施春飛,孫 毅,王曉萍

(浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,杭州 310027)

偏振控制光強(qiáng)調(diào)制型SPRi傳感器的高靈敏檢測(cè)研究*

施春飛,孫 毅,王曉萍*

(浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,杭州 310027)

在偏振控制光強(qiáng)調(diào)制型SPRi傳感器中,使用真實(shí)液體消光的方法實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)困難,測(cè)量靈敏度低,線性度差。為此,提出無(wú)需真實(shí)液體消光,并將消光折射率左移的方法。首先,對(duì)在測(cè)量起點(diǎn)(即純水)消光的傳統(tǒng)方法進(jìn)行光學(xué)參數(shù)的最優(yōu)值仿真及其加工和調(diào)節(jié)誤差仿真,結(jié)果表明,誤差會(huì)引起SPRi曲線最低點(diǎn)在折射率軸上的左右偏移,從而影響傳感器性能。接著,將消光折射率左移至1.325處,并仿真其光學(xué)參數(shù)的最優(yōu)值。實(shí)驗(yàn)表明,與前者相比,1.325消光方法中存在的誤差不會(huì)使測(cè)量曲線出現(xiàn)非單調(diào)的情況,此時(shí)的測(cè)量靈敏度高,線性度好,折射率分辨率達(dá)到1.85×10-6RIU,對(duì)應(yīng)NaCl溶液的檢出限為35 mg/L。上述方法提高了誤差存在時(shí)SPRi傳感器的適用性,可以實(shí)現(xiàn)微量水溶液樣品的高靈敏及高通量檢測(cè)。

表面等離子體共振成像;誤差仿真;消光;高靈敏度

表面等離子體共振成像SPRi(Surface Plasmon Resonance Imaging)技術(shù)是近二十年發(fā)展起來(lái)的一種光學(xué)傳感技術(shù),因其不但具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、樣品消耗少、無(wú)需標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn),還能實(shí)現(xiàn)多種樣品的高通量檢測(cè),已成為多個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-4]。因此,提升SPRi傳感器的靈敏度,滿(mǎn)足其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用具有極為重大的意義。

Cheng等[5]提出一種微井結(jié)構(gòu),由于井內(nèi)產(chǎn)生的SPR現(xiàn)象對(duì)不同折射率樣品非常敏感,而井外反之,因此圖像對(duì)比度大;同時(shí)反射光在井壁內(nèi)的多次反射增強(qiáng)了電磁場(chǎng),從而提高了信噪比。Homola等[6]采用偏振控制光強(qiáng)技術(shù),該方法不僅具有相位調(diào)制型傳感器的高靈敏度,還具有光強(qiáng)調(diào)制型傳感器的簡(jiǎn)便性。余興龍等[7]提出了SPR雙分差動(dòng)干涉成像生物分子相互作用分析儀,其折射率分辨率可達(dá)到8.5×10-6RIU。還有一些小組致力于利用納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)SPR信號(hào)。納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的局域表面等離子體共振LSPR(Local Surface Plasmon Resonance)具有場(chǎng)增強(qiáng)明顯、模場(chǎng)尺寸小、響應(yīng)時(shí)間短、空間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)[8]。Vaisocherov等[9]和Zou等[10]均采用三明治結(jié)構(gòu)測(cè)定樣品,并利用金納米顆粒增強(qiáng)信號(hào),前者可在紅細(xì)胞裂解液中測(cè)得亞皮摩爾級(jí)別的miRNA,后者則將多巴胺的檢出限降低至1.17 pM。除金納米顆粒外,磁、乳膠、脂質(zhì)體納米顆粒也可在檢測(cè)小分子物質(zhì)時(shí)增強(qiáng)SPR信號(hào)[11]。另外,傳感器金屬膜系的設(shè)計(jì)與傳感器的性能也息息相關(guān)。Pang等[12]通過(guò)仿真研究了金銀復(fù)合膜的最佳厚度,并評(píng)價(jià)了其表面電磁場(chǎng)的增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)證明,相較于單一金膜,金銀復(fù)合膜的折射率分辨率提高了2倍左右。He等[13]通過(guò)化學(xué)氣相沉積制備了石墨烯-金屬SPR芯片,在測(cè)定血清中葉酸標(biāo)記物時(shí)具有高靈敏度和高選擇性,有望用于臨床診斷。此外,化學(xué)方法也可提高傳感器的靈敏度。Liu[14]等在SPR芯片表面周期性地逐步通入伴刀豆球蛋白A與葡聚糖,以放大響應(yīng)信號(hào),該方法可檢測(cè)出50 pg/mL的癌胚抗原。Saylan等[15]制備了一種分子印跡納米膜,用以測(cè)定多種殺蟲(chóng)劑,該方法測(cè)量范圍寬、靈敏度高、特異性強(qiáng)。

本文首先根據(jù)偏振控制光強(qiáng)調(diào)制理論,對(duì)在測(cè)量起點(diǎn)(即純水)消光的傳統(tǒng)方法進(jìn)行光學(xué)參數(shù)的最優(yōu)值仿真,進(jìn)而對(duì)各個(gè)參數(shù)的加工和調(diào)節(jié)誤差進(jìn)行仿真,結(jié)果表明,誤差會(huì)引起SPRi曲線最低點(diǎn)在折射率軸上的左右偏移,從而影響傳感器性能。為提高該SPRi傳感器的靈敏度及適用性,本文提出無(wú)需真實(shí)液體、不以測(cè)量起點(diǎn)的折射率消光,而將消光折射率適當(dāng)左移至1.325的方法,仿真分析表明,1.325消光可以更好地實(shí)現(xiàn)SPRi傳感器的高靈敏度、高線性度。最后,分別在兩種消光方法下,搭建傳感器系統(tǒng),確定傳感器的性能參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在1.325消光方法中,加工和調(diào)節(jié)誤差不會(huì)使測(cè)量曲線出現(xiàn)非單調(diào)的情況,適用性強(qiáng);并且具有靈敏

度高、線性度好等優(yōu)點(diǎn)。該方法提高了誤差存在時(shí)SPRi傳感器的適用性,可以實(shí)現(xiàn)微量水溶液樣品的高靈敏及高通量檢測(cè)。

1 偏振控制光強(qiáng)調(diào)制理論

偏振控制光強(qiáng)調(diào)制理論最早由Homola等[16]提出。其基本原理如圖1所示。

圖1 偏振控制光強(qiáng)調(diào)制型SPRi傳感器原理圖

圖1中,準(zhǔn)直光源通過(guò)起偏器得到線偏振光,該偏振光包含P偏振分量和S偏振分量。光線入射到棱鏡-金膜界面時(shí)發(fā)生全反射,反射光可用下式來(lái)描述:

(1)

式中:φpor為起偏器偏振方向與S偏振分量的夾角,rs和rp分別為S偏振分量和P偏振分量的振幅反射系數(shù),可由單層膜干涉模型得到:

(2)

式中:rij為不同界面處的振幅反射系數(shù),可由菲涅耳公式得到;下標(biāo)0、1、2分別表示棱鏡、金膜和待測(cè)樣品;δ為相繼兩光束由光程差引起的相位差:

(3)

經(jīng)金膜反射后,P偏振分量和S偏振分量引入了一個(gè)固定的相位差,因此反射出的光線E1為橢圓偏振光。該橢圓偏振光與其長(zhǎng)軸的夾角為:

(4)

式中:Δδ為S偏振分量和P偏振分量的相位差。

調(diào)節(jié)1/4波片,使其快軸與上述橢圓偏振光的長(zhǎng)軸重合(φwp=φell),從而使出射光成為線偏振光E2:

(5)

最后,調(diào)節(jié)檢偏器的偏振方向,使其與線偏振光E2正交,即

φana=arctan(E2p/E2s)+π/2

(6)

在該條件下,實(shí)現(xiàn)了出射光的完全消光。通常,這種方法需要對(duì)金膜表面某折射率的液體進(jìn)行消光,當(dāng)通入其他折射率樣品時(shí),E1的相位發(fā)生變化,則可得到由相位變化引起的光強(qiáng)變化,從而獲取樣品的折射率信息。

2 傳感器參數(shù)仿真設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)參數(shù)仿真

由上一節(jié)可知,偏振控制光強(qiáng)調(diào)制方法中重要的光學(xué)參數(shù)有入射角、起偏角、金膜厚度、入射光波長(zhǎng)和消光折射率。這5個(gè)參數(shù)確定后,1/4波片和檢偏器的角度可以計(jì)算得到。這些參數(shù)設(shè)置的不同,傳感器的性能也不同。由于測(cè)量的樣品大多為水溶液,因此通常選用純水為消光液體。

圖中“-”表示偏小,“+”表示偏大,“0”表示無(wú)誤差,偏大或偏小的范圍據(jù)實(shí)際情況而定圖3 起偏器角度、1/4波片角度、檢偏器角度、入射角、金膜厚度的誤差及總誤差對(duì)SPRi曲線的影響

在幾個(gè)選定的波長(zhǎng)下(600 nm、630 nm、680 nm、740 nm和780 nm),設(shè)定消光折射率為純水的折射率(物質(zhì)的折射率隨波長(zhǎng)的變化而變化,因此消光折射率的設(shè)置會(huì)隨入射波長(zhǎng)的不同而不同[17]),用MATLAB軟件仿真入射角、起偏角、金膜厚度、入射光波長(zhǎng)的最優(yōu)值,仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同波長(zhǎng)下的最優(yōu)SPRi曲線

由圖2可以看到,波長(zhǎng)越長(zhǎng),靈敏度(即曲線斜率)越高;考慮到780 nm為可見(jiàn)光與紅外光的邊界,不方便光路調(diào)節(jié),而740 nm的靈敏度和線性范圍都符合要求,因此波長(zhǎng)最終確定為740 nm,對(duì)應(yīng)純水的折射率為1.330,可以得到此時(shí)的入射角(即圖1中的θ0)、起偏角、金膜厚度的最優(yōu)值分別為68°、64°、40 nm,由此計(jì)算得到1/4波片和檢偏器的角度分別為-45°和130°。需要注意的是,這種以測(cè)量起點(diǎn)為消光折射率的方法,在測(cè)量起點(diǎn)(1.330)附近的靈敏度較差。

2.2 誤差仿真

起偏器角度、1/4波片角度、檢偏器角度、入射角及金膜厚度的調(diào)節(jié)誤差和加工誤差,都會(huì)造成SPRi曲線的偏移,進(jìn)而影響傳感器的性能。因此,需具體了解這些參數(shù)所引起的誤差大小。根據(jù)第1節(jié)的數(shù)學(xué)模型,只改變一個(gè)參數(shù),固定其他參數(shù),仿真誤差對(duì)SPRi曲線的影響,結(jié)果如圖3(a)～圖3(e)所示。可以看到,一旦存在誤差,SPRi曲線的最低反射率不再是零,誤差越大,最低反射率越高;同時(shí)誤差引起的最低點(diǎn)的左右偏移量也較大,起偏器角度、1/4波片角度、檢偏器角度、入射角、金膜厚度的誤差引起的最低點(diǎn)左右偏移量分別為0.000 2 RIU/°、0.000 3 RIU/°、0.000 25 RIU/°、0.000 45 RIU/0.05°、0.000 34 RIU/nm,這會(huì)嚴(yán)重影響傳感器的性能。接著,仿真所有參數(shù)的總誤差,如圖3(f)所示。SPRi曲線最低點(diǎn)若向左偏移,則會(huì)引起1.330～1.350范圍內(nèi)靈敏度的降低;若向右偏移(最多會(huì)從1.330偏移到1.3327,相當(dāng)于約7.6 g/L的NaCl溶液),則會(huì)在測(cè)量范圍內(nèi)出現(xiàn)非單調(diào)的情況,即一個(gè)光強(qiáng)值對(duì)應(yīng)兩個(gè)折射率,這就無(wú)法確定該樣品的準(zhǔn)確折射率,因此應(yīng)避免這種情況。

3 消光折射率的調(diào)整與優(yōu)化設(shè)計(jì)

上述選擇1.330為消光折射率的方法會(huì)引起一系列問(wèn)題,因此本文提出將消光折射率左移至1.325或1.320,打破了需要使用實(shí)際存在的液體進(jìn)行消光的傳統(tǒng)思想。雖然不以測(cè)量起點(diǎn)為消光點(diǎn),并且在實(shí)際生活中很難找到折射率比水小、無(wú)毒無(wú)害、易于流動(dòng)的液體,但是并非真正需要這種液體。只要依據(jù)仿真的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),同樣能在設(shè)定的消光折射率處達(dá)到消光效果;并且消光折射率的左移會(huì)提高測(cè)量范圍內(nèi)SPRi曲線的線性度和靈敏度。

圖4 1.320、1.325、1.330消光的SPRi曲線

分別將消光折射率設(shè)為1.325、1.320,仿真得到最優(yōu)的SPRi曲線,如圖4所示。可以看到,這種消光方法有以下優(yōu)點(diǎn):在測(cè)量范圍內(nèi)線性度好;純水折射率附近靈敏度高,在實(shí)際應(yīng)用中可提高檢出限;實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方便,即使存在各種誤差,也不會(huì)在測(cè)量范圍內(nèi)出現(xiàn)非單調(diào)的情況。另外,與1.320相比,1.325消光可以更好地實(shí)現(xiàn)SPRi傳感器的高靈敏度、高線性度,因此選擇1.325消光。其相應(yīng)入射角、起偏角、金膜厚度的最優(yōu)值分別為67°、59°、41 nm,由此計(jì)算出1/4波片和檢偏器的角度分別為31°和109°。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

分別采用2.1節(jié)和第3節(jié)的仿真參數(shù)搭建偏振控制光強(qiáng)調(diào)制型SPRi傳感器系統(tǒng)。入射光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后,經(jīng)過(guò)起偏器,入射到棱鏡-金膜界面發(fā)生全反射,出射光依次經(jīng)過(guò)1/4波片、檢偏器、遠(yuǎn)心成像系統(tǒng),最后被CCD捕獲。金膜采用磁控濺射技術(shù)加工,先在玻璃襯底上鍍一層粘附層鉻,再鍍一層金。金膜上覆蓋PDMS流通池,與注射泵相連,實(shí)現(xiàn)樣品的注射。

配制濃度為0.025 g/L～200 g/L的NaCl溶液,進(jìn)行傳感器性能分析實(shí)驗(yàn)。具體過(guò)程為,在兩種消光方法下分別依次通入1 g/L、2.5 g/L、5 g/L、10 g/L、25 g/L、50 g/L、100 g/L、150 g/L、200 g/L的NaCl溶液,每個(gè)濃度進(jìn)樣3次。其折射率已由阿貝折射儀測(cè)得。當(dāng)樣品流過(guò)金膜表面時(shí),反射光的絕對(duì)光強(qiáng)值會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化。用絕對(duì)光強(qiáng)值減去基線(通入去離子水時(shí))光強(qiáng)值,得到樣品的響應(yīng)值,取三次測(cè)量的平均值作為該濃度樣品的最終SPRi信號(hào),用于計(jì)算傳感器的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度。用同樣的方法,在兩種消光方法下分別依次通入0.025 g/L、0.05 g/L、0.1 g/L、0.25 g/L、0.5 g/L的低濃度NaCl溶液,其SPRi信號(hào)用于計(jì)算傳感器的檢出限。

圖5 消光方法的標(biāo)定曲線

4.2 動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度

將NaCl溶液的各個(gè)濃度對(duì)應(yīng)到折射率,得到樣品折射率-SPRi信號(hào)的標(biāo)定曲線,如圖5(a)所示。

由圖5可知,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論仿真結(jié)果相似。1.330消光方法中,純水折射率附近靈敏度較小;隨著折射率的增大,靈敏度先增大后減小;曲線線性度較差。而1.325消光方法中,1 g/L～100 g/L NaCl溶液的線性度較好,150 g/L后的線性度變差,靈敏度開(kāi)始下降,也即線性范圍為1.330～1.350。去除線性范圍之外的150 g/L和200 g/L這兩個(gè)樣品點(diǎn),線性擬合前7個(gè)樣品點(diǎn),其線性度為0.998 94,靈敏度為158 233/RIU,如圖5(b)所示。與1.330相比,1.325消光方法在提高整體靈敏度的同時(shí),改善了純水折射率附近的靈敏度,曲線線性度較好。

4.3 檢出限

低濃度NaCl溶液的實(shí)時(shí)監(jiān)控曲線分別如圖6(a)和圖7(a)所示。

圖6 1.330消光方法中的檢出限

可以看到,原始數(shù)據(jù)中存在較大噪聲。本文采用希爾伯特-黃變換(HHT)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[18-19],去除原始數(shù)據(jù)的低頻漂移和高頻噪聲。HHT的基本原理是將信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解EMD(Empirical Mode Decomposition),獲取有限數(shù)目的本征模態(tài)函數(shù)IMF(Intrinsic Mode Function),再根據(jù)實(shí)際情況,選取部分IMF進(jìn)行重構(gòu)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是,基函數(shù)不固定,能夠通過(guò)原始數(shù)據(jù)本身自動(dòng)產(chǎn)生自適應(yīng)基函數(shù),因此對(duì)不同的數(shù)據(jù)都具有較好的適應(yīng)性。

HHT變換后的數(shù)據(jù)分別如圖6(b)和圖7(b)所示,可以看到,1.330消光方法中NaCl溶液的檢出限在0.05 g/L和0.1 g/L之間;而1.325消光方法中NaCl溶液的檢出限在0.025 g/L和0.05 g/L之間。

圖7 1.325消光方法中的檢出限

4.4 折射率分辨率

1.325消光方法的曲線線性度較好,則可利用噪聲和靈敏度確定折射率分辨率。實(shí)驗(yàn)中一次進(jìn)樣的時(shí)間約為5 min,故取5 min的基線數(shù)據(jù),進(jìn)行HHT變換,算得噪聲為0.293 2。代入折射率分辨率公式(Δn=σ/S,其中σ為SPRi傳感器的噪聲,S為SPRi傳感器的靈敏度),可得Δn=1.85×10-6RIU,對(duì)應(yīng)檢出限為35 mg/L的NaCl溶液,與圖7(b)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

5 結(jié)論

本文提出的在偏振控制光強(qiáng)調(diào)制型SPRi傳感器中,將消光折射率左移至1.325處的方法,解決了傳統(tǒng)方法中測(cè)量范圍內(nèi)非單調(diào)的問(wèn)題;克服了純水折射率附近靈敏度低、線性度差的缺點(diǎn)。該方法實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)方便,即使存在加工和調(diào)節(jié)誤差,也不會(huì)在測(cè)量范圍內(nèi)出現(xiàn)非單調(diào)的情況,折射率分辨率達(dá)到1.85×10-6RIU,對(duì)應(yīng)NaCl溶液的檢出限為35 mg/L。這種將消光折射率適當(dāng)左移的方法,提高了誤差存在時(shí)SPRi傳感器的適用性,可以實(shí)現(xiàn)微量水溶液樣品的高靈敏及高通量檢測(cè)。

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Study on Highly Sensitive Detection of Polarization ControlledLight Intensity Modulated SPRi Sensor*

SHIChunfei,SUNYi,WANGXiaoping*

(State Key Laboratory of Modern Optical Instrumentation,College of Optical Science and Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

Light extinction method with real liquid is difficult to be realized in the experiment of the polarization controlled light intensity modulated SPRi sensor. Meanwhile,the sensor bearslow sensitivity and poor linearity. Therefore,the extinction method of shifting extinction refraction index forward without real liquid is proposed. First,the simulations on optimal optical parameters and their errorsarising from machining and adjustment were carried out through the former method whose extinction refractive indexis locatedat the starting point(pure water)of the measurement curve. It’s indicated that the errors will cause the shifts of SPRi curve’s lowest pointon the refractive index axis. Consequently the performance of the sensor will be influenced. Then,the extinction refractive index was shifted to 1.325,and the optimal values of the parameters were simulated. The experimental results show that compared with the former method,the errors in 1.325 extinction method do not make the measurement curve non-monotonic,and high sensitivity,good linearity are obtained. The refractive index resolution is 1.85×10-6RIU and the corresponding detection limit of NaCl solution is 35 mg/L. The proposed method improves the applicability of SPRi sensor with the existence of errors,and highly sensitive and throughput detection of trace amounts of samples in aqueous solutions can be achieved.

surface plasmonresonance imaging;error simulation;light extinction;high sensitivity

施春飛(1991-)，女，浙江大學(xué)碩士研究生，主要研究表面等離子體共振成像傳感器，shi＿chun＿fei@163．com；王曉萍(1962-)，女，通訊作者，博士，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院教授，主要從事環(huán)境檢測(cè)技術(shù)及儀器設(shè)計(jì)、SPR傳感技術(shù)與儀器以及電子舌設(shè)計(jì)及其應(yīng)用方面的研究，xpwang@zju．edu．cn。

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21277118)

2016-12-02 修改日期:2017-03-20

TP212

A

1004-1699(2017)08-1152-06

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.08.003