倏逝波光纤传感器的制作及其在生物分子检测中的应用
传统的医疗检测手段耗时长而且贵，现在倏逝波光纤传感器可以高灵敏快速检测生物大分子，但是一般倏逝波光纤传感器制作复杂且成本高，因此，设计一种简便的高灵敏的倏逝波光传感器具有重要的意义。本文研究用银镜反应化学原理制作传感器，通过光谱法分析影响传感器灵敏度的因素和进行分子检测。结果表明用银镜反应方法制作传感器，性能良好，制作过程简单并且制作成本很低。传感器的灵敏度随灵敏区的长度的增加而快速提高，但灵敏区长度要控制在2厘米左右，预防长度过长而脆断和增加制作难度。灵敏区的银薄膜厚度在60纳米时传感器的灵敏度最好，厚度过大或过小都会降低传感器的灵敏度。该传感器可以较灵敏地实现对低浓度的葡萄糖和牛血清白蛋白两种生物大分子的定量检测。另外，多巴胺对银薄膜进行修饰检测结果也表明，修饰不仅不会提高了分子检测灵敏度，而且其丰富的活性基团为后续实现快速特异性检测奠定了基础，同时也增加了传感器的寿命。关键词 倏逝波 光纤传感器 银镜反应 多巴胺
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 表面等离子共振 1
1.3 倏逝波传感器 2
1.4 倏逝波光纤传感器的发展现状 5
1.5 倏逝波光纤传感器应用过程中存在的问题 6
1.6 本论文研究意义、目的和技术路线 7
2 实验材料和方法 8
2.1 实验材料和设备 8
2.2 实验方法 8
3 试验结果与分析 12
3.1 倏逝波光纤传感器的性能分析 12
3.2 灵敏区的长度对传感器灵敏度的影响 14
3.3 灵敏区的镀膜厚度对传感器灵敏度的影响 15
3.4 倏逝波光纤传感器上银膜的表面形貌 16
3.5 经多巴胺修饰的传感器检测生物大分子 17
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 绪论
引言
近几年，人们生活水平越来越好，逐步迈入小康社会，人们不再局限于温饱问题，食品安全问题、各种环境污染问题和医疗问题渐渐引起了人们的广泛关注。人们的生活富裕起来，但大多数人的身体处于亚健康的状态，身体健康问题越来越多，而且 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
大多数疾病在发现时已经处于较严重或严重的状态。如果早期检测提早发现和治疗，就能够更好地控制疾病，减少痛苦和经济负担。传统的医疗检测必须经过一系列繁杂的过程和相当长的时间的等待，而且检测的价格也是相当的昂贵，所以人们希望有廉价快速的诊断方法可以方便地随时进行检查诊断。对此，医学工作者也做了长期的研究和探索。
表面等离子共振SPR（Surface Plasmon Resonance）现象的发现引起了人们的兴趣。 人们发现它可以用于生物分子检测领域，SPR和光纤材料的结合更是提供了快速便捷分子检测传感的可能[1]。因而，这种新型的检测方式得到了快速的发展。光纤SPR传感器的体积相比较于其他同类检测设备来说是相当小的，甚至可以制造出微型的随身检测仪。其具备光纤传感技术的各种特点，例如耐腐蚀性的能力特别的好，耐高温的能力也相当好，对电磁干扰有较强抗干扰能力，可以根据要求制作出各种相应的形状，而且又具备SPR的高灵敏的优点。同时，其检测速度比同其他检测设备快很多，也具备进行实时的远距离遥测的优点[2]。
表面等离子共振现象
表面等离子体共振（SPR）是一种物理方面特有的光学现象。表面等离子体（SP）指的是在金属和其相邻的电介质间的界面中传播的电磁波。在相邻的两种介质当中夹有厚度仅为数十纳米的金属薄片，当光照射进来时会发生光的全反射，全反射过程会产生倏逝波的p偏振分量。当消逝波的p偏振分量进入金属薄片中后，这种波会与金属薄片中的自由电子产生相互作用，在这个物理过程中会产生表面等离子体振荡。在入射角的角度或者波长的长度达到合适的值时，表面等离子体的频率将会和消逝波的频率产生趋同，从而导致发生共振。在共振过程中，光能的能量被金属薄膜吸收掉， 导致反射光能量迅速衰减，经光谱仪收集形成反射光谱图，此时入射光的入射角或波长称为SPR的共振角或共振波长[3]。
表面等离子体波（SPW）是一种电子密度波。这种波受激发产生在金属薄膜和完全结合在一起的介质的融合区，并在融合区传播表面等离子体波[4]。光从一种介质进入另一种介质发生全反射时，产生的倏逝波分为p偏振光和s偏振光，而p偏振光有助于表面等离子体的激发，而后者可以当作信号产生是的参考。当入射波矢量kx的水平分量（即渐逝波矢量）与表面等离子体波矢量ksp一致，将会产生表面等离子体共振现象，其反应过程能量关系为等式（11）所示。
（11）
式子中k0表示自由空间中的入射波矢量，θinc表示入射角。这里，入射角被称为共振角[4]。当激发光波长固定时，可以通过扫描入射角和监测反射率来获得具有倾角的SPR曲线。反射率的最小值（几乎为零）对应于谐振角处的反射强度。当SPW激发时，部分入射光能被转换为SPW共振能量，导致反射强度急剧下降。理想情况下，所有入射能量都应该被吸收以支持共振振荡并产生强烈的瞬逝场[5]。由于传感表面上生物分子吸附引起的传感层折射率变化会导致SPR电磁场重新分布，因此可以通过光学检测器获得并收集显着的SPR角度偏移。这一独特的特性使SPR生物传感器能够显示出优异的实时性和无标记检测性能。
1.3 倏逝波传感器
在20世纪初，科学家Wood发现当偏振光经过排列的金属光栅时，偏振光会发生异常的衍射现象，这次发现便是SPR现象出现的起源。当时人们没有重视这个理论，使这个理论的发展一直处于停滞状态。20世纪40年代后，人们开始研究这个现象。1956年，Ritchin发现电子在经过金属薄膜时出现了消失峰，经由这个现象他提出了金属等离子体的概念，SPR理论趋于饱满。1957年，Turboder用光全反射照射金属薄片，终于首次正式提出了表面等离子体共振现象[6]。
经过多年对这种现象的研究，于1968年，科学家Otto 研制出首款SPR传感器，该款传感器是三棱镜和其表面金属薄膜组合而成，称为Otto型棱镜SPR传感器。但是这种传感器的精度不好控制[5]。后来，Krestchian进行进一步的改进，克服了传感器精度控制难的问题，研制出了Krestchian型传感器，后来的SPR传感器都是在这种基础结构上进行研制和发展。1984年，瑞士联邦工学院的光学实验室为了提高SPR传感器的灵敏度发明了集成光波导传感器。1992年，美国科学R.C.Jorgenson首次建 议用光纤和SPR结合的方法，结合两者的优点，研制出倏逝波SPR光纤传感器。自此，SPR传感器的发展进入了高速时代[7]。
1.3.1 棱镜SPR传感器
这种传感器有两种，分别为Otto型和的Krestchian型，如图11所示。Otto型的结构中，在三棱镜与金属薄片间存在一空隙，空隙的宽度和射入空隙的入射光的波长几近相似，把将要检测的物质放入或流过空隙，然后控制空隙的宽度和金属薄膜的厚度来达到产生表面等离子波的目的[8]。Otto型结构的缺陷在于空隙的宽度一般处于数十纳米和数百纳米之间，而这种极细微的宽度是难以检测和控制的，所以现在这种结构已经很少了，除了极个别的情况需要这种结构。
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 表面等离子共振 1
1.3 倏逝波传感器 2
1.4 倏逝波光纤传感器的发展现状 5
1.5 倏逝波光纤传感器应用过程中存在的问题 6
1.6 本论文研究意义、目的和技术路线 7
2 实验材料和方法 8
2.1 实验材料和设备 8
2.2 实验方法 8
3 试验结果与分析 12
3.1 倏逝波光纤传感器的性能分析 12
3.2 灵敏区的长度对传感器灵敏度的影响 14
3.3 灵敏区的镀膜厚度对传感器灵敏度的影响 15
3.4 倏逝波光纤传感器上银膜的表面形貌 16
3.5 经多巴胺修饰的传感器检测生物大分子 17
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 绪论
引言
近几年，人们生活水平越来越好，逐步迈入小康社会，人们不再局限于温饱问题，食品安全问题、各种环境污染问题和医疗问题渐渐引起了人们的广泛关注。人们的生活富裕起来，但大多数人的身体处于亚健康的状态，身体健康问题越来越多，而且 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
大多数疾病在发现时已经处于较严重或严重的状态。如果早期检测提早发现和治疗，就能够更好地控制疾病，减少痛苦和经济负担。传统的医疗检测必须经过一系列繁杂的过程和相当长的时间的等待，而且检测的价格也是相当的昂贵，所以人们希望有廉价快速的诊断方法可以方便地随时进行检查诊断。对此，医学工作者也做了长期的研究和探索。
表面等离子共振SPR（Surface Plasmon Resonance）现象的发现引起了人们的兴趣。 人们发现它可以用于生物分子检测领域，SPR和光纤材料的结合更是提供了快速便捷分子检测传感的可能[1]。因而，这种新型的检测方式得到了快速的发展。光纤SPR传感器的体积相比较于其他同类检测设备来说是相当小的，甚至可以制造出微型的随身检测仪。其具备光纤传感技术的各种特点，例如耐腐蚀性的能力特别的好，耐高温的能力也相当好，对电磁干扰有较强抗干扰能力，可以根据要求制作出各种相应的形状，而且又具备SPR的高灵敏的优点。同时，其检测速度比同其他检测设备快很多，也具备进行实时的远距离遥测的优点[2]。
表面等离子共振现象
表面等离子体共振（SPR）是一种物理方面特有的光学现象。表面等离子体（SP）指的是在金属和其相邻的电介质间的界面中传播的电磁波。在相邻的两种介质当中夹有厚度仅为数十纳米的金属薄片，当光照射进来时会发生光的全反射，全反射过程会产生倏逝波的p偏振分量。当消逝波的p偏振分量进入金属薄片中后，这种波会与金属薄片中的自由电子产生相互作用，在这个物理过程中会产生表面等离子体振荡。在入射角的角度或者波长的长度达到合适的值时，表面等离子体的频率将会和消逝波的频率产生趋同，从而导致发生共振。在共振过程中，光能的能量被金属薄膜吸收掉， 导致反射光能量迅速衰减，经光谱仪收集形成反射光谱图，此时入射光的入射角或波长称为SPR的共振角或共振波长[3]。
表面等离子体波（SPW）是一种电子密度波。这种波受激发产生在金属薄膜和完全结合在一起的介质的融合区，并在融合区传播表面等离子体波[4]。光从一种介质进入另一种介质发生全反射时，产生的倏逝波分为p偏振光和s偏振光，而p偏振光有助于表面等离子体的激发，而后者可以当作信号产生是的参考。当入射波矢量kx的水平分量（即渐逝波矢量）与表面等离子体波矢量ksp一致，将会产生表面等离子体共振现象，其反应过程能量关系为等式（11）所示。
（11）
式子中k0表示自由空间中的入射波矢量，θinc表示入射角。这里，入射角被称为共振角[4]。当激发光波长固定时，可以通过扫描入射角和监测反射率来获得具有倾角的SPR曲线。反射率的最小值（几乎为零）对应于谐振角处的反射强度。当SPW激发时，部分入射光能被转换为SPW共振能量，导致反射强度急剧下降。理想情况下，所有入射能量都应该被吸收以支持共振振荡并产生强烈的瞬逝场[5]。由于传感表面上生物分子吸附引起的传感层折射率变化会导致SPR电磁场重新分布，因此可以通过光学检测器获得并收集显着的SPR角度偏移。这一独特的特性使SPR生物传感器能够显示出优异的实时性和无标记检测性能。
1.3 倏逝波传感器
在20世纪初，科学家Wood发现当偏振光经过排列的金属光栅时，偏振光会发生异常的衍射现象，这次发现便是SPR现象出现的起源。当时人们没有重视这个理论，使这个理论的发展一直处于停滞状态。20世纪40年代后，人们开始研究这个现象。1956年，Ritchin发现电子在经过金属薄膜时出现了消失峰，经由这个现象他提出了金属等离子体的概念，SPR理论趋于饱满。1957年，Turboder用光全反射照射金属薄片，终于首次正式提出了表面等离子体共振现象[6]。
经过多年对这种现象的研究，于1968年，科学家Otto 研制出首款SPR传感器，该款传感器是三棱镜和其表面金属薄膜组合而成，称为Otto型棱镜SPR传感器。但是这种传感器的精度不好控制[5]。后来，Krestchian进行进一步的改进，克服了传感器精度控制难的问题，研制出了Krestchian型传感器，后来的SPR传感器都是在这种基础结构上进行研制和发展。1984年，瑞士联邦工学院的光学实验室为了提高SPR传感器的灵敏度发明了集成光波导传感器。1992年，美国科学R.C.Jorgenson首次建 议用光纤和SPR结合的方法，结合两者的优点，研制出倏逝波SPR光纤传感器。自此，SPR传感器的发展进入了高速时代[7]。
1.3.1 棱镜SPR传感器
这种传感器有两种，分别为Otto型和的Krestchian型，如图11所示。Otto型的结构中，在三棱镜与金属薄片间存在一空隙，空隙的宽度和射入空隙的入射光的波长几近相似，把将要检测的物质放入或流过空隙，然后控制空隙的宽度和金属薄膜的厚度来达到产生表面等离子波的目的[8]。Otto型结构的缺陷在于空隙的宽度一般处于数十纳米和数百纳米之间，而这种极细微的宽度是难以检测和控制的，所以现在这种结构已经很少了，除了极个别的情况需要这种结构。
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