摘要：重金屬離子濃度的檢測對于人體健康和環(huán)境科學等領域具有重要意義。與其它離子檢測方法相比，表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）技術具有無標記，靈敏度高和檢測限低等優(yōu)點，為重金屬離子監(jiān)測領域帶來了新的可能性。本文綜述了SPR傳感技術在重金屬離子檢測中的應用及其技術進展。首先介紹了SPR傳感的技術原理；然后在傳感材料的選擇以及表面修飾等方面，針對鉛、汞等有害重金屬離子，重點闡述了對靈敏度、線性動態(tài)范圍和特異性等指標的改進；最后介紹了SPR成像傳感技術在檢測速度、靈敏度等方面取得的重大進展，展望了SPR技術的發(fā)展前景。

關鍵詞：表面等離子體共振；光學傳感器；重金屬離子；SPR成像

中圖分類號：TP 212文獻標志碼：A

Research progress on SPR-based heavy metal ion detection technology

LIU Xiaorui1，QIUPing1，LIU Qian1，CHEN Jiajie1，WANG Xueliang1，DAI Xiaoqi1，HUANG Songfeng1，SHAO Yonghong1，2

（1.College of Physics and Optoelectronic Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China;

2.Shandong Shenda Optical Technology Co.，Ltd.，Yantai 264000，China）

Abstract：The detection of ion concentration is of great significance in the fields of human health and environmental science.Compared with other ion detection methods，surface plasmon resonance（SPR）technology has the advantages of label-free detection，high sensitivity，and low detection limits，which brings new possibilities to the field of heavy metal ion monitoring.This article reviews the application and technical advances of SPR sensing technology in heavy metal ion detection.Firstly，this paper introduces the technical principles of SPR sensing.Then the paper focuses on the selection of sensing materials and surface modification，it emphasizes improvements in indicators such as sensitivity，linear dynamic range，specially for harmful heavy metal ions such as Pb2+and Hg2+.Finally，the significant progress in terms of detection speed，sensitivity，etc.is introduced，and the development prospects of SPR technology is discussed.

Keywords：surface plasmon resonance;optical sensor;heavy metal ion;SPR imaging

引言

眾所周知，重金屬離子（如汞、鉛、鎘等）是生物體內的有害物質，這些重金屬離子具有高毒性、累積性和持久性，對人體的神經系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)以及各種器官都會造成損害。同時，微量元素（如銅和鐵等）對于人體的正常生理功能是必需的，但攝入過量或不足都會產生負面影響。人們研究了許多檢測這些離子含量的方法。傳統(tǒng)的離子檢測技術有電感耦合等離子體質譜法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）[1]、原子吸收/發(fā)射光譜法（atomic absorption/emission spectrometry，AAS/AES）[2-3]、微波誘導等離子體原子發(fā)射光譜法（microwave induced plasma atomic emission spectroscopy，MIP-AES）、X射線熒光法（X-ray fluorescence，XRF）等，這些檢測技術均涉及昂貴的儀器。它們操作復雜且不可移動，必須正確維護和經常校準，特別是在檢測相同的復雜混合物時，它們難以分析或區(qū)分特定形態(tài)的元素。為此，研究者們又提出了電化學法、熒光光譜、比色法。與上述傳統(tǒng)的檢測方法相比，它們的檢測靈敏度更高，具有良好的特異性或可以進行多元素分析，而且所需儀器體積小，操作較為方便；但它們耗時、昂貴，需要樣品制備和特殊的操作培訓。1990年，Biacore AB公司研制出世界上第一臺商業(yè)表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）分析儀器。隨著納米科技的發(fā)展，人們研制出了一系列基于SPR的檢測技術。該方法具有成本低，免標記，檢測速度快等特點，并且對重金屬離子具有優(yōu)異的檢測靈敏度和特異性。本文概述了SPR技術在離子檢測中的應用，特別介紹了從SPR傳感材料和SPR傳感結構等方面提高檢測靈敏度、動態(tài)范圍和特異性等指標的技術進展。

1用于重金屬離子的SPR檢測技術原理和結構

1.1 SPR檢測原理

SPR技術有靈敏度高，所需樣本量少，待分析物無需標記，可實時動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)點，是一種常用于生物分子相互作用研究和離子檢測的方法。SPR是一種物理學現象，當光束從光密介質入射到光疏介質，且入射角大于臨界角時，會發(fā)生全反射，產生的倏逝波透入光疏介質約一個波長的深度。當橫向磁場（transverse magnetic，TM）偏振態(tài)的平行入射的偏振光以特定角度照射到金屬–介質界面上時，產生的倏逝波使得金屬表面的自由電子被激發(fā)形成表面等離子體波（surface plasmon wave，SPW）。當入射光的角度等參數滿足特定的波矢適配條件時，倏逝波與SPW發(fā)生共振。當有離子存在時，它們會改變金屬表面附近的介電常數，從而影響SPW的傳播。這種影響可以通過監(jiān)測反射光的強度或角度等參數來測量。通過測量這些參數的變化，可以獲得離子吸附到金屬表面上的信息，進而實現離子的檢測和分析。

1.2 SPR產生結構

在實際操作中，光波需要在特定介質中傳播，再入射到金屬膜表面，才能實現與SPW的波矢匹配。為了滿足這個要求，Kretschmann提出了棱鏡耦合結構[4-5]，如圖1所示。利用光密介質的全反射使倏逝波的波矢提高，實現倏逝波的波矢和SPW波矢匹配，產生SPR現象。Kretschmann耦合結構簡單，易于實現，已經成為目前應用最廣泛的SPR耦合結構。

與Kretschmann耦合結構類似，Otto耦合結構是另一種衰減全反射結構，如圖2（a）所示。它的特點是樣品位于棱鏡和金屬薄膜之間，而非直接覆蓋在金屬薄膜上。這樣的排列方式導致樣品與金屬薄膜之間的間距通常非常小。由于難以精確控制這個小的間距，實際應用中很少采用Otto結構。

除了衰減全反射耦合結構外，SPW的激發(fā)還可以通過光柵耦合[6-7]和光纖耦合[8-9]來實現。光柵耦合結構如圖2（b）所示，它是一種利用光柵衍射作用激發(fā)SPW的結構。在光柵耦合結構中，先將金屬膜鍍在光柵上，當入射光照射到光柵表面時，由于光柵的衍射作用，會產生以不同反射角度反射的光。其中，沿光柵平面方向的波矢量增加的光會激發(fā)SPW。當入射光的波矢與SPW波矢匹配時，會發(fā)生SPR現象，該波長的反射光能量會顯著降低。然而，光柵耦合結構中要求被檢測樣品有一定的透明度，因為入射光要通過檢測樣品透射到光柵表面。但并不是所有樣品都具備足夠的透明性，所以這種結構的實際應用受到一定的限制。

隨著光纖技術的發(fā)展，光纖SPR傳感技術不斷走進人們的視野。光纖耦合技術是一種常用的光學傳感器方法，它通過去除光纖的包層并把金屬層鍍到纖芯上，借助內部的導波結構，可以有效激發(fā)SPW，光纖結構如圖2（c）所示。這種光纖耦合結構具有許多優(yōu)勢，如成本低、靈敏度高。此外，光纖具有高度的靈活性，這使得光纖SPR傳感器易于實現小型化設計和遠程遙控檢測。另外，光纖本身具有絕緣和屏蔽功能，使得光纖具有出色的抗噪性能。為了實現離子的特異性選擇，需要選擇合適的SPR傳感膜的金屬材料，同時在金屬表面引入特定的功能分子或生物分子。

2 SPR檢測離子的技術進展

SPR傳感器的性能受許多因素的影響，如傳感材料和傳感器的結構。傳感材料對金屬離子的檢測靈敏度和特異性至關重要，是SPR重金屬離子傳感器設計的首要任務。下面著重從這兩方面進行綜述。

2.1 Kretschmann結構與薄膜的結合

石墨烯基材料，如氧化石墨烯（GO），由于其更大的表面積和更高的π共軛結構，已被用于提高SPR傳感器的靈敏度。此外，氧化石墨烯在可見光范圍內能夠促進或增強表面等離激元的存在和傳播，其平面片狀結構為SPR傳感器提供了額外的保護[10-12]。

2018年，Mukhtar等[13]研究了納米復合膜的厚度對檢測Pb2+的SPR傳感性能的影響。研究表明，復合膜的厚度影響SPR傳感器的靈敏度。傳感Ag膜厚度tAg=48 nm時，傳感器的最佳靈敏度為0.452°/RIU，偏角移動0.905o。2018年，Alwahib等[14]報道了一種還原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）/磁赤鐵礦沉積的棱鏡型SPR傳感器，用于檢測水中的Pb2+。其SPR光路結構如圖3所示。在裝置中采用樣品循環(huán)設計，成功地將檢測限提高至0.3μg/L。

2018年，Daniyal等[15]將SPR光譜調制結構與十六烷基三甲基溴化銨修飾的納米晶纖維素和氧化石墨烯復合材料（CTA-NCC/GO）薄膜相結合，對Cu2+進行傳感。與裸金薄膜相比，CTA-NCC/GO的存在增強了SPR傳感器對Cu2+的傳感能力。采用SPR光譜法對Cu2+在CTA-NCC/GO薄膜上的結合進行了監(jiān)測，檢測范圍為0.01～0.5 mg/L，并達到飽和值。當Cu2+濃度在0.01～0.1 mg/L時，靈敏度達到3.271°/（mg·L?1）。2019年，Roshidi等[16]通過旋涂法制備了氧化石墨烯/聚氨基胺（GO/PAMAM）樹枝狀復合物薄膜，用于Hg2+的電位檢測。傅里葉變換紅外光譜分析結果證實了GO和PAMAM之間的相互作用，GO/PAMAM薄膜與SPR光譜的結合產生了對不同Hg2+質量濃度的正響應，在較低（<10 mg/L）時靈敏度為0.006 57°/（mg·L?1），在較高（>10 mg/L）時靈敏度為0.000 68°/（mg·L?1）。

殼聚糖對重金屬離子具有良好的導電性和吸附性，被用作吸收金屬離子的絡合劑。2016年Kamaruddin等[17]在殼聚糖–氧化石墨烯（chitosan-graphene oxide，CS-GO）SPR傳感器中采用金–銀–金納米結構的多金屬層來增強信號，用于Pb2+檢測。金–銀–金多金屬層可以有效地提高銫–鎵SPR傳感器檢測鉛離子溶液的線性范圍和飽和點，線性范圍為0.1～5 mg/L，在0.1～1 mg/L范圍內的線性回歸系數為0.98，靈敏度為2.05°/（mg·L?1）。使用三金屬層的CS-GO SPR傳感器可以分辨出10?5的折射率變化，且提高了SPR角度的偏移量。2017年，Kamaruddin等[18]首次利用金/銀/金/殼聚糖–氧化石墨烯（Au/Ag/Au/CS-GO）SPR傳感器，在0.1～5 mg/L的濃度范圍內，實驗計算出Pb2+和Hg2+離子的結合親和常數K，從而證實了這種傳感器在重金屬監(jiān)測中的優(yōu)異性能。具體光路如圖4所示，采用Kretschmann結構，研究了傳感器的靈敏度、線性范圍、重復性和信噪比（SNR）等的傳感性能。Pb2+和Hg2+在傳感器上的吸附數據符合朗繆爾等溫線模型，利用該模型計算了Pb2+和Hg2+離子的K值分別是7×105（mol/L）?1和4×105（mol/L）?1。結果表明：Pb2+對該傳感器的親和力明顯高于Hg2+，在低濃度和高濃度區(qū)域，Pb2+的靈敏度分別為2.05°/（mg·L?1）和0.29°/（mg·L?1），而對Hg2+的靈敏度分別為1.66°/（mg·L?1）和0.20°/（mg·L?1）。

2020年，Fauzi等[19]用旋涂技術成功制備了殼聚糖/磁赤鐵礦（CS/Fe2O3）薄膜，其系統(tǒng)結構如圖5所示。以去離子水作為對照來確定SPR角，利用CS/Fe2O3薄膜進行實驗，結果證明該薄膜對Hg2+的檢測限低至0.01 mg/L（49.9 nmol/L）。

2019年，Wang等[20]采用優(yōu)化的銀/金/改性殼聚糖（modified-chitosan，MCS）復合膜，提高了傳感器的靈敏度，并使薄膜的結構更加穩(wěn)定。其Kretschmann結構有4層，如圖6所示，從上到下依次為藍寶石棱鏡、折射率匹配液、藍寶石襯底（棱鏡、匹配液和襯底視為一層），銀膜、金膜、MCS膜。利用EDTA溶液洗脫后，傳感器的檢測范圍為1～5 mg/L，其檢測靈敏度為0.727 1 mg/L，該傳感器的檢測限為18μg/L。

量子點材料是近年來出現的一種新型材料，石墨烯量子點（GQDs）是QDs家族的一員。2019年，Anas等[21]研究殼聚糖/羥基功能化石墨烯量子點（Cs/HGQDs）薄膜的光學特性，并利用SPR技術對Fe3+進行傳感。研究表明，帶羥基的GQDs的功能化將使其具有新的或更好的光學性能。線性回歸分析表明，Fe3+質量濃度在0～1 mg/L和1～10 mg/L范圍內的斜率分別為0.113 96°/（mg·L?1）和0.002 48°/（mg·L?1），因此，Cs/HGQDs薄膜能夠檢測低至0.5 mg/L的Fe3+，靈敏度為0.113 96°/（mg·L?1）。2018年，Sharma等[22]利用二維藍色磷烯/二硫化鉬（即BlueP/MoS2）異質結構作為與分析物的相互作用層來提高SPR傳感器的靈敏度。層數（L）和波長（λ）對靈敏度和衰減有耦合效應，隨著L的增加，靈敏度增加，這種增加在較短的波長下更加顯著。當L=4時，λ=662 nm，最高靈敏度為355.525°/RIU。2019年，Xue等[23]開發(fā)了以超結構二硫化鉬（MoS2）納米片作為傳感層材料的Hg2+的SPR傳感器。模擬和結構表征如圖7所示。結果顯示，MoS2超結構中較大的層間距和足夠的不飽和鍵促進了Hg2+的傳輸和吸附，提高了傳感器的靈敏度。其SPR傳感器的Hg2+檢測限低至1.0 pmol/L，僅為傳統(tǒng)Hg2+傳感器的1/200。7層MoS2薄膜的靈敏度最高，達到190°/RIU。

2.2光纖結構與薄膜的結合

2016年，Raj等[24]開發(fā)了光纖SPR Hg2+檢測傳感器。用檸檬酸鹽包覆的金納米粒子聚乙烯醇雜化物作為Hg2+的傳感材料。利用共振波長調制技術來監(jiān)測Hg2+濃度，傳感器顯示Hg2+濃度在0～25μmol/L范圍內有線性響應。隨著Hg2+濃度的增加，共振波長向更高的波長區(qū)域移動，傳感器的檢測極限達到了10?6 mol/L。2018年，Shrivastav等[25]設計并制作了多通道光纖SPR傳感器。該傳感器利用離子印跡納米粒子同時檢測Pb2+和Cu2+。通過從光纖的兩個分離良好的區(qū)域去除包層，并分別涂覆兩種不同的金屬，在單根光纖上制造通道，銅層和銀層分別涂有Pb2+和Cu2+印跡納米粒子層。使用波長調制方法表征探針，同時Pb2+和Cu2+的可測濃度范圍分別為0～1 000μg/L和0～1 000 mg/L。該傳感器可檢測到的Pb2+和Cu2+質量濃度分別為4.06×10?12 g/L和8.18×10?10 g/L。在低濃度區(qū)域，通道Ⅰ和通道Ⅱ的靈敏度分別為8.19×104 nm/（μg·L?1）和4.07×105 nm/（mg·L?1）。2019年，Yuan等[26]利用4–巰基吡啶（4-mercaptopyridine，4MPY）功能化金納米顆粒（Au NPs/4-MPY）作為信號放大標簽，開發(fā)了用于Hg2+檢測的光纖SPR傳感器?；谶拎げ糠种蠬g2+和氮的配位，通過自組裝4MPY在Au薄膜表面捕獲Hg2+，然后引入AuNPs/4-MPY，構成光纖傳感器。在8～100 nmol/L的濃度范圍內，SPR波長響應與Hg2+濃度呈良好的線性相關，Hg2+的最低檢測濃度低至8 nmol/L，低于世界衛(wèi)生組織允許的飲用水最高水平。同年，Chen等[27]開發(fā)了基于殼聚糖（chitosan，CS）/聚丙烯酸（polyacrylic acid，PAA）多層敏感膜的反射式光纖SPR汞離子傳感器。通過優(yōu)化金膜的涂膜參數，傳感器的折射率靈敏度為2 110.33 nm/RIU。然后，他們將多層CS/PAA膜作為Hg2+敏感膜固定在金膜表面，形成反射式光纖SPR汞離子傳感器，結構如圖8所示。實驗結果表明，該傳感器在濃度0～30μmol/L范圍內的靈敏度為0.558 6 nm/（μmol·L?1），特異性和重復性都比較好。

2019年，Ding等[28]用殼聚糖（CS）/聚丙烯酸（PAA）雙分子層對基于無芯光纖的SPR傳感器表面進行功能化處理，制備檢測Cu2+的新型光纖SPR傳感器。Cu2+濃度在0.2～50μmol/L和50～500μmol/L范圍內，波長位移呈線性變化，對應的Cu2+離子靈敏度分別為0.118 4 nm/（μmol·L?1）和0.011 7nm/（μmol·L?1）。Langmuir等溫模型確定的檢測限為0.105 4μmol/L。2019年，Si等[29]提出并實現了電化學表面等離子體共振（EC-SPR）光纖傳感器，對不同重金屬離子進行了特異性檢測。該傳感器在商用單模光纖上寫入一個傾斜的光纖布拉格光柵，并涂有SPR納米金薄膜。鍍金光纖既可以作為電化學傳感器的工作電極，也可以進行SPR光學傳感。結果表明，其對Pb2+檢測限為10?10 mol/L，線性響應（優(yōu)于98%）范圍在10?10～10?5 mol/L。

2020年，Zhang等[30]提出了一種基于SPR的新型雙通道光纖傳感器，首先在兩個光纖通道上濺射不同厚度的Ag，產生兩個共振衰減，然后用殼聚糖（CS）和聚丙烯酸（PAA）對較厚Ag的通道進行疊層（layer-by-layer，LBL）功能化，用于污染水中重金屬離子的檢測，并將較薄Ag的通道作為參考，結構如圖9所示。實驗結果表明，該傳感器對低濃度Cu2+具有較高的靈敏度，Cu2+與CS/PAA層的結合更強，當Cu2+濃度低于80μmol/L時，Cu2+與CS/PAA層的結合達到0.249 nm/（μmol·L?1）。

2020年，Suhailin等[31]將磁赤鐵礦/還原氧化石墨烯（γ-Fe2O3/rGO）納米復合材料成功沉積在鍍金光纖表面。金、石墨烯和氧化鐵納米粒子的協同組合增強了光纖SPR傳感器的共振場和靈敏度。Pb2+的檢測限達到0.001 mg/L，靈敏度為1.2 nm/（μg·L?1）。2021年，Duan等[32]開發(fā)了基于傾斜光纖布拉格光柵（tilted fiber Bragg grating，TFBG）與DNA探針特異性結合的SPR汞離子傳感器。采用TFBG作為SPW的激發(fā)元件，使用Au－S鍵分別修飾傳感器表面的DNAP和DNAT，增強金納米顆粒信號，使得該傳感器的檢測限達到3.073 pmol/L，動態(tài)范圍為10?11～10?3 mol/L。

2.3 LSPR結構

上述結構屬于傳播型SPR（propagating surface plasmon resonance，PSPR），相比之下，局域SPR（localised surface plasmon resonance，LSPR）在非傳播的金屬納米結構上被激發(fā)，金屬納米結構將電場限制在納米金屬–介電界面附近的一個小區(qū)域內，電場強度比傳統(tǒng)的傳播電場放大了幾個數量級。因此，LSPR傳感器表現出更高的靈敏度。

2017年，Peng等[33]報道了基于銀納米粒子（Ag NPs）的SPR技術，采用流動批處理技術，建立了一種高靈敏度、高特異性的Cu2+自動比色檢測方法。銀納米粒子在Cu（NH3）42+存在下被硫代硫酸鹽催化腐蝕，導致銀納米粒子的表面等離子體共振峰在401 nm處的吸光度下降，從而導致溶液的顏色發(fā)生變化。該方法對多種金屬離子均有較高的特異性，其中對Cu2+的檢測靈敏度最高，線性范圍為0.5～35μg/L，相關系數為0.995 4，檢測限低至0.24μg/L。2018年，Deymehkar等[34]發(fā)展了基于1，7–二氮雜–15–冠–5（冠–金納米粒子）改性的金納米粒子的SPR吸光度（在525 nm）的變化的測量方法。該方法的肉眼顯色檢測限為20μmol/L，紫外吸收法的最低檢測限約為0.2μmol/L（或200 nmol/L）。

2017年，Qiu等[35]以聚間苯二胺–共苯胺–2–磺酸（poly（mPD-co-ASA））共聚物納米粒子功能化的自組裝金納米島（self-assembly gold nanoislands，SAMAuNIs）為特異性受體，構建了一種高靈敏的LSPR光化學傳感器，其原理如圖10所示。在用于檢測飲用水中痕量Pb2+時，其檢測限可達到0.011μg/L，線性動態(tài)范圍為0.011μg/L～5 000 mg/L。

2019年，Daware等[36]通過使用單分散的二氧化硅金核殼納米結構（SiO2@Au NSs）監(jiān)測不同濃度下SPR峰位置（517～531 nm）的偏移和二氧化硅金納米結構處的強度變化，使用吸光度模式實現Pb2+的檢測。SiO2@Au NPs的一個主要優(yōu)點是，它以介電材料為核心，以Au為殼層，負責將Au的SPR波段移動到更高的波長（超過600 nm）。Pb2+的線性濃度范圍為100μg/L～2 mg/L，線性回歸系數為0.96，檢測限為100μg/L，是金納米顆粒的5倍。

2.4其他結構與方法

2018年，Caglayan[37]采用SPR增強全內反射技術對水介質中的Hg2+進行痕量監(jiān)測。他設計了兩種方案：一種基于蛋白質，另一種基于適配體的生物傳感器。牛血清白蛋白和汞特異性適體通過自組裝途徑固定在傳感器芯片上。檢測Hg2+時，基于蛋白質的傳感器的檢測限為40.7 nmol/L，而基于抗Hg2+適配體的傳感器的檢測限為26 pmol/L（0.005μg/L），濃度范圍0.05～100 nmol/L。

2020年，Zhang等[38]利用特異性核酸適體（aptamers，Apt）反應與納米催化放大信號相結合，提出了檢測水中痕量As3+的SPR吸收方法。Apt可以吸附在碳點表面，抑制其催化活性，使納米銀減少，溶液顏色變淺，絕對值減弱。加入的As3+與Apt形成穩(wěn)定的結合物，釋放出游離碳點，恢復催化活性，顏色和絕對值信號線性增強?；谖k對硝酸銀–葡萄糖的催化放大作用，建立了一種測定砷離子線性范圍為0.025～0.75μg/L的超靈敏SPR分光光度法，線性相關系數為0.991 5，As3+的檢測限為0.01μg/L。

圖11總結了用SPR技術檢測離子的方法。表1總結了2016年至2020年研究人員用SPR技術探測各種重金屬離子的靈敏度和檢測限等指標的發(fā)展情況。

3 SPR成像傳感技術及其檢測速度

在健康風險評估、環(huán)境保護、污染源追蹤和緊急響應等方面，為了得到及時且準確的數據，實時監(jiān)測重金屬離子的濃度就顯得十分重要，而在實時監(jiān)測重金屬離子的過程中往往伴隨著不同探測區(qū)域離子濃度發(fā)生變化的情況。SPR成像傳感技術（surface plasmon resonance imaging，SPRi）將傳感技術與成像技術結合，提高了SPR傳感通量，可以實現同時對多樣品進行高通量檢測。此外，細胞膜離子通道是細胞膜上的特殊蛋白質通道，可以調節(jié)細胞內外離子的傳輸，改變離子濃度。在離子檢測的過程中，會涉及到細胞膜離子通道的開關，這與傳感檢測蛋白質的性能密切相關，如果檢測的速度太慢將無法進行有效的檢測。1988年，Rothenh?usler等[39]率先提出了SPR成像技術，以達到同時對多種樣品進行高通量檢測。如今SPRi傳感技術已經在核酸檢測、食品安全、藥物研究、生物標志物篩選和環(huán)境檢測等領域成功應用。如Wang等[40]通過對COVID-19刺突蛋白進行了SPR高通量檢測，證明了其在COVID-19篩查中的高精度應用可能性。Krishnamoorthy等[41]以微陣列方法在同一芯片上注入多個濃度和多個種類的配體，將待測抗體混合后來計算β2微球蛋白及其抗體的解離常數，還利用陣列芯片固定探針然后注入混合樣品，得到了人、牛IgG及牛血清蛋白與各自抗體的動力學參數。Wolf等[42]將SPRi獲得的動力學和親和常數與測量的溶液相值進行比較，以確定表面對DNA–藥物相互作用的影響。Li等[43]提高了小分子在SPRi傳感器上的靈敏度和無標記檢測能力，證實了葡聚糖水凝膠包被的SPRi傳感器是表征小分子藥物與蛋白質之間相互作用的一個很有前途的平臺，在制藥行業(yè)有巨大的應用。

現在主流的SPRi傳感的調制模式主要有4種：強度調制、角度調制、相位調制和波長調制。強度調制SPRi傳感系統(tǒng)結構簡單且易于搭建，成為如今商業(yè)化應用最多的SPR傳感技術。固定入射波長和入射角度，通過監(jiān)測反射率（反射光強）的變化就可以實現對樣品的傳感。從理論上講，若使用二維面陣探測器對感應面成像，感應面的每個探測點與二維成像圖的像素點一一配對，就能實現對感應面的檢測。在強度型SPRi傳感技術中，對傳感面的成像速度只與2D面陣探測器幅速率有關，因此具有成像速度快的特點。2021年，Zeng等[44]提出了一種基于對反射光光譜中兩個特定波長的強度差值調制的方法，提高了SPRi的靈敏度。該方法的折射分辨率達到2.24×10?6 RIU，動態(tài)范圍為0.003 7 RIU。

波長調制SPRi是指固定入射角的角度，掃描入射波長或分析反射光的波長，檢測出最低的強度所對應的波長，并根據共振波長的變化對樣品進行檢測。相比強度調制SPRi技術，波長調制SPRi有較大的動態(tài)范圍和靈敏度，但是成像時間長。這限制了波長調制SPRi傳感實時監(jiān)測生物反應和快速檢測動力學參數測定等。對于波長調制SPRi傳感，其重要的發(fā)展方向是提高檢測通量和檢測速度。2016年，Chen等[45]提出了一種基于液晶可調諧濾波器的SPR快速成像生物傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在4 s內完成一次SPR光譜測量，具有寬動態(tài)檢測范圍和高通量并行監(jiān)測的優(yōu)點。2020年，Zeng等[46]提出了一種基于兩點跟蹤算法的新型快速波長SPRi傳感器，該方案不需要機械運動部件，驅動液晶可調諧濾波器，實現對傳感表面靶分子與探針分子結合引起的共振波長運動的快速跟蹤。與傳統(tǒng)的波長SPRi系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有高靈敏度和大動態(tài)范圍的特點。實驗表明，系統(tǒng)靈敏度為2.4×10?6 RIU，動態(tài)范圍為4.6×10?2 RIU，成像速度為0.25 s/幀。2021年，Wang等[40]將鹵素燈激發(fā)和AOTF掃描以及4-PSCR算法相結合，可以在保持高階多項式擬合精度前提下快速獲得更精確的SPR波長結果，得到了突刺蛋白溶液的微流動通道的SPR波長圖像，如圖12。系統(tǒng)的折射率分辨率和動態(tài)檢測范圍分別為1.17×10?6 RIU和0.037 RIU，SPR成像速度達到0.2 s/幀。

在相位調制SPRi傳感技術中，入射光中的p偏振光是主要的傳感分量，而不激發(fā)SPR的s偏振光作為參考分量，通過使用干涉儀或橢偏方案監(jiān)測p和s偏振光分量的干涉信息來實現傳感檢測。相位型SPR傳感技術具有最高的靈敏度，然而，這項技術的動態(tài)檢測范圍小，當檢測樣品的折射率變化時，很容易超出可檢測的范圍，且器件結構復雜。2021年，Miyan等[47]提出了一種基于無源相位延遲器和時分復用尋峰算法的監(jiān)測生物分子相互作用的相位傳感器。將AOTF用于入射光波長掃描，將CMOS用于二維成像相結合，使系統(tǒng)能夠同時快速檢測多個樣品，峰值查找算法減少了每個周期掃描點的數量。它大大減少了AOTF波長選擇的時間消耗，實驗測得系統(tǒng)靈敏度為2.4×10?6 RIU。2023年，Sang等[48]提出了一種基于波長順序選擇技術的相位調制SPRi傳感，根據樣品的不同折射率選擇最優(yōu)的傳感波長，從而消除了由于動態(tài)檢測范圍小而導致的不同生物分子類型的SPR信號響應不一致的問題。靈敏度和動態(tài)檢測范圍都得到了顯著提高，分別達到9.79×10?7 RIU和3.7×10?3 RIU，單個SPR相位圖像采集時間減少到1 s。

在角度調制SPRi傳感技術中，需要確定一個入射波長，通過掃描入射角度，得到入射角–反射率曲線，曲線中強度最低點對應的入射角稱為共振角。通過監(jiān)測共振角來實現樣本的傳感。與強度SPRi相比，角度調制方案具有更寬動態(tài)監(jiān)測范圍和更高的靈敏度。但是由于角度型SPRi傳感技術需要采用單色光作為激發(fā)光源，入射光源的單色性越好，系統(tǒng)靈敏度就會越高，但是對于成像而言，單色性越好的激光也會帶來越嚴重的散斑噪聲，降低成像的質量。2019年，Zeng等[49]提出了一種基于二極管泵浦全固態(tài)激光器和振鏡掃描的無散斑快速角度調制SPRi傳感器，利用旋轉多片霧面玻璃消除散斑，利用振鏡進行雙向掃描，實現了入射角的快速掃描。實驗結果表明，完成SPR傾角測量所需時間縮短至0.5 s。該系統(tǒng)的動態(tài)范圍和靈敏度分別為4.6×10?2 RIU和1.52×10?6 RIU。

表2總結了近幾年相關研究人員對SPR成像傳感技術的發(fā)展及對應的檢測速度等指標。

4 SPR重金屬離子檢測技術的發(fā)展趨勢和總結

SPR技術作為一種探測重金屬離子的手段，具有靈敏度高，所需樣本量少，待分析物無需標記，可實時動態(tài)監(jiān)測等優(yōu)勢。然而，現有的SPR傳感技術在檢測靈敏度、檢測特異性還存在不足。近年來人們已經開展了許多研究，如制備薄膜，選擇不同的傳感材料或改變SPR結構。通過碳基納米材料如碳納米管（CNT）和GO，以及鈦白粉（TiO2）和MoS2等半導體材料薄膜增強SPR信號。一些研究者利用金屬納米顆?；蛭⒓{結構表面增強傳感信號，并功能化傳感表面以實現對目標生物分子的準確識別[50]。此外，納米科技的發(fā)展使生物分子的操控成為可能。等離子納米鑷具有強烈的光場限制，可以主動操縱小于100 nm的生物分子和納米顆粒；等離子光熱鑷也具有生物分子、納米顆粒以及細胞等富集和操控的能力。在SPR檢測過程中，溶液中目標分子與探針結合幾率受溶液中分子布朗運動限制，導致溶液中分子與探針碰撞幾率低。為了突破溶液中分子的布朗運動限制，研究人員提出了主動富集與傳感的方法，將等離子納米鑷或光熱鑷等技術與SPR技術集成，將目標分子主動富集到傳感表面，增加碰撞幾率，從傳統(tǒng)的被動傳感轉變?yōu)橹鲃觽鞲校瑥亩行岣吡遂`敏度[51]。相信通過不斷研究和創(chuàng)新，SPR傳感器將成為精確、快速、可靠的離子分析和監(jiān)測的有效手段。

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（編輯：李曉莉）