（测试计量技术及仪器专业论文）基于表面等离子体共振生物传感器的研究.pdf

中文摘要 表面等离子体是存在于金属纳米粒子或不连续的金属纳米结构中的电荷密 度震荡。当其被入射光激发，引起表面等离子体共振时，该金属纳米结构表面的 局域电场被增强，展现出强烈的表面等离子体吸收。金、银、铂等贵金属纳米粒 子具有很强的表面等离子体共振效应，它们在紫外可见光波段展现出很强的光 谱吸收，该吸收谱的峰值吸收波长取决于该材料的微观结构特性。金属纳米粒子 的二维人工结构及其展现的光电子特性，是一个快速发展的领域。目前国内外将 表面等离子体共振效应引入生物医学研究中，在生物反应检测、药物筛选、l 临床 诊断、食物及环境监控和膜生物学等领域中的新兴应用日益扩大，并将成为生命 科学和制药研究的一种重要标准的生物物理学工具。 本课题详细介绍了一种基于表面等离子体共振效应生物传感器系统的研制。 该系统采用虚拟仪器的结构形式，由表面等离子共振生物传感系统和数据采集系 统构成。其中表面等离子体共振生物传感装置采用卤钨灯为宽带光源，光栅为分 光元件、线阵电荷耦合器件为检测器，共振波长为检测信号。系统采用真空蒸发 沉积方法制备金纳米粒子膜，作为该系统的敏感元件，并最终通过计算机的控制 仪器的运行，实时监测表面等离子体共振光谱的变化。 系统应用实验部分运用设计的实验系统进行了简单体系的相关物理量的检 测。表面等离子体共振生物传感器响应函数与纳米粒子膜的微观排列结构和微环 境的介电常数等参数有关。通过提取表面等离子共振光谱特征值，我们就可以检 测到微环境的相关物理量。自行设计的蔗糖折射率和硫醇自组装过程的检测，均 取得了满意的结果。 本课题得到了国家自然科学基金( 项目号：6 0 5 0 8 0 0 3 ) 和天津市应用基础研 究计划资金( 项目号：0 6 y f j m j c 0 7 1 0 0 ) 的资助。 关键词：表面等离子体共振生物传感器金纳米粒子 a b s t r a c t s u r f a c ep l a s m ai sak i n do fe l e c t r i cc h a r g ed e n s i t yo s c i l l a t i o ne x i s t i n gi nm e t a l n a n o p a r t i c l e sa n dd i s c o n t i n u o u sm e t a ln a n o m e t e r s t r u c t u r e s u r f a c ep l a s m ar e s o n a n c e o c c u r sw h e ne l e c t r i cc h a r g e sa r ei n s p i r e db yt h ei n c i d e n tl i g h t a f t e rs u r f a c ep l a s m ai s i n s p i r e d ，l o c a le l e c t r i cf i e l do f t h em e t a ln a n o m e t e rs t r u c t u r ei sg r o w i n gu pt h o u s a n d s t i m e sa n ds u r f a c ep l a s m aa b s o r p t i o na p p e a r sd i s t i nf l y n o b l em e t a ln a n o p a r t i c l e s s u c ha sa u ，a g ，a n dp tw i t hs u r f a c ep l a s m ar e s o n a nee f f e c tp o s s e s si n t e n s i v e a b s o r p t i o ni nt h eu l t r a v i o l e t - v i s i b l el i g h tb a n d s a b s o r p t i o nw a v e l e n g t hs p e c t r ao f s u r f a c ep l a s m ar e s o n a n c ed e p e n do nt h em a t e r i a l s m i c r o s c a l es t r u c t u r es p e c i a l i t i e s t h et w od i m e n s i o nm i c r o s t r u c t u r e sa n dt h es e n s i t i v eo p t o e l e c t r o n i cp r o p e r t i e so f n o b l em e t a ln a n o - p a r t i c l e sb e c o m eaf a s td e v e l o p i n f i e l di nb a s i ct h e o r ya n d a p p l i c a t i o nr e s e a r c h e s p r e s e n t l y , s u r f a c ep l a s m a r e s o n a n c ee f f e c ti sw i d e l ya p p l i e di n a ss e n s i n gp l a t f o r m sf o rc h e m i c a ls e n s o r sa n db i o l o g i c a ls e n s o r s t h i se f f e c th a s f o u n di n c r e a s i n ga p p l i c a t i o n si nb i o a c t i o nd e t e c t o r , m e d i c a m e n ts e l e c t i o n , c l i n i c d i a g n o s i s ，f o o dc o n t r o l ，m e m b r a n eb i o l o g ya n ds oo n i tw i l lb e c o m ea ni m p o r t a n t n o r m a lb i o p h y s i c sm e a s u r e m e n tb o t hi nl i f es c i e n c ea n dp h a r m a c y r e s e a r c h ak i n db i o s e n s o rs y s t e mb a s e do ns u r f a c ep l a s m ar eo n a n c ee f f e c ti sp r e s e n t e di n t h i st h e s i si nd e t a i l t h es y s t e mm a d eu po fs u r f aep l a s m ar e s o n a n c es e n s i n gs y s t e m a n dd i g i t a la c q u i r i n gs y s t e m t h es e n s i n gs y s t e mu e sah a l o g e nt u n g s t e nl a m pi t sa s l i g h ts o u r c e ，g r a t i n ga st h ed i s p e r s i v ed e v i c e ，l i n e a rc h a r g ec o u p l e d d e v i c ea sd e t e c t o r a n dr e s o n a n c ew a v e l e n g t ha sm e t r i c a ls i g n a l i na di t i o n ，a um e t a ln a n o p a r t i c l ef i l m f a b r i c a t e db yv a c u u mv a p o r i z ed e p o s i t i o nm e t h o di sa d o p t e da ss e n s i n ge l e m e n t f i n a l l y , t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mm o n i t o r st h e u r f a c ep l a s m ar e s o n a n c es p e c t r a c h a n g ei nr e a l - t i m e t h es e n s i n gs y s t e mi su s e dt od e t e c tr e l a t e dp h y s isp a r a m e t e r si no u ra p p l i c a t i o n e x p e r i m e n tr e s e a r c h e s s u r f a c ep l a s m ar e s o n a n c eb i o s e n s o rr e s p o n s ei sr e l a t e dt ot h e m i c r oa r r a ys t r u c t u r eo fn a n o p a r t i c l ef i l m a n dt h ed i e l e c t r i cc o n s t a n to ft h e m i c r o e n v i r o n m e n t t h ep a r a m e t e r so ft h em i c r o e n v i r o n m e n tc a nb ed e t e c t e dt h r o u g h p i c k i n gu pe i g e n v a l u e so ft h es u r f a c ep l a s m ar e s o nn e es p e c t r a s a t i s f a c t o r yr e s u r s h a y eb e e no b t a i n e di nb o t ht h ee x p e r i m e n t so fd e t et i n gt h er e f r a c t i v ei n d e xo f s u c r o s ea n dt h es e l fa s s e m b l yp r o c e s so ft h i 0 1 t h i sp r o j e c ti ss p o n s o r e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( p r o j e c tn o 6 0 5 0 8 0 0 3 ) a n dt h et i a n j i na p p l i c a t i o no fb a s i cr e s e a r c ha r o j e c t f o u n d a t i o n ( i t e mn o 0 6 y f j m j c 0 7 10 0 ) k e yw o r d s ：s u r f a c ep l a s m ar e s o n a n c e ，b i o s e n s o r ，a un a n o p a r t i c l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 作了明确的说明并表示了谢意。 学僦文作者躲船喝签锢期：渺夕年7 月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行： ，索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学； 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学名：磅吕螺 签字日期：切夕年上月f 日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 纳米科学是研究纳米尺寸范畴内的原子、分子和其他类型物质运动和变化的 科学。而纳米技术则是在纳米尺度范畴内进行操作和加工的技术。纳米科学技术 是一门多学科交叉的、基础研究和应用开发紧密联系的高新科学发展技术。包括 纳米材料学、纳米电子学、纳米机械加工学、纳米生物学、纳米测量学等若干领 域。纳米科学技术同信息科学、材料科学、生命科学和环境科学等相互交叉将为 这些领域的发展提供新的技术基础。近年来的研究充分表明，纳米技术同生物医 学相互结合，在基因分子诊断、免疫分析、疾病治疗以及分子生物学和生物工程 中都将产生重要进展，而且是当今的研究前沿及发展方向，也是各国关注的热点。 纳米技术很早就渗透到了生物医学分析领域，二十世纪八十年代细胞组织研 究中使用的胶体金标记、银增强的细胞染色、细胞分离和免疫法【l 2 】就是很好的 例子，如与蛋白质、抗体或d n a 共轭的金粒子在电子或光学显微镜下呈现可见 的颜色。目前，人类疾病基因的诊断和疾病的治疗成为全社会共同关心的话题， 而在解决此类对象的分析检测时，贵金属纳米粒子及其二者形成的复合结构，成 为对生物大分子探针进行标记的可靠工具。在生物医学分析中，现在已经能够制 备具有量子尺寸效应和高比表面积的功能化的纳米粒子。这些粒子具有异常的光 学、电学、磁学和结构特性，将其结合到生物分子如核酸、蛋白质、肽等表面 上时，产生的生物共轭物种由于尺寸依赖性和维度与生物大分子类似，很适合作 为活性磁共振成像、药物释放输运的大循环载体和组织工程的结构构架，同时 又能用在分子识别和标记、d n a 传感器和生物芯片中。在这方面纳米金和银粒 子尤其为科学家们关注，美国科学家在生物传感器和基因芯片的研究和应用中保 持着前沿优势。国内学者也关注该领域的发展，对贵金属纳米粒子在生物分析和 d n a 检测中的应用做过评述i j 4 j 。 纳米生物技术是国际生物技术领域的前沿和热点问题，而纳米生物传感器横 跨生物、化学、物理信息等领域，综合了生物科技、材料技术、纳米技术、微电 子技术等，广泛应用于医学、食物、环境、分析等领域，更是当今科学发展的前沿， 将引起广泛重视。当前，纳米与生物科学蓬勃发展，是国际上最活跃的两个研究 领域。同时，两个学科问又存在着广泛的天然联系：生命科学的基本单元d n a 和 蛋白质都是纳米尺寸的物质，其研究离不开纳米技术，而丰富多彩的生物纳米功 能结构又为纳米器件的研究提供了无穷的想象空间。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 金属纳米粒子基本效应与光学特性 纳米粒子是尺寸在纳米量级的超细粒子。纳米粒子的表面原子与总原子数之 比随着粒径的减小而急剧增大，显示出强烈的体积效应( 即小尺寸效应) 、量子尺 寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应。 1 、量子尺寸效应晦1 当粒子尺寸达到纳米量级时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分 立能级的现象称为量子尺寸效应。能带理论表明：金属纳米粒子所包含的原子数 有限，能级问距发生分裂。当此能级间隔大于热能、磁能、静电能、静磁能、光 子能量或超导态的凝聚能时，纳米粒子的磁、光、声、热、电及超导电性与宏观 物体有显著的不同。例如：纳米粒子所含的电子数的奇偶性不同，低温下的比热 容、磁化率有极大差别；纳米粒子的光谱线频移、催化性质也与粒子所含电子数 的奇偶性有关。 2 、体积效应1 由于粒子尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为体积效应。当纳米粒子 的尺寸与德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当 或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米粒子的表面层附近原子 密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的体积效应。例如：磁有序 态向磁无序态、超导相向正常相的转变；光吸收显著增加：声子谱发生改变；强 磁性纳米粒子( f e c o 合金，氧化铁等) 尺寸为单磁畴临界尺寸时具有很高的矫 顽力；纳米粒子的熔点远远低于块状金属；等离子体共振频率随颗粒尺寸改变n 1 。 3 、表面效应1 表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒径减小而急剧 增大后引起的性质上改变。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，粒子的表面张力 和表面能增加。原子配位不足以及高的表面能使原子表面有很高的化学活性，极 不稳定，很容易与其他原子结合，这就是活性的原因。表面原子的活性引起了纳米 粒子表面输运和构型的变化，也引起了表面原子自旋构象和电子能谱的变化。例 如：化学惰性的p t 制成纳米微粒p t 后成为活性极好的催化剂。 4 、宏观量子隧道效应旧1 微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。人们发现一些宏观量，例如微 粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量也具有隧道效应，称为宏观量子隧道效 应。量子隧道效应是未来微电子器件的基础，它确定了现存微电子器件进一步微 型化的极限。 纳米粒了具有大的比表面积，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降 天律大学硕士学位论文 第一章绪论 急剧增加，小尺寸效应，表面效应，鼙于尺_ 效应及宏观量子隧道效应等导致纳 米粒子的热、磁、光、敏感特性和表衄稳定性等不同于常规粒子，这就使得它具 有广阔应用前景。 纳米粒子可在一定波长的光的激发下发光即所谓的发光现象。一些情况下， 纳米材料的吸收光谱存在“监移”现象，即吸收发射谱向短波方向移动，这是 由于粒子尺寸下降导致能隙变宽，而表面效应使晶格常数变小也导致吸收带移向 高波数。另一些情况下还可以观察到纳米粒了的吸收带移向长渡长，即“红移” 现象。这是由于粒径减小的同时，粒子内部的内应力也会增加导致电子渡函数 重叠加大，带隙、能级间距变窄。因此纳米材料光吸收带的位置是由影响峰位 的蓝移因素和红移因素共同作用的结果。此外金属纳米粒子还具有宽频带强吸 收性质。 另外，纳米粒子的光学性能与纳米粒子的尺寸和形状也密切相关。例如，不 同尺寸的球形纳米粒子的紫外可见l 吸收光谱会发生蓝移或红移，谱峰会变宽或变 窄；球形纳米粒子和棒状纳米粒子的紫外可见吸收光谱也不相同。 1 表面等离子体共振生物传感器概述 金属纳米粒子囡尺寸效应而具有的独特光学和电学性质近年来倍受各国科 学家关注，金属纳米粒子的内部自由电子在光( 电磁场) 作用下进行规则的周期振 荡在一定的频率下发生定域表面等离子体共振，使金届粒子周围电磁场得到极 大增强。基于这种独特光学性质，许多光谱技术应运而生，其中包括表面等离子 体共振光谱，表面增强拉曼光谱，表面增强荧光光谱等”。 天津大学硕上学位论文第一章绪论 子或不连续的金属纳米结构中的电荷密度震荡，当其被入射光激发，引起表面等 离子体共振时，该金属纳米结构表面的局域电场被增强，展现出强烈的表面等离 子体吸收。金、银、铂等贵金属纳米粒子具有很强的表面等离子体共振效应，它 们在紫外可见光波段展现出很强的光谱吸收。 表面等离子体共振生物传感器通过提取金属纳米粒子的表面等离子体共振 光谱来检测生物反应的过程与特征参数。金属纳米粒子的表面等离子体共振光谱 表征形式，例如峰值吸收波长，功率半宽度、谱的展宽、拖尾等数字特征取决于 纳米结构的几何参数。当这些结构参数确定后，所表征出的表面等离子体共振吸 收谱就成为所制备的特定结构的特征谱，被誉为所制备结构的光学“指纹谱”。 1 表面等离子体共振生物传感器的特点 基于表面等离子体共振技术的光学生物传感器是进行生物分子相互作用分 析的一种先进手段。与传统的超速离心、荧光法等相比，它具有实时检测、无需 标记、耗样少等特点，在药物筛选、临床诊断、食物及环境监控和膜生物学等领 域中的新兴应用日益扩大，并且将已成为生命科学和制药研究的一种重要标准的 生物物理学工具。越来越多的科学家热衷于表面等离子体共振生物传感器的研 究。 1 、实时监测反应的动态过程，测定反应的动力学常数这是表面等离子体 共振传感技术具有巨大吸引力的重要原因。表面等离子体共振传感器常用来监测 生物反应的动态过程，如各种生物分子的相互作用，生物分子和小分子间的相互 作用等，可以获得动力学常数、离解常数、甚至分子构型变化等信息。 2 、分析生物样品时无需标记这是表面等离子体共振传感技术吸引人的又一 重要原因。现有的各种生物分析方法，大多需要对样品进行标记，如荧光标记、 酶标记以及放射性同位素标记等，以便获得易于检测的信号变化。标记的手续一 般比较繁琐、费时，且常会使生物样品失活。表面等离子体共振传感器可将待测 样品吸附在敏感膜表面直接进行检测，无需标记，更便于客观地反映样品的实际 情形。 3 、灵敏度高，抗背景干扰能力强表面等离子体传感器是根据消失波原理构 造的，由于消失波的电场在界面处被放大，因此表面等离子体共振传感器的测量 灵敏度很高，同时，消失波进入光疏介质的深度有限，也就是说，消失波只能反 映界面附近的变化而看不到背静止的变化，因此该类传感器抗背景干扰的能力很 强。但这一点也限制景值的变化，因此该类传感器抗背景干扰的能力很强。但这 一点也限制了表面等离子体共振传感器只能检测敏感膜表面一层的变化。 天津人学硕士学位论文第一章绪论 4 、待测物无需纯化抗原一抗体1 引、酶一底物、生物素一抗生物素3 1 等超分 子识别体系的专一性很强，用表面等离子体共振传感技术可直接分析生物样品而 不需要进行预处理和纯化。血清、尿液、组织培养液、细胞或细胞膜抽提液等均 可直接进样。非特异性吸附一般很容易洗脱，对测定的影响很小。不过在非特异 性吸附很牢以致难以洗脱时，表面等离子体共振传感器是无法分辨出来的，也是 这类传感器的一大局限。 1 表面等离子体共振生物传感器的研究现状及发展趋势 表面等离子体共振技术由瑞典科学家l i e d b e r g 等于八十年代首次运用于免 疫抗原抗体相互反应的测定。随后，该技术被引入生物传感器领域并迅速渗透到 基础生命科学研究中n4 。基于表面等离子体共振技术的光学生物传感器具有其它 相互作用技术所无法比拟的优点，如不需对分子进行标记、能实时检测生物分子 结合反应的全过程等，其发展非常迅速，无论在仪器本身还是在应用领域方面都 迈出了巨大的步伐，并将成为一种检测生物分子间相互作用的重要方法。新的技 术理论和方法学的发展又推动了表面等离子体共振生物传感器向小分子的相互 作用研究、药物筛选、临床诊断、细胞膜模拟、蛋白质组学等新兴的应用领域扩 展。表面等离子体共振生物传感技术在美、英、日等国都在进行大量的研究应用， 每年都发表了大量论文。近几年，表面等离子体共振生物传感技术已渐渐的被商 业化并获得了商业成功。特别是在1 9 9 0 年，瑞典的b i a c o r ea b 公司开发出世界 上第一台商业化的表面等离子体共振生物传感器b i a c o r e 之后，表面等离子体 共振生物传感器的研究全面展开并不断深入，其应用范围不断扩大。表面等离子 体共振技术广泛应用于从蛋白、寡核苷酸、寡糖、脂类到小分子、噬菌体、病毒 颗粒、细胞等各种生物体系。商业化的表面等离子体共振生物传感器已经从根本 上改变了生物分子识别科学，成为生命科学和制药研究上的一种标准工具n 引。 目前，国内也有少数研究所、大学或大医院开展了基于表面等离子体共振的 生化分析技术的研究和应用。但是，自制的仪器多偏向于原理性的研究，离实用 化距离甚远。市场上尚未有国产的商品化仪器出售，进口的仪器又十分昂贵，动 辄几十万美金，很少有单位能买得起。中科院电子所传感技术国家重点实验室对 表面等离子体共振的原理及应用有多年的研究经验。但是这些研究和应用大多停 留在实验室范围，没有在广阔的生产实践和科研领域推广使用。可以看到，一方 面是国内对基于表面等离子体共振的生化测试系统有大量的需求，另一方面由于 缺少对其进行实用化的研究和推广，许多科研成果不能转化成生产力。这不仅造 成了国产表面等离子体共振生化测试系统的市场的流失，更是对国家科研投入的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 资金和人力资源的浪费 随着科技的发展和人们对生活质量要求的提高，在很多领域，如医药卫生、 环境监测、生物工程等等，需要对越来越多的化学物质和生物物质进行分析研究。 表面等离子体共振传感器由于其特有的性质，将发挥越来越大的作用，与实际需 求相比，表面等离子体共振仍需进一步的发展，具有广阔的应用前景。 1 进一步降低检测限许多生物物质、药物或环境污染物质需要很低浓度即 可对生物体产生显著影响。例如优化仪器的设计及其它仪器联用，如光声光谱、 光热光谱等，改进实验方法，增强表面等离子共振的响应信号。 2 提高传感器的特异性表面等离子体一个主要的局限性是无法区分非特 异性吸附，与质谱法联用可克服这一缺陷，如借助激光解吸离子化飞行时间质谱 作为表面等离子共振的检测部分测定生物分子之间的相互作用。 3 实现多通道、多参数检测实现多通道、多参数是传感器的发展趋势， 目前已有十六通道传感器的报道。表面等离子体共振与电化学联用，同时得到样 品的电化学和光化学信息。 4 向微型化、集成化发展分析仪器的微型化、集成化在近十年来已成为一 种热门话题。仪器的微型化可大大减少试剂的消耗，加快分析速度，降低分析成 本，具有很大的商业价值。基于集成光学波导、表面等离子共振传感器的体积亦 可大大缩小。随着微制造技术的不断发展，将表面等离子体共振仪器集成于一块 芯片上是完全可能的。 5 进一步提高仪器的性价比表面等离子体共振传感器正由实验室的研究 工作向实际应用领域推进，已有好几种表面等离子体共振传感器问世，但是目前 这类一起大多价格昂贵，难以普及，无形中限制了表面等离子体共振传感器的研 究和应用。因此，研制价格适中、性能优良、使用方便的表面等离子体共振仪器， 显得非常迫切。 i 本课题研究的内容 本课题旨在研究设计一种性能稳定、使用方便的表面等离子体共振生物传 感器。本论文的主要内容包括以下几个方面： 第一章绪论部分，主要介绍了纳米粒子的光学特性，对表面等离子体共振 生物传感器的特点、国内外现状以及发展趋势进行了简单的阐述，指出了本课 题研究的主要内容。 第二章表面等离子体共振生物传感器工作原理部分，具体阐述了表面等离 子体共振的工作原理以及基于表面等离子体共振技术的生物传感器的检测原 天津大学硕士学位论文第一章绪论 理。 第三章系统硬件设计部分，详细介绍了表面等离子体共振生物传感器的硬 件结构部分，主要包括光源、耦合光纤、光栅、光谱仪的选择以及金纳米粒子 敏感膜的制作。 第四章系统软件设计，详细介绍了表面等离子体共振生物传感器软件实现， 基于虚拟仪器完成了仪器控制以及数据采集功能。 第五章测试及分析部分，详细介绍了运用所设计的表面等离子体共振生物 传感器进行敏感膜环境溶液折射率的检测、金纳米粒子膜自组装硫醇的检测。 第六章总结和展望，对课题进行了总结，并对的后期工作提出了理论的分 析。 天津大学硕士学位论文 第二章表面等离子体共振生物传感器工作原理 第二章表面等离子体共振生物传感器工作原理 表面等离子体共振是在金属表面产生一种特殊的物理光学现象，可以产生很 强的局域电场，能够使得拉曼散射增强千倍以上，从而可以探测单个分子的拉曼 散射。上世纪七十年代初，德国o t t o 和k r e t s c l i m a n n 等人在一系列工作中研究 了沿金属和介质界面传播的表面等离子体波的光学激励问题6 1 7 1 。由此产生的表 面等离子共振技术后来在多个学科领域得到应用，如生化、物理传感器、光波导 偏振器、表面非线性光学检测，表面膜层特性研究等。下面介绍表面等离子体共 振的原理。o t t o 把表面等离子体共振看成光全反射时的一种现象，而k r e t s c h m a n n 把它作为金属薄膜中等离子体振荡。 产生表面等离子体共振时，表面等离子体波可增强几百倍，因此表面等离子 体共振具有显著的表面增强效应。此外，表面等离子体共振对金属膜表面介质的 折射率、入射角、入射光波长和偏振状态、金属膜及其表面介质的厚度等十分敏 感，这些性质使表面等离子体共振现象能在许多方面得到应用。如生化、物理传 感器、光波导偏振器、表面非线性光学检测，表面膜层特性研究等。 表面等离子体共振原理 2 1 等离子体的概念 等离子体是物质存在的一种状态，与固态、液态和气态并列，称为物质的第 四态引。宇宙中大部分物质处于等离子状态，从地球上空几百公里的电离层开始 直至茫茫太空，到处充满等离子体，空间物理所研究的太阳耀斑、日冕、太阳黑 子等等都涉及等离子体。人造等离子体也广泛的存在，如聚变等离子体，低温等 离子体等。等离子体的发展将在二十一世纪对能源、材料、信息、空间以及环境 等领域高新技术产业的开拓产生重大的影响1 9 1 。因此开展等离子的研究是一项十 分有意义的工作。 等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统，它的主要特征是：离子间存 在长程库仑作用，等离子的运动与电磁场的运动紧密耦合，存在极其丰富的集体 效应和集体运动模式。 和物质的另外三态相比，等离子体可以存在的参数范围广，其密度、温度以 及磁场强度都可以跨越十几个数量级。等离子体的形态和性质受外加电磁场的强 天津大学硕士学位论文第二章表面等离了体共振生物传感器工作原理 烈影响，并存在极其丰富的集体运动模式如各种静电波、漂移波等。此外，等 离子体对边界条件十分敏感，所以等离子体性质的研究强烈地依赖于具体的研究 对象。 2 1 表面等离子体 表面等离子体是等离子体物理学的一个分支，它主要研究的是等离子体在物 质的表面和界面上的性质。表面等离子体存在于金属的表面，是一种表面电磁波， 符合麦克斯韦电磁波理论。麦克斯韦电磁波理论表明，表面电磁波能够沿金属表 面或者在金属膜上传播，并且具有很宽的本征频率。表面等离子体的色散关系 q t ) 位于光线的右侧，这表明，在具有相同的能量缈的情况下，表面等离子体 具有较大的波矢量。因此，在通常情况下，表面等离子体不会向外辐射出光，所 以表面等离子体又称做非辐射表面等离子体，它描述了表面电荷密度的波动，其 强度在表面上具有最大值，并且沿垂直于表面的方向向空间呈指数性衰减，具有 表面波的特征。表面等离子体的波动方程如下啪1 ： e = 磊e x p + i ( k ，x + k ：za x ) 】 ( 2 1 ) 其中，e 。为表面等离子体波电场的振幅，e x p + i ( k 。x + _ k z r a ) 】代表相位因子。 z 时取正号，z 3 0 ) 。所有常规或全息蚀刻光栅在某个波长区域使一级光谱最优化：最佳 或最有效的区域是在效率 3 0 的区域。在一些情况下，光栅的光谱覆盖范围大于 有效衍射范围。闪耀波长是指光栅衍射效率最大的应用波长，闪耀波长两侧光栅 的衍射效率逐步下降，光栅的应用范围也因此被定义为2 闪耀波长之间， 当实际光谱范围确定以后，就可以根据这个公式选择闪耀波长。如果一块光栅不 能覆盖全部使用范围，还可以考虑选择多块光栅分别覆盖不同的使用波段，实现 宽光谱范围的应用。 2 0 04 0 0 6 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 波长( 瓶) 图3 - 5 光栅光学导通曲线 我们选取海洋光学仪器厂的s l i t 一3 光栅，其刻线密度为6 0 0 线m ，光谱范 围6 5 0n m ，闪耀波长5 0 0n m ，通光效率( 3 0 ) 波长带3 5 0 - 1 0 0 0n l l l 。图3 - 5 为 光栅效率曲线。 阳 如 寻 通光率筇 天津大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 3 1 光电检测器 光电转换器件是光电光谱仪接收系统的核心部分，主要是利用光电效应将不 同波长的辐射能转化成光电流的信号。光电转换器件主要有两大类：一类是光电 发射器件，例如光电管与光电倍增管，当辐射作用于器件中的光敏材料上，使发 射的电子进入真空或气体中，并产生电流，这种效应称光电效应；另一类是半导 体光电器件，包括固体成像器件，当辐射能作用于器件中光敏材料时，所产生的 电子通常不脱离光敏材料，而是依靠吸收光子后所产生的电子一空穴对在半导体 材料中自由运动的光电导( 即吸收光子后半导体的电阻减小，而电导增加) 产生 电流的，这种效应称内光电效应。光电转换元件种类很多，但在光电光谱仪中的 光电转换元件要求在紫外至可见光谱区域( 1 6 0 - - 一8 0 0 n m ) 很宽的波长范围内有很 高的灵敏度和信噪比，很宽的线性响应范围，以及快的响应时间。目前可应用于 光电光谱仪的光电转换元件有以下两类：即光电倍增管及固体成像器件。固态成 像器件是新一代的光电转换检测器，它是一类以半导体硅片为基材的光敏元件制 成的多元阵列集成电路式的焦平面检测器，属于这一类的成像器件，目前较成熟 的主要是电荷注入器件( c i d ) 、电荷耦合器件( c c d ) 。 在电荷耦合检测器( c h a r g e - c o u p l e dd e t e c t o r 简称c c d ) 装置中，由光子 产生的电荷被收集并储存在金属一氧化物一半导体( m o s ) 电容器中，从而可以准 确地进行象素寻址而滞后极微。这种装置具有随机或准随机象素寻址功能的二维 检测器。可以将一个c c d 看作是许多个光电检测模拟移位寄存器。在光子产生的 电荷被贮存起来之后，它们近水平方向被一行一行地通过一个高速移位寄存器记 录到一个前置放大器上。最后得到的信号被贮存在计算机里。c c d 器件的整个工 作过程是一种电荷耦合过程，因此这类器件叫电荷耦合器件。 我们选择的c c d 参数为3 6 4 8 像素的线性c c d 探测器，其光学参数如下： c c d 探测器t o s h i b at c d 13 0 4 a pl i n e a rc c d a r r a y 像素数 3 6 4 8p i x e l s 灵敏度 13 0p h 。n sp e rc 。u ma t4 0 0n m ；6 0p h o t o n s c o u n tt6 0 0 姗 像素大小 8l am 2 0 0um 信躁比 3 0 0 ：1 ( a tf u l ls i g n a l ) a d 转换精度1 6b i t 白噪声 5 0r m sc o u n t s 2 0 犬津人学硕上学位论文第一章系统硬件设计 非线性自校正 9 98 31 光谱仪 由于每种物质都有独特的分予和原子结构、运动状态和相应的能级分布，物 质的状态变化时会形成这种物质所特有的分子光谱和原予光谱。利用物质的光谱 与其内部成分、结构、运动状态或表面状态的卣接对应的“指纹”关系，通过光谱 测量就能获取物质内、外信息，这一过程就是光谱分析。通常根据光谱形成机 理的不同，光谱分析可分为发射光谱分析、透射反射吸收光谱分析、荧光光谱 分析和散射拉曼光谱分析等几大类。光谱仪是研究、测定光辐射的频率、强度 特性及其变化规律的光学仪器。它应用光的色散原理、衍射原理或光学调制原理， 将不同频率的光辐射按照一定的规律分解开，形成光谱，配合一系列光学、精密 机械、电于和计算机系统实现精密测定和研究韵目的。光谱仪不仅涉及到人眼 所能感受到的即可见光辐射，还覆盖了红外区和紫外区的不可见光辐射。典型 的光谱仪包含以下几个部分：1 光源和照明系统、2 分光系统和3 接收系统 其中分光系统是所有光谱仪器的核心。图3 - 6 是典型光谱仪的示意图。 图36 光谱仪光路图 光束进入光学过滤器并技有效传输至光谱仪。旦进入光i 普仪，则从光学过 滤器发卅的发散光束就会被个球形镜校准使变成f 行光束。平行光束经心f 而 光栅行射，所产生的衍射光壤焦到第一个球彤镜。光谱蹦琢投射刘一个维线性 c c d 阵列其数掘将通过个a d 转换器传输到计算机。 根据相关旺配我们选择0 c e a n o p t l c s 的光谱仪系列u s b 4 0 0 ，它尺小， 接口u s b 馊十开发光源、光栅以及光学检测器件均u j 实验需求组装。把我们 选择的光栅安装到光谱仪内的性能如下表所列。 天津大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 外观 尺寸： l 8 9 1m m 6 3 3n 吼3 4 4m m 重量： i 1 9 0 枪测器参数 检测器： t o s h i b at c d l3 0 4 a p 线性c c d 阵列 检测范围：2 0 0 1 1 0 0m 象素： 3 6 4 8 象素 象素大小：8p i n 2 0 0 岬 象素景深： 1 0 0 ，0 0 0 电子 信噪比： l 3 0 0 ：1 ( a tf u l ls i g n a l ) 数模转换分辨率：i 1 6 位 背景噪音：5 0r m s 点 校正线性值： 9 9 8 灵敏度： 1 1 3 0 光子数据点( 4 0 0 啪) ；6 0 光子数据点( 6 0 0 啪) 光学参数 焦距： l 4 2i 砌输入；6 8m m 输出 _ 入射孔径： i 2 0 0u m 光纤 光栅： 选择的光栅 h c 光栅：无 检测器聚光镜：l l 4 d e t 4 滤光选择：l d e t 4 2 0 0 8 5 0 ；d e t 4 3 5 0 1 0 0 0 其他滤光选择： i 系列滤波器，可以限定通带波长起始值 光纤连接： l s m a9 0 5 转接至0 2 2n a 光纤 光谱参数 l 波长范围：取决于光栅 光学分辨率：- - 0 3 1 0 0n m 半幅值全宽( f w h m ) 数模转换分辨率：l 1 6b i t 背景噪音： 5 0r i m s 计数点 积分时间： 1 0 “s 到6 5 s 光散欠： i 6 4 0 m m ；转速n m a x = 3 0 r p m ：平面形夹具外径 f p 6 4 0 m m 基片加热：3 5 ，控温误差 1 电阻蒸发源：对，4 k w 对 电子束蒸发源：6 k w 双电子枪 坩埚：四穴坩埚两个抽气系统： 机械泵2 x 7 型抽速7 0 l s 极限6 0 1 。p a 油扩散泵t k 一5 0 0 a 型 抽速1 0 0 0 0 u s极限6 7 xl 巧p a 我们选用工业金作为蒸发源，其纯度可达9 9 9 9 。真空压3 013 p a ，蒸发 速率控制在5 8 n ，膜厚度约为2 0 n m 。基底采用是直径为1c m 的有机塑料。 图3 一为我们制作的一部分金纳米粒子膜。 天津大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 3 便携式实验台 图3 - 9 金纳米粒子膜 图3 1 为自行设计的的便携式实验工作台。该机械装置包括光纤固定装置、 样品反应槽以及支架部分。 图3 一l o 自行设计便携式实验台 光纤通过光纤孔插入，经调节后用固定螺灶凼定，使光纤l 金纳米粒子膜的 距离域佳，并垂直入射到样品槽底部。侧板的高度m 光纤探测头的长度决定。将 金纳米粒子膜同定杠不锈钢梢底部待钡4 试剂从i 方加入，在不锈铡槽内进行反 应后。废弃试剂以及洗样试剂均山不锈钢槽四周的废液椅排出。选择小锈钢材料 则土要为防止化学试剂以及生物试剂的腐蚀作刚。此装置设计了两个光纤通道可 同时埘两个样品进行采样。机械装置的其余支架部分为铝件。该机械装置的尺寸 为1 4x 1 4x 1 2 5 r a m 。 天津太学硕j ：学位论文第i 蘼系统硬件垃计 3 小结 本章介绍了表面等离子体共振生物传感器的硬件系统的措建。将光学检测器 件和生物敏感器件组装成一体，形成个完整的功能体系。主要包括光路系统的 选择，敏感纳米粒子膜的制备以及便携式工作台装置。翻3 - 1 为实际工作实验 装置。该主体系统由光源、光纤删头、光纤、光谱仅和便携式实验台组成，其q | 光栅、电荷耦合元件均组装在光谱仪中。 图3 一】11 作实验装置 天津大学硕士学位论文 第四章系统软件设计 第四章系统软件设计 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，v i ) 的概念是由美国国家仪器公司( n i ) 最先提出的。它是以个人计算机为核心的、通过测量应用软件支持的( 若干独立 仪器功能由软件实现) 、具有虚拟仪器面板、足够的仪器硬件以及通信功能的测 量信息处理设备。 与传统仪器相比，虚拟仪器有以下优点( 1 ) 融合计算机强大的硬件资源， 突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制，大大增强了传统仪器的 功能。高性能处理器、高分辨率显示器、大容量硬盘等已成为虚拟仪器的标准配 置。( 2 ) 利用了计算机丰富的软件资源，实现了部分仪器硬件的软件化，节省了 物质资源，增加了系统灵活性；通过软件技术和相应数值算法，实时、直接地对 测试数据进行各种分析与处理；通过图形用户界面技术，真正做到界面友好、人 机交互。( 3 ) 基于计算机总线和模块化仪器总线，仪器硬件实现了模块化、系列 化，大大缩小系统尺寸，可方便地构建模块化仪器。( 4 ) 基于计算机网络技术和 接口技术，v i 系统具有方便、灵活的互联，广泛支持诸如c a n 、f i e l d b u s 、p r o f i b u s 等各种工业总线标准。因此，利用v i 技术可方便地构建自动测试系统( a t s ， a u t o m a t i ct e s ts y s t e m ) ，实现测量、控制过程的网络化。( 5 ) 基于计算机的开 放式标准体系结构。虚拟仪器的硬、软件都具有开放性、模块化、可重复使用及 互换性等特点。因此，用户可根据自己的需要，选用不同厂家的产品，使仪器系 统的开发更为灵活、效率更高，缩短了系统组建时间。 l a b v i e w 是虚拟仪器领域中最具有代表性的图形化编程开发平台，是目前国 际上首推并应用最广的数据采集和控制开发环境之一，主要应用于仪器控制、数 据采集、数据分析、数据显示等领域，并适用于多种不同的操作系统平台。与传 统程序语言不同，l a b v i e w 采用强大的图形化语言编程，具有强大的数据可视化 分析和仪器控制能力等特点。使用l a b v i e w 开发环境，用户可以创建3 2 位的编译 程序，从而为常规的数据采集、测试、测量等任务提供了