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基于强度型SPR传感器的毒品检测系统

2014-04-23 14:02:05 来源:CPS中安网作者:刘琳张文弘责任编辑: xiatingyue 收藏本文

摘要:本文给出了基于强度型SPR传感器构建毒品检测系统的方案，对SPR方法应用于毒品检测领域做了一点尝试性的思考和探索。当前和今后一个时期内，有关适用于各种毒品检测的传感芯片等技术有可能成为一个研究重点,希望本文能对SPR毒品检测系统领域的研究起到抛砖引玉的作用。

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　　本文主要介绍了表面等离子体共振(SPR)技术在毒品检测领域的应用，并给出了强度型SPR传感器毒品检测系统的设计方案。

　　一、表面等离子体共振

　　表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种高灵敏、无需标记的光学检测技术。要想弄清楚它的含义，首先要弄清楚另一个概念——表面等离子体波。表面等离子体波(Surface Plasmon Wave，SPW)是由于在两种介电常数符号相反的介质(入射光为可见光，这种情况下的金属与电介质)分界面上的电荷密度波动而产生并传播的一种横磁波(Transverse Magnetic mode, TM模式)，它局限于界面，只沿界面方向传播，在界面法向上振幅呈指数衰减。由Maxwell电磁理论可以得到SPW的色散关系，入射的体电磁波与SPW同时满足动量守恒和能量守恒。满足这一条件时，将发生能量从空间体电磁波向SPW的共振转移，我们称之为表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance)，简称SPR。

　　自从上个世纪八十年代Nylander等人首次将SPR技术用于气体检测和生物传感，三十多年来该技术发展迅速，出现了广泛使用在物理、化学、生物等领域的各式各样的SPR传感器。SPR传感技术具有检测灵敏度高、无需标记、检测通量大等优点，目前已经有关于使用SPR技术检测各种毒品的报道。相比传统免疫试剂盒方法，SPR方法检测通量高，能够同时进行检测大量特性，可有效降低假阳性的概率，避免其中的干扰;与同样搞检测通量的荧光技术相比，SPR方法具有无需标记的优点，减少了样品的准备步骤和荧光标记的限制，使原位测量成为可能。

　　图1：表面等离子体共振(SPR)原理图

　　常见的棱镜型SPR传感器可分为强度型、相位型、光谱型和角度谱型。如图2，当入射角、入射波长和被探测折射率匹配时，会发生SPR现象，表现为反射率振幅达到最小，偏离共振时，反射率振幅增大。保持入射角、入射波长不变，使用探测器直接测量反射光的强度，利用如图2中反射率——折射率关系曲线来得到对应的折射率，基于这种原理的SPR传感器叫做“强度型SPR传感器” 。强度型SPR传感器是最早出现的SPR传感器，其优点是结构简单，并且很容易同时检测二维区域而实现高通量检测，另外，强度型SPR传感器结构简单，易于实现，但是灵敏度相对较差，分辨率较低，且具有线性范围小的缺点;相位型SPR传感器具有较高的灵敏度，能够得到很高的分辨率，但是具有装置复杂，线性范围更小的缺点;光谱型和角度谱型SPR传感器的灵敏度介于强度型和相位型之间。

图2：强度型表面等离子共振(SPR)反射光强随折射率变化图

　　二、SPR方法毒品检测系统

　　我们以高通量强度型SPR传感器为例，将其应用于毒品检测领域，主要由以下三个子系统组成(如图3所示)。

　　图3：SPR方法毒品检测系统组成示意图

　　1、光源光路子系统

　　光源光路子系统由光源、物镜、小孔光阑、准直透镜、窄带滤光片、Wollaston棱镜、光具座等组成。光源采用中心波长为632.8nm附近、功耗为3W的LED。SPR激发装置需要单色较好且p偏振的平行光。由于LED发光谱线范围较宽，且发散角较大、通常并不是线偏振光，我们需要对LED发出的光进行处理。

　　物镜的作用是将LED发出的光会聚在小孔上，可将经小孔(需要将小孔的尺度控制在足够小且又不至于发生衍射)后的光近似为点光源，再经准直透镜产生平行光。下一步采用通带中心波长632.8nm，带宽约10nm的窄带滤光片进行滤光得到单色性较好的光源。最后，经Wollaston棱镜后产生电场矢量方向与入射面平行的p偏振的线偏振光。

　　2、SPR激发子系统

　　由棱镜、Au膜、功能膜、流通池组成，功能膜是用来吸附各类毒品溶液分子的，即传感芯片，功能膜需满足与毒品溶液分子容易结合在一起，同时又有较好的可逆性，容易用水或其他液体进行离解，以便于多次重复进行试验。通常为避免因假阳性而出现误判，多数采用针对毒品或毒品代谢物分子的部分特征而设计的抗体分子。SPR使用的传感芯片上成阵列排布着许多组不同的抗体分子，每组抗体分子对应不同毒品成分的一种特征，这样几组不同的抗体分子对应的几种特征就能够确定一种特定的毒品分子。整个传感芯片上很多组抗体分子，能够同时测量多种不同毒品。每组有几个到几十个同样的抗体分子共同测量，以排除偶然性。

　　3、探测接收子系统

　　探测接收子系统由面阵CCD，图像采集卡，上位计算机等组成。CCD可通过制冷方式将芯片温度控制到低于室温20°C 左右以降低噪声。采用强度型SPR传感器检测毒品分子时(如图2所示)，需要通过调整入射光入射角度，使折射率与反射光强曲线落在和范围内，即折射率与反射光强关系曲线斜率最大的范围内。当毒品分子在功能膜上有效吸附后导致折射率改变，由此产生传感芯片的表面反射光强度随之发生明显改变，可在上位计算机显示传感芯片中各个点位的光强变化，判断哪些抗体发生了反应，再通过这些抗体的组合判断有哪些毒品。