表面等离子体共振生物传感器综述

施玉佳 王凯（江西环境工程职业学院  江西赣州  341000）

摘 要：表面等离子体共振（surface plasmon resonance,SPR）生物传感器，是一种基于金属薄膜和电介质分界面处的表面等离子体共振现象的光学检测系统，它的主要特点是方便、快捷、无需标记，并且可以用于实时和非破坏性检测，具有非常高的选择性，作为检测、分析生物分子相互作用的工具广泛应用于医学诊断、药学研究、食品安全及环境检测等领域。

关键词：表面等离子体；光学；传感器

一、引言

1902年Wood首次发现了SPR现象。1941年Fano利用金属和空气界面上表面电磁波的激发原理解释了这一现象。1958年Turbader对金属薄膜采用光的全反射激励观察SPR现象。1971年Kretschmann研究了Kretschmann结构，给SPR传感器的发展奠定了基础。1983年Linkoping利用SPR来检测IgG蛋白质与其抗原的相互反应，并由Biacore AB公司开发出SPR仪器^[1,2,3]。从此SPR仪器和SPR生物传感器的研究全面展开并不断深入。

二、表面等离子体共振原理

光从光密介质照向光疏介质发生全反射的条件是让入射角大于临界角，但是全反射并不是把所有的光能量进行反射，而是有部分能量渗透到光疏介质中去，这就是消失波，消失波的深度一般为，这种渗透到光疏介质中的能量形成的电场的电场强度和渗透深度是呈指数衰减的关系。如果以一般的玻璃作为光疏介质，把具有高反射率的金属作为光密介质镀在光疏介质上，控制镀层厚度在以内，那么全反射产生的消失波将透过金属薄膜的厚度，和金属与溶液的界面产生作用，这种作用是能量耦合，但满足一定条件时，消失波和等离子体波产生共振，此时入射光能量会转移到等离子体波内，使得入射光强度（能量）急剧下降，通过光学检测仪器可以检测到这一现象。

三、表面等离子体共振传感器

1.棱镜型表面等离子体共振传感器

棱镜型表面等离子体共振传感器有Outto和Kretschmann两种，是用棱镜结构来产生衰减全反射。Kretschmann型主要用在SPR生物传感器，其原理是将具有高反射率的金属薄膜（）镀在棱镜的一面作为底部，待测溶液与该面接触，让入射光通过棱镜照射到金属薄膜上，其产生的消失波将与界面等离子体产生共振，即产生了SPR现象。

2.光纤型表面等离子体共振传感器

Jorgenson^[5]等人提出了在线传输式和终端反射式两种光纤SPR传感装置。在线传输式在工艺上剥去光纤在的一小段包层，然后沉积一层具有高反射率的金属薄膜。在能够保证光纤发生全反射的角度范围内，光纤纤芯和包层的界面产生消失波，消失波电场将光能耦合到包层中的表面等离子体，满足一定条件，耦合进去的光能越大（共振），可以在光纤出口处检测光强损耗或者进行光的波长分布，可用于定量分析。终端反射式传感器是在光纤的一端面上沉积一层金属膜制成微反射镜，其厚度可达。再在该光纤的这一端剥去5毫米长的包层，并镀上具有高反射率的金属薄膜，一般也是在以内。光纤在光纤中进行全反射传输，满足共振条件时同样会会产生SPR现象，而且共振光传输到端面后反射，在回路时再次产生共振，传输到光纤光谱仪进行检测，效果更佳。

3.光栅型表面等离子体共振传感器

Tiefenthaler等人在1987年提出采用衍射光栅作为光波耦合元件来制作SPR生物传感器，Homola等人又将衍射光栅耦合法和棱镜耦合法进行了分析和比较。发现把波长作为变量时棱镜耦合法高于衍射光栅偶合法的灵敏度；把角度作为变量时棱镜耦合法与平面衍射光栅耦合法灵敏度相当；如果想获得更高的信噪比，可采用曲面衍射光栅耦合法，同时也提高了灵敏度，但是光栅型的表面等离子体共振传感器的光栅在制作难度系数较高。Nikitin PI等人^[6]在1997年提出的衍射型SPR生物传感器，在物理结构上采用了肖特基结构，该传感器是利用精密的微电子加工技术在硅片上镀上一层金属膜，此厚度在工艺上要求较为苛刻，将SPR现象转换成电信号（一般为电压）再输出，通过光谱分析仪器可得到电压-角度曲线和拉曼谱线，可用于反应机理和过程分析。

四、表面等离子体共振传感器前景

SPR生物传感器经过近20年的发展，不断地在寻求新材料，新技术来提供其实用性，而纳米技术的发展为SPR生物传感器提供了新思路，同时SPR生物传感器也为纳米材料开辟了新领域，纳米材料制成的SPR生物传感器可以使响应信号得到很大程度上的提高，从而提供了其检测灵敏度，但是同时也带来了新的问题，比如说纳米粒子团聚，非特异性吸附等。因此，纳米材料在SPR生物传感器中的应用研究可能有如下趋势：1.从尺寸和外貌去研究纳米材料的生物功能，化学反应，开发出更适合用于SPR生物传感器的纳米材料；2.物理尺寸更小，反应时间更短并且能够适应于特殊环境的SPR生物传感器将成为关注点和研究热门。

参考文献：

[1]Nylander C,Liedberg B,Lind T.,Gas detection by means of surface plasmon resonance, Sensors&Actuators,1982,3:79–88.

[2]Liedberg B,Nylander C,Lundstrom I.,Surface Plasmon resonance or gas detection and biosensing,Sensors&Actuators,1983,4:299–304.

[3]Stefan Lofaas,Malmqvist M,Ronnberg I et al.,Bioanalysis with surface plasmon resonance,Sensors&Actuators,1991,5:79–84.

[4]Ralph C J, Sinclair S Y, Kyle S J et al.,SPIE[J].1993,1886:35.

[5]蔡强、李翔、陈裕泉.基于表面等离子体共振的生物传感器的历史、现状与前景，《国外医学生物学工程分册》，1999，22（2）：65-71.

[6]Nikitin PL,Beloglazov AA,Valeiko MV et al.,Silicon-based surface Plasmon resonance chemical sensors, Sensors&Actutors B, 1997,38-39:53-57.