發布日期：2022-10-07 點擊率：89
本文主要介紹了表面等離子體共振(SPR)技術在毒品檢測領域的應用，并給出了強度型SPR傳感器毒品檢測系統的設計方案。
一、表面等離子體共振
表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一種高靈敏、無需標記的光學檢測技術。要想弄清楚它的含義，首先要弄清楚另一個概念——表面等離子體波。表面等離子體波(Surface Plasmon Wave，SPW)是由于在兩種介電常數符號相反的介質(入射光為可見光，這種情況下的金屬與電介質)分界面上的電荷密度波動而產生并傳播的一種橫磁波(Transverse Magnetic mode, TM模式)，它局限于界面，只沿界面方向傳播，在界面法向上振幅呈指數衰減。由Maxwell電磁理論可以得到SPW的色散關系，入射的體電磁波與SPW同時滿足動量守恒和能量守恒。滿足這一條件時，將發生能量從空間體電磁波向SPW的共振轉移，我們稱之為表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance)，簡稱SPR。
自從上個世紀八十年代Nylander等人首次將SPR技術用于氣體檢測和生物傳感，三十多年來該技術發展迅速，出現了廣泛使用在物理、化學、生物等領域的各式各樣的SPR傳感器。SPR傳感技術具有檢測靈敏度高、無需標記、檢測通量大等優點，目前已經有關于使用SPR技術檢測各種毒品的報道。相比傳統免疫試劑盒方法，SPR方法檢測通量高，能夠同時進行檢測大量特性，可有效降低假陽性的概率，避免其中的干擾;與同樣搞檢測通量的熒光技術相比，SPR方法具有無需標記的優點，減少了樣品的準備步驟和熒光標記的限制，使原位測量成為可能。
圖1：表面等離子體共振(SPR)原理圖
常見的棱鏡型SPR傳感器可分為強度型、相位型、光譜型和角度譜型。如圖2，當入射角、入射波長和被探測折射率 匹配時，會發生SPR現象，表現為反射率振幅達到最小，偏離共振時，反射率振幅增大。保持入射角 、入射波長 不變，使用探測器直接測量反射光的強度，利用如圖2中反射率——折射率關系曲線來得到對應的折射率，基于這種原理的SPR傳感器叫做“強度型SPR傳感器” 。強度型SPR傳感器是最早出現的SPR傳感器，其優點是結構簡單，并且很容易同時檢測二維區域而實現高通量檢測，另外，強度型SPR傳感器結構簡單，易于實現，但是靈敏度相對較差，分辨率較低，且具有線性范圍小的缺點;相位型SPR傳感器具有較高的靈敏度，能夠得到很高的分辨率，但是具有裝置復雜，線性范圍更小的缺點;光譜型和角度譜型SPR傳感器的靈敏度介于強度型和相位型之間。
圖2：強度型表面等離子共振(SPR)反射光強隨折射率變化圖
二、SPR方法毒品檢測系統
我們以高通量強度型SPR傳感器為例，將其應用于毒品檢測領域，主要由以下三個子系統組成(如圖3所示)。
圖3：SPR方法毒品檢測系統組成示意圖
1、光源光路子系統
光源光路子系統由光源、物鏡、小孔光闌、準直透鏡、窄帶濾光片、Wollaston棱鏡、光具座等組成。光源采用中心波長為632.8nm附近、功耗為3W的LED。SPR激發裝置需要單色較好且p偏振的平行光。由于LED發光譜線范圍較寬，且發散角較大、通常并不是線偏振光，我們需要對LED發出的光進行處理。
物鏡的作用是將LED發出的光會聚在小孔上，可將經小孔(需要將小孔的尺度控制在足夠小且又不至于發生衍射)后的光近似為點光源，再經準直透鏡產生平行光。下一步采用通帶中心波長632.8nm，帶寬約10nm的窄帶濾光片進行濾光得到單色性較好的光源。最后，經Wollaston棱鏡后產生電場矢量方向與入射面平行的p偏振的線偏振光。
2、SPR激發子系統
由棱鏡、Au膜、功能膜、流通池組成，功能膜是用來吸附各類毒品溶液分子的，即傳感芯片，功能膜需滿足與毒品溶液分子容易結合在一起，同時又有較好的可逆性，容易用水或其他液體進行離解，以便于多次重復進行試驗。通常為避免因假陽性而出現誤判，多數采用針對毒品或毒品代謝物分子的部分特征而設計的抗體分子。SPR使用的傳感芯片上成陣列排布著許多組不同的抗體分子，每組抗體分子對應不同毒品成分的一種特征，這樣幾組不同的抗體分子對應的幾種特征就能夠確定一種特定的毒品分子。整個傳感芯片上很多組抗體分子，能夠同時測量多種不同毒品。每組有幾個到幾十個同樣的抗體分子共同測量，以排除偶然性。
3、探測接收子系統
探測接收子系統由面陣CCD，圖像采集卡，上位計算機等組成。CCD可通過制冷方式將芯片溫度控制到低于室溫20°C 左右以降低噪聲。采用強度型SPR傳感器檢測毒品分子時(如圖2所示)，需要通過調整入射光入射角度，使折射率與反射光強曲線落在和 范圍內，即折射率與反射光強關系曲線斜率最大的范圍內。當毒品分子在功能膜上有效吸附后導致折射率改變，由此產生傳感芯片的表面反射光強度隨之發生明顯改變，可在上位計算機顯示傳感芯片中各個點位的光強變化，判斷哪些抗體發生了反應，再通過這些抗體的組合判斷有哪些毒品。
以上為我們提出的基于強度型SPR傳感器的毒品檢測系統的技術方案，目前，構成該系統的各子系統中包括SPR激發裝置、窄帶濾光片、LED光源等已經是較為成熟的器件，這就為今后該方案的具體實施創造了前提條件，同時，本方案也為下一步對采用SPR傳感器進行毒品探測的實驗研究提供了理論基礎。
三、結論與展望
本文給出了基于強度型SPR傳感器構建毒品檢測系統的方案，對SPR方法應用于毒品檢測領域做了一點嘗試性的思考和探索。當前和今后一個時期內，有關適用于各種毒品檢測的傳感芯片等技術有可能成為一個研究重點，希望本文能對SPR毒品檢測系統領域的研究起到拋磚引玉的作用。
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