用于產(chǎn)生衰減全反射的棱鏡型和kreschmann型光學(xué)共振器

1耦合器件的選擇用衰減器連接表面離子，以創(chuàng)造共振效果，應(yīng)使用集成裝置。常用的耦合器件主要有棱鏡(Otto型和Kretschmann型)、光纖和光柵三種類型,此外還有通道波導(dǎo)等。1.1鏡子形狀1.1.1金屬膜厚度對共振的影響用于產(chǎn)生衰減全反射(ATR)的棱鏡型裝置有Otto型和Kretschmann型,兩者的工作原理見圖1。兩種裝置檢測的都是P偏振入射光的衰減全反射,均使用三角形或半球形棱鏡。制作棱鏡的材料為折射率(ε0)較大的石英或普通光學(xué)玻璃,圖中kx和ksp分別表示光和表面等離子體子的波矢。對于Otto型,在棱鏡(ε0)底面與金屬膜(ε1)之間有一適當(dāng)?shù)拈g隙,將待測定物質(zhì)(ε2)置于此間隙中。在入射光角度大于臨界角的條件下,入射光將在0/2界面發(fā)生全內(nèi)反射,而消失波作用于2/1界面,并在此界面發(fā)生SPR。該裝置的間隙取值非常重要,間隙過大或過小都不好。因為Otto型裝置在使用和制作上都有一定難度,故在SPR中使用較少。但它有兩個十分明顯的優(yōu)點,即:(1)金屬薄膜不與棱鏡直接接觸,不會對棱鏡表面產(chǎn)生破壞作用,因此在研究單晶表面光子的極化作用時非常有用;(2)由于共振發(fā)生在2/1界面,金屬膜的厚度對共振過程影響較小,故不需要嚴(yán)格限制金屬膜的厚度。Kretschmann型裝置是將幾十納米厚的金屬薄膜直接覆蓋在棱鏡的底部,待研究的介質(zhì)在金屬薄膜下面,消失波透過金屬薄膜,在1/2界面處發(fā)生表面等離子體子共振。金屬薄膜的厚度會對測定結(jié)果產(chǎn)生重要影響,因為它直接影響在界面1/2處消失波電場強度的大小。若厚度超過消失波的有效深度,則消失波在金屬膜內(nèi)會有很大衰減,不能到達(dá)1/2界面。若金屬膜過薄,不能達(dá)到最佳共振效果。Kretschmann裝置在目前的表面等離子體子共振儀器中被廣泛采用。以棱鏡為光波耦合器件,可選擇的棱鏡幾何形狀有兩種:一種是直角等腰三角形,另一種是半球形。在棱鏡底部鍍一層厚50nm左右的金屬膜(金或銀),使透過棱鏡底部的消失波引發(fā)表面等離子體子,并與之發(fā)生共振。也有人將金屬膜鍍在折射率與棱鏡相同的玻璃片上,然后用折射率相近的液體油將其密封到棱鏡底面。光源多采用He-Ne激光器,發(fā)射波長為632.8nm。流通池置于金屬膜下面。檢測器多為光電二極管陣列檢測器或光電倍增管。在實驗過程中除光源固定不動外,整個體系通過一個機械裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn),從而保證入射角不斷地變化。這是SPR研究中應(yīng)用最為廣泛的一種裝置。顯然這種裝置比較復(fù)雜,因為要使整個實驗裝置進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在以測定角度為基礎(chǔ)的模式下,也可采用發(fā)光二極管作為光源。由于它是點光源,當(dāng)光照射到棱鏡底邊金屬薄膜上時,光束會發(fā)散,即照射在膜上不同區(qū)域的光入射角不同。當(dāng)用光電二極管陣列檢測時,可相應(yīng)地得到不同角度入射光的反射光。雖然這一方法不需要旋轉(zhuǎn)裝置,但所測角度有限。使用棱鏡型裝置,除了采用固定波長改變?nèi)肷浣堑哪Ｊ酵?還可采用固定入射角而改變波長的模式。這樣既避免了改變角度模式需要轉(zhuǎn)動整個儀器的問題,又克服了用點光源時測量角度有限的缺點。圖2是我們采用固定入射角改變波長工作模式的SPR裝置示意圖。從光源發(fā)出的復(fù)色光,經(jīng)過由2個透鏡和1個偏振片組成的平行偏振光管后,變成平行偏振光,以一定的角度照射到棱鏡側(cè)面,經(jīng)折射后光線到達(dá)棱鏡底部。底部外側(cè)鍍有一層厚50nm的金屬薄膜,流通池密封在薄膜下面。光線在棱鏡與金屬界面處發(fā)生全內(nèi)反射,然后從棱鏡的另一個側(cè)面折射出去,并通過一個透鏡聚焦耦合進(jìn)入光纖。光纖將信號光傳輸至光柵和電荷耦合器件(CCD)檢測器。但因光柵分辨率較低,不能真實反映體系共振波長的微小變化,使靈敏度受到了限制。最近,我們將由棱鏡折射出的光聚焦進(jìn)入一米光柵單色儀,分光后用光電倍增管進(jìn)行檢測。由于一米光柵單色儀具有更高的分辨率,因此傳感器有更高的靈敏度。在SPR測量中,除上述以入射角和波長為變量的模式外,還有以強度和相位角為變量的操作模式,但后兩者很少用。1.1.2led光學(xué)法固定波長、改變?nèi)肷浣菧y量方式的SPR裝置多采用He-Ne激光器(λ=632.8nm)作為光源。用激光器作光源,單色性好,強度高。在一部分文獻(xiàn)中,發(fā)光二極管(LED)也被用來作為SPR的光源,選擇的波長多為760nm。LED的單色性也較好,且體積小,價格低,使用壽命長。采用固定入射角以波長為變量測量方式的SPR儀器和裝置,最理想的光源應(yīng)該是可以發(fā)射各種波長的連續(xù)光源,并具有足夠的強度和穩(wěn)定性,強度不隨波長而改變。白熾燈是最廉價易得的連續(xù)光源,并且具有足夠穩(wěn)定的發(fā)光強度。其中,鹵鎢燈是較適合的光源,因為它在可見光區(qū)有連續(xù)發(fā)射光譜,使用壽命較長。1.1.3不同分辨率光學(xué)材料的制備由理論計算可知,對于SPR研究,棱鏡與介質(zhì)的折射率差別越大,測定靈敏度越高。因此,為了提高靈敏度,應(yīng)選擇折射率較高的光學(xué)材料制作棱鏡。但是,高折射率的光學(xué)材料,其表面的機械強度和穩(wěn)定性都較差,在空氣中易形成氧化物膜。表1列出了常用的3種不同折射率的棱鏡材料。棱鏡的形狀以選擇半球形最為理想,它可以保證任何角度的入射光均與界面垂直,反射光損失小,而且進(jìn)入棱鏡后光線的角度不變。但半球形棱鏡的加工費用較高。1.1.4au膜和ag膜金屬元素的性質(zhì)各不相同。因此,選擇不同種類金屬材料作為構(gòu)成表面等離子體子共振的基質(zhì)膜,將會對SPR光譜產(chǎn)生很大影響。SPR研究的是反射光譜,所以應(yīng)首先考慮反射率較高的金屬。在可見光范圍內(nèi),金屬Ag、Al、Au和Cu的反射率較高,且隨波長變化而改變的幅度較小。但是,Al膜穩(wěn)定性較差,極易氧化,在其表面能迅速形成致密的氧化鋁膜層,影響SPR測定。Ag膜的穩(wěn)定性雖然也不理想,但高于鋁膜,而且由于有很高的反射率和較高的測定靈敏度,成為SPR的首選金屬膜。Au膜的穩(wěn)定性最好,即具有較強的化學(xué)惰性,因此在SPR中具有重要應(yīng)用價值,尤其適用于銀膜不能使用的體系。故Au膜和Ag膜是SPR中最常使用的兩種金屬薄膜。Au和Ag膜對SPR反射光譜的影響見圖3。就SPR光譜的3個特征參數(shù)(共振波長或共振角、共振寬度和共振深度)而言,無論是以入射角作為變量(圖3a),還是以入射光波長作為變量(圖3b),結(jié)果Ag膜均優(yōu)于Au膜。即在同樣條件下,銀膜的共振深度略大于金膜,共振半峰寬明顯小于金膜,共振波長或共振角的變化明顯比金膜靈敏。金屬薄膜的厚度是影響共振深度的重要因素,見圖4。隨著膜厚度的增加,共振深度變小,即最小反射系數(shù)變大,當(dāng)膜厚度超過一定值時,共振峰將消失。當(dāng)膜厚在某一數(shù)值時,反射光強度近似為零,共振深度達(dá)到最大。這一現(xiàn)象可從電磁場理論得到很好的解釋。一般選擇膜厚度為50nm左右。1.1.5表面選擇性敏感膜的固定SPR傳感器的傳感層可以是金屬膜本身,但由于這種傳感層無選擇性,只能在特定條件下采用,故常在金屬表面固定一層具有分子識別功能的敏感膜。實際上,現(xiàn)在廣泛用于化學(xué)和生物傳感器表面選擇性敏感膜的固定方法大都可用于本法。本法對固定分子的要求不是很嚴(yán)格,只要分子一端能固定在金屬膜表面,另一端能選擇性吸附被測物即可。1.2spr光纖傳感器主要特點棱鏡耦合的SPR傳感器體積較大,不能用于遠(yuǎn)程傳感測量。Jorgenson等人為此提出了一種非常巧妙的構(gòu)思,使用單根多模光導(dǎo)纖維作為光學(xué)耦合元件,省略了傳統(tǒng)光學(xué)棱鏡,裝置簡單價廉,可用于遙測和多路傳輸。他們提出了兩種光導(dǎo)纖維SPR傳感裝置。一種是在線傳輸式,另一種是終端反射式。在線傳輸式SPR光纖傳感器如圖5所示。該模式是將一段光導(dǎo)纖維的包層剝?nèi)?在光纖芯核上沉積一層高反射率金屬膜。普通石英階梯指數(shù)光纖數(shù)值孔徑一般為0.3,光纖內(nèi)部可傳播光線的角度范圍為78.5a～90a。在此角度范圍,光線在光纖芯核與包層的界面上發(fā)生全內(nèi)反射,滲透過界面的消失波將在金屬膜中引發(fā)表面等離子體子,并在滿足一定條件下與之共振。經(jīng)理論計算,對于入射角在78.5a～90a范圍內(nèi)的光線,若金屬膜為銀膜,外部介質(zhì)為水,則可產(chǎn)生共振的入射光波長范圍為560～620nm。采用白色光源引發(fā)表面等離子體子共振,在光纖的出口端檢測輸出光強度與波長分布的關(guān)系。由于光纖中的傳輸角度不是固定的,所以出口端檢測的是全部入射角的累積光譜。終端反射式SPR光纖傳感器見圖6。其構(gòu)造方式是,在光纖的一個端面上沉積一層較厚的金屬膜,厚度可達(dá)300nm,制成微反射鏡。將此端一段長5mm左右的光纖包層剝?nèi)?并沉積50nm左右金屬膜。在光線傳輸過程中,當(dāng)滿足一定條件時,將會產(chǎn)生表面等離子體子共振。共振光傳輸至端面處沿來路被反射回去。光線經(jīng)過第二次共振后,傳輸?shù)焦饫w光譜儀進(jìn)行檢測。與前述傳輸式裝置相比較,這種裝置由于發(fā)生兩次共振,傳感部位的光纖長度可減少1/2,并且省略了流通池,因此可以作為一種光纖探針用于遠(yuǎn)距離測試。1.3光柵耦合spr的應(yīng)用前景大多數(shù)SPR裝置采用棱鏡耦合入射光,而不用衍射光柵,因為前者相對較簡單。1987年Tiefenthaler等人首次提出以衍射光柵作為光波耦合元件的SPR傳感器。其后,又相繼有一些以衍射光柵作為光學(xué)耦合元件的研究報道。光柵表面光波衍射示意圖見圖7。棱鏡耦合SPR有大量文獻(xiàn)報道,與此相比較,光柵耦合SPR的研究工作顯然較少。其原因是,除在光柵制作方面有一定難度外,在分析應(yīng)用上也存在一定的問題。光線透過的樣品溶液,如果是無色的,影響可能較小。而如果樣品溶液是有色的,則將對光產(chǎn)生吸收,從而影響SPR的測量。盡量減小樣品池的厚度,可在一定程度上減小這種影響。與棱鏡耦合入射光方式相比較,光柵耦合法在數(shù)學(xué)計算方面極其復(fù)雜。最近,Homola等人從理論上分析比較了SPR衍射光柵耦合法與棱鏡耦合法的靈敏度。他們選用了改變?nèi)肷浣呛透淖內(nèi)肷涔獠ㄩL兩種測量方式。以波長作為變量時,棱鏡耦合法的靈敏度高于光柵耦合法。以角度作為變量時,棱鏡耦合與平面光柵耦合具有相似的靈敏度。但是,若采用曲面衍射光柵,則情況不同,它可提供很高的信噪比,因此,在測定SPR峰位置變化方面,能獲得很高的靈敏度,測量結(jié)果遠(yuǎn)高于棱鏡耦合方法。2spr儀器生產(chǎn)隨著SPR研究工作的迅速開展,SPR儀器已商品化。目前已有4個儀器公司生產(chǎn)SPR儀器,它們是瑞典的BiacoreAB公司(原名稱為PharmaciaBiotech),英國的WindsorScientific公司,美國的Quantech公司和TexasInstruments公司。2.1biacose儀器瑞典BiacoreAB公司生產(chǎn)多種型號的SPR儀器,命名為BIAcore,例如:BIAcoreX,BIAcore1000,BIAcore2000,BIAcoreprobe,BIAcoreQuantTM和BIAliteTM。目前,該公司已將一種靈敏度和動力學(xué)分辨率更高、分析速度更快的新一代SPR商品儀器BIAcore3000推向市場。BIAcore系列儀器由液體處理系統(tǒng),光學(xué)系統(tǒng),傳感器芯片和微機組成。各種型號的BIAcore儀器檢測原理相同,均為Kretschmann棱鏡型。從發(fā)光二極管發(fā)出波長為760nm的P-偏振光,聚焦到棱鏡和金膜的界面上。由于它是點光源,故入射面光線將在一定角度范圍內(nèi)發(fā)散,用線性陣列光電二極管作為檢測器,不同的象元接受到來自不同角度的反射光線,因此可檢測不同入射角處的反射光強度。這種儀器的優(yōu)點是,所有光學(xué)元件固定不動,因為陣列檢測器可直接將各種角度下的反射光強度反映出來,角度分辨率為0.1a。反射率最低點的確定通過多項式擬合完成。BIAcore傳感器的芯片是其核心部件。它將100nm厚的金膜固定在一塊玻璃片上,將此玻璃片嵌在一個塑料平板夾里,用一種折射率與棱鏡匹配的聚合物將芯片耦合到玻璃棱鏡上。在芯片表面固定一層葡聚糖分子層,它較容易與其它生物大分子偶聯(lián),因為在BIA技術(shù)中必須首先有一個生物分子偶聯(lián)在傳感片上,然后用它去捕獲可與之進(jìn)行特異反應(yīng)的生物分子,該偶聯(lián)過程可由儀器全自動控制。使用者也可以根據(jù)需要選擇非葡聚糖分子層的芯片。BIAcore另一個顯著特點是微流通池處理系統(tǒng)。BIAcoreX有2個微流通池,發(fā)展到BIAcore1000型時,流通池數(shù)目已達(dá)到4個。因此可同時分別獨立地分析4個樣品。微流通池的體積非常小,每個只有60nL,是刻在傳感器芯片表面的刻線。BIAcore儀器中除BIAliteTM是半自動外,其余均為全自動,自動化程度很高。樣品處理、進(jìn)樣和樣品回收均為全自動,整個分析過程需要的樣品量很少,一般最多不超過750μL。反應(yīng)過程的動力學(xué)常數(shù),包括結(jié)合常數(shù),解離常數(shù)等數(shù)據(jù),均可直接給出。但是由于采用的檢測方式限制了可測量的角度范圍,所以可檢測對象的折射率范圍較窄。BIAcore1000和BIAcore2000可測量的折射率范圍均為1.33～1.36。這在一定程度上限制了它的應(yīng)用。2.2speartatm公司分析儀器的發(fā)展正趨于小型化、專門化,操作更加簡單。精密分析儀器的發(fā)展正沿著落地式→臺式→移動式→便攜式→手持式→芯片實驗室(lab-on-achip)的方向發(fā)展。小型化已成為分析儀器發(fā)展的一個主要方向。因此,BIAcore系列儀器較昂貴的價格和較龐大的體積(例如BIAcore2000的體積為760mm×350mm×610mm,凈重50kg),為其它儀器公司提供了競爭的機會。最近,美國的TexasInstruments公司生產(chǎn)出了主機部分只有手掌大小,價格非常低的命名為SpreetaTM的SPR儀器。SpreetaTM采用Kretschmann型裝置,全部元件集成在一個很小的體積內(nèi)。其工作方式與BIAcore相似。光源為近紅外發(fā)光二級管,檢測器為線性陣列硅光電二極管,流通池刻在傳感器芯片上,整個系統(tǒng)通過壓模密封在環(huán)氧樹脂板上,并在四周用黑板密封,防止雜散光進(jìn)入。SpreetaTM儀器的另一個最有價值的特點是使用兩個電熱調(diào)節(jié)器(在傳感器和流通池上),對溫度波動引起