪如图1a所示，仪器由光源、导光系统、SPR传感元件、流通池、微型光纤光谱仪和数据处理系统组成。选用卤钨灯作为光源，从光源发出的白色光经过由2个透镜和1个偏振片构成的平行偏振光管后变成平行偏振光，通过平行偏振光管的出射端狭缝，以一定的角度照射到棱镜的侧面上，经折射后光线到达棱镜的底部(预先用Snell定律计算出保证光线在此界面发生全内反射的入射角度)，底部的外侧镀一层50nm厚的金属

5、薄膜，流通池密封在其上面。光线在棱镜与金属的界面处发生全内反射，然后从棱镜的另一个侧面折射出去，通过下一个透镜聚焦耦合进入微型光纤光谱仪进行分光检测。波长检测型SPR分析仪可以实现多波长同时检测，且检测的波长范围不受限制，这样不仅使传感器表面被检测物质量的范围不受限制，即折射率变化的范围不受限制，而且非常有益于生物分子与药物分子、分子与组织(如细胞)间相互的作用的研究。自行设计并组装的波长检测型SPR分析仪如图1b所示，仪器的外型尺寸为42cmX32cmX13cm。2011—06-30收稿；2011一O8—20接受本文系国家自然科学基金委仪器专项重点项目(No．20727003)，国家

6、自然科学基金项目(No．21075049)，教育部新世纪优秀人才资助项目(No．NECT-10-0443)和吉林省科技发展计划项目(No．20110162)资助*E-mail：songdq@jlu．edu．cn分析化学第39卷2·2光源Fl。w采用固定波长、改变入射角为测量方式的SPR仪器和装置多采用He—Ne激光器(A一632．8nm)做光Li源。发光二极管(LED)也被用作SPR的光源，波长多选择为760nm。对于波长检测型SPR传感装置，最理想的光源应是可以发射各种波长光的连续光源，b而且强度不随波长而改变，并具有足够的强度和稳定性，但实际上很难找到这种光源。在各种连续光源中，白

7、炽灯光源是最廉价易得的，并且具有足够稳定的发光强度，其中，卤钨灯就很适于做SPR研究的膜。加工了3种不同牌号(中国)的棱镜，Table1Typesandrefractiveindicesofopticalglassstudied其相近折射率光学材料的牌号和折射率值对照见表1。从耐用的角度考虑，选用K9光学玻璃做为棱镜材料。棱镜的形状为半球形时最理想，它可以保证与半球形底面成0～180。角的入射光线均与界面垂直，反射光的损失小，且进入棱镜后光线的