李鵬

摘要：表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）傳感是一種高精度的光學(xué)折射率傳感技術(shù)，由于其靈敏度高、無(wú)需標(biāo)記、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在蛋白質(zhì)組學(xué)、遺傳分析、藥物動(dòng)力學(xué)分析、環(huán)境污染物檢測(cè)和食品安全等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的SPR傳感器主要基于對(duì)光的振幅信息的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)折射率傳感，包括強(qiáng)度型、角度型和波長(zhǎng)型等幾種類(lèi)型。新型的相位型SPR傳感器基于相位信息檢測(cè)，其傳感分辨率優(yōu)于傳統(tǒng)的振幅檢測(cè)的SPR傳感器2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，可以達(dá)到10^-9RIU，因此在生物小分子相互作用和微量樣品檢測(cè)中有著巨大的應(yīng)用潛力。

關(guān)鍵詞：相位型表面等離子體共振傳感器；應(yīng)用

一、表面等離子體共振傳感器概述

（一）表面等離子體共振傳感器的基本原理

傳感器是一種能感受被測(cè)量的信息、并能將感受到的信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的器件或裝置，它可以探測(cè)單靠人類(lèi)自身感覺(jué)器官無(wú)法獲取的信息。傳感器通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成：敏感元件指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分，轉(zhuǎn)換元件則將敏感元件感受或響應(yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成可傳輸和測(cè)量的電信號(hào)。表面等離子體共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一種由入射光波與金屬薄膜表面電子互相發(fā)生作用而產(chǎn)生的物理光學(xué)現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象發(fā)生在金屬薄膜表面，光波全反射產(chǎn)生的倏逝波與金屬薄膜中的自由電子相互作用，可以激發(fā)一種金屬薄膜表面的表面等離子波（Surface Plasmon Wave，SPW）。由于入射光波能量的一部分被耦合到SPW中，因此反射光的狀態(tài)也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。而這種耦合與金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率密切相關(guān)，如果將樣品通入到金膜表面，那么就可以利用SPR現(xiàn)象將無(wú)法直接探測(cè)的樣品變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭商綔y(cè)的反射光強(qiáng)度或相位的變化。如圖1所示，SPR傳感器中的敏感元件即為傳感頭，能直接感受樣品溶液的折射率變化；轉(zhuǎn)換元件為探測(cè)器，可以將探測(cè)到的反射光光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這就是SPR傳感器的基本原理。

（二）相位型表面等離子體共振成像傳感器的特點(diǎn)

1.無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)記。在現(xiàn)有的各種生物組織分析方法中，大多數(shù)需要對(duì)樣品進(jìn)行標(biāo)記，例如熒光免疫標(biāo)記（hnmunofluorescence Technique）酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)

2.靈敏度高，所需樣品量極少。對(duì)于分子量為20 Kd的大分子物質(zhì)，其檢測(cè)限制大約為1-10 nmol/L。而一般需要的樣品體積在100，uL左右。

3.實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。細(xì)胞內(nèi)生物分子的相互作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)連續(xù)的過(guò)程，傳統(tǒng)的分析方法只能進(jìn)行靜態(tài)檢測(cè)，而不能對(duì)反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。SPR傳感技術(shù)可以很方便地實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)生物分子相互作用的情形。SPR傳感技術(shù)響應(yīng)迅速，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集處理，大大縮短了檢測(cè)時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。實(shí)踐證明，許多傳統(tǒng)技術(shù)需要幾小時(shí)甚至幾天的分析過(guò)程，但如果采用SPR傳感技術(shù)在幾分鐘內(nèi)就可能完成。

4.無(wú)損傷檢測(cè)。SPR傳感技術(shù)是一種光學(xué)檢測(cè)方法，光線在傳感芯片表面被反射回來(lái)，并不與被測(cè)物接觸；而且由于光線并不是穿透樣品，對(duì)混濁或不透明的樣品也同樣可以進(jìn)行檢測(cè)。

二、相位型表面等離子體共振傳感器的現(xiàn)狀及應(yīng)用

SPR imaging（一般也稱(chēng)作SPR microscopy）是于1987年被Yeatman和Ash首次提出。他們利用SPR成像獲得了銀膜上的介質(zhì)膜圖案分布。由于在SPR成像傳感中，傳感面的信號(hào)通過(guò)成像的方式被面陣圖像傳感器CCD或CMOS接收，使得傳感面理論上可根據(jù)圖像傳感器的像素?cái)?shù)量被分為許多單元，每一個(gè)單元的信號(hào)變化都可以被分別檢測(cè)。由此，為了達(dá)到提高單位時(shí)間內(nèi)的檢測(cè)通量的目的，可以采取多通道傳感面陣型SPR的方式。在SPR成像生物傳感中使用最廣泛的是基于棱鏡耦合法的光路系統(tǒng)，激光經(jīng)過(guò)擴(kuò)束入射在棱鏡底面的金膜傳感面上，金膜與多通道的微流芯片接觸，陣列式的微流芯片內(nèi)的樣品信息通過(guò)反射光成像后被CCD完整接收。并且，隨著近年來(lái)高分辨率CCD的出現(xiàn)以及微流控技術(shù)的發(fā)展，面陣型SPR成像傳感技術(shù)也得到了快速提升。強(qiáng)度型、相位型的SPR傳感器均可以實(shí)現(xiàn)多通道成像傳感。其中強(qiáng)度型SPR與微流技術(shù)的結(jié)合獲得了廣泛的研究。Yiqi Luo等人在2008年提出了一種用于免疫分析的SPR成像微流芯片，可以在10分鐘內(nèi)完成一次免疫反應(yīng)的探測(cè)和計(jì)算。

近年來(lái)，SPR傳感技術(shù)在高通量方面的發(fā)展受到特別的重視。這是由于在臨床應(yīng)用、藥物篩選或生物研究試驗(yàn)中，往往需要大量檢測(cè)不同種類(lèi)的樣品或多種濃度的相同樣品。

如果使用單通道SPR傳感，實(shí)驗(yàn)過(guò)程耗時(shí)耗力，因此可以大大提升檢測(cè)通量，SPR成像傳感技術(shù)開(kāi)始興起。人們很早就了解光一SPS的相互作用會(huì)改變光的相位，并可以用此來(lái)測(cè)量膜厚，但是利用SPR相位信號(hào)進(jìn)行傳感的研究直到90年代后期才開(kāi)始。相位型SPR傳感器是當(dāng)前國(guó)際上研究SPR傳感的熱點(diǎn)方向，其主要基于光的相位改變來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品折射率測(cè)量。其檢測(cè)分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的角度型SPR傳感器，可以達(dá)到10-gRIU。在小分子檢測(cè)、藥動(dòng)力分析、生化污染物檢測(cè)等方面有著巨大的發(fā)展前景。國(guó)內(nèi)多數(shù)研究都集中在角度型、強(qiáng)度型和波長(zhǎng)型SPR傳感器，相對(duì)來(lái)說(shuō)相位型SPR傳感器，尤其是利用微流控技術(shù)實(shí)現(xiàn)相位SPR成像傳感的研究并不廣泛。相比傳統(tǒng)的角度型SPR傳感器，相位SPR傳感器可以達(dá)到更高的檢測(cè)精度（10^-6RIU，同時(shí)也更加容易實(shí)現(xiàn)面陣探測(cè)，在這十幾年來(lái)得到了巨大的發(fā)展。