APP下载

基于色相算法的表面等离子体共振成像传感器对苯并芘的敏感特性

2017-05-11范智博龚晓庆逯丹凤祁志美

物理化学学报 2017年5期
关键词:苯并芘聚四氟乙烯色相

范智博 龚晓庆 逯丹凤 高 然 祁志美,2,*

(1中国科学院电子学研究所,传感技术联合国家重点实验室,北京100190;

2国民核生化灾害防护国家重点实验室,北京102205;3中国科学院大学,北京100049)

基于色相算法的表面等离子体共振成像传感器对苯并芘的敏感特性

范智博1,3龚晓庆1,3逯丹凤1高 然1祁志美1,2,*

(1中国科学院电子学研究所,传感技术联合国家重点实验室,北京100190;

2国民核生化灾害防护国家重点实验室,北京102205;3中国科学院大学,北京100049)

报道了一种用于原位探测水中苯并芘的彩色表面等离子体共振成像(SPRI)传感器,该传感器既能提供直观的图像信息,又能借助色相算法定量分析待测物质的浓度及其吸附/脱附过程。首先利用自制的波长-图像同步检测型SPR传感器测试了裸金薄膜芯片在不同入射角下的共振波长和共振图像,然后利用色相算法建立了SPR共振波长与图像色相的依赖关系,基于该依赖关系获得了SPR传感器最佳色相灵敏度对应的起始共振波长约为650 nm;另一方面,制备了聚四氟乙烯涂覆的SPR传感芯片,基于聚四氟乙烯膜对水中苯并芘的可逆富集作用实现了苯并芘的原位快速探测。实验取得以下4个结果:(1)在20-100 nmol·L-1浓度范围内彩色SPR图像的平均色相值随着苯并芘浓度的升高线性减小;(2)对100 nmol·L-1的苯并芘的响应和恢复时间分别约为7和5 s;(3)由于聚四氟乙烯膜的厚度大于SPR消逝场穿透深度,检测结果不受溶液折射率影响;(4)在聚四氟乙烯敏感膜厚度较小且不均匀的情况下,传感器容许获取敏感膜的不同厚度区域对苯并芘的色相灵敏度。实验结果有力地证明了这种彩色SPR图像传感器在生化物质检测中具有良好的应用前景。

彩色表面等离子体共振成像;色相;苯并芘;聚四氟乙烯富集层;原位检测

1 引言

苯并芘(benzo[a]pyrene,BaP)是多环芳烃中极具代表性的一种物质,因其具有致癌性、生物累积性、致畸性和致突变性而引起研究者的广泛关注1-4。一般来说,苯并芘主要在燃料的不完全燃烧、食品的高温加工等过程中产生5,6,对食品、空气、土壤、水体等均会产生一定的污染。因此苯并芘的定量检测对生态环境、食品安全、人体健康等方面均有着重要的意义。常规的苯并芘检测方法主要有荧光分光光度法、气相色谱法、气相色谱-质谱联用法、高效液相色谱法、表面增强拉曼光谱法等7-11。但现有的检测方法,大都存在样品的预处理方法和富集浓缩过程较为复杂、检测步骤较为繁琐、仪器设备昂贵等缺点。这些缺点不仅会造成检测时间和成本的增加,更会对检测精确度的造成一定的影响。

表面等离子体共振成像(surface plasmon resonance imaging,SPRI)技术作为一种免标记、可实时监测、高灵敏度的光学检测技术12,近年来被广泛应用于表界面物理化学反应的分析中13-16。常规的SPRI装置主要由单色光源、棱镜、电荷耦合元件(CCD)相机等构成,并通过分析表面等离子体共振(SPR)图像的灰度来得到外界折射率的定量信息17,18,但此类装置通常需要对角度进行扫描检测,存在着装置稳定性相对较低、时间分辨率差等诸多缺点。Knobloch等19于1996年首次提出将宽带的白光作为SPRI的光源,对彩色SPR图像进行采集。与常规的灰度SPR图像采集装置相比,彩色SPR图像的采集装置有着更好的稳定性和时间分辨率20-22;并且灰度图像只包含明和暗两种状态,而彩色SPR图像则会出现多种颜色,包含了更多的波长变化信息23,24。

本文使用自制的波长/图像同步检测型SPR传感器采集彩色SPR图像,并利用色相算法对SPR图像的波长信息进行提取和定量分析。实验首先通过改变入射角度,采集了裸金薄膜芯片在不同角度下的SPR图像,并利用色相算法对其二维色相分布和平均色相进行计算,建立起共振波长与平均色相的依赖关系,通过该依赖关系对起始共振波长的选取进行讨论和优化。随后在传统的SPR芯片上涂布聚四氟乙烯疏水膜,制作苯并芘富集层,对苯并芘分子进行吸附,并选取650 nm作为起始共振波长,对不同浓度的苯并芘水溶液进行检测,建立起图像平均色相与苯并芘浓度、吸附脱附时间的关系。最后实验使用不均匀的聚四氟乙烯薄膜对苯并芘进行吸附,通过彩色SPR图像传感器可得到局部区域的平均色相变化情况,从而有力地体现了SPR成像传感器相比于常规SPR传感器的优势。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

LS-1卤钨灯(美国Ocean Optics公司);玻璃片(厚度为1 mm,633 nm波长处折射率为1.522,日本Matsunamia株式会社);45°/45°/90°玻璃棱镜(633 nm波长处折射率为1.799,北京北东光电自动化开发公司);光纤准直器、线性偏振片(北京大恒光电技术公司);多模石英光纤(浙江雷畴科技有限公司);USB2000+可见光波段光谱分析仪(美国Ocean Optics公司);彩色CCD相机(深圳显盛仪器有限公司);箱式马弗炉(合肥科晶材料技术有限公司);蠕动泵(保定兰格恒流泵有限公司)。

苯并芘标准样品溶液(4.95μg·mL-1,中国计量科学研究院);聚四氟乙烯(PTFE,AF2400,美国杜邦公司);实验用水为去离子水(Milli-Q纯净水机制备)。

2.2 实验装置

2.2.1 实验所用SPR传感芯片制备

首先将玻璃基片用依次用丙酮、酒精、去离子水超声、清洗并烘干后待用。在洁净的玻璃基片上依次溅射3 nm铬和50 nm金,制作SPR芯片。在共振波长与平均色相关系的确定实验中,直接使用制得的SPR芯片。

苯并芘原位吸附实验中使用的传感芯片,在制得的SPR芯片上涂布600μL聚四氟乙烯;不均匀薄膜对苯并芘吸附实验中使用的传感芯片,在制得的SPR芯片上涂布100μL聚四氟乙烯,以得到不同厚度的聚四氟乙烯富集层。随后将传感芯片置于马弗炉中进行煅烧,在120 min内,由室温加热到200°C,高温煅烧300 min,以去除富集层中的溶剂,从而形成富集层的多孔结构,然后经120 min匀速降温至100°C,最后自然冷却至室温。

2.2.2 实验装置搭建

如图1所示,实验搭建了基于Kretschmann结构的波长/图像同步检测型SPR传感装置示意图,将传感芯片用高折射率耦合液紧密贴合于棱镜上,并将样品槽固定在传感芯片表面,使芯片的敏感部分暴露在样品槽内。由卤钨灯发出的白光经多模光纤和光纤准直器后变为一束准直性较好的平行光束,经过线性偏振片后,该平行光束变为p-偏振光。入射光经高折射率棱镜以一定角度入射到金/聚四氟乙烯界面并发生全反射,当入射光波矢与金/聚四氟乙烯界面的等离子波矢发生匹配时,即可发生表面等离子体共振效应,随即引发能量耦合。反射光经棱镜进入彩色CCD相机的镜筒中,经过镜筒中的半透半反镜后,一部分反射光通过汇聚透镜和传光光纤进入可见光光谱仪,另一部分反射光则进入彩色CCD相机进行成像。

由于在金/聚四氟乙烯界面处发生了表面等离子体共振,所以通过光谱仪可以观察到反射光光谱在共振波长处有一个低谷。同时,伴随着一定波长的光被吸收,SPR图像会呈现一定的颜色,且该颜色为被吸收光的波长所对应颜色的补色。当聚四氟乙烯膜的折射率发生变化时,共振波长随之改变,而彩色SPR图像的颜色也会发生改变,通过对SPR图像颜色的定量分析即可获得外界折射率的定量变化信息。

图1 实验装置示意图Fig.1 Schematic diagram ofexperimentalsetup CCD:charge-coupled device;SPR:surface plasmon resonance

2.3 色相算法

图像的R、G、B(三元色)值同时包括了光的波长信息和强度信息,因此对图像的颜色进行定量分析时,需要将R、G、B值中的波长信息进行单独提取,来获得颜色与外界折射率的定量关系。1978年Smith25根据颜色的直观特性创建了HSV(色相Hue、饱和度Saturation、明度Value)色彩空间,该色彩空间中的色相值(Hue)只与决定该颜色的光的波长有关,并且可利用图像的R、G、B值进行直接的转换计算。其具体计算方法如下:

首先提取一个像素的R、G、B中的最大值和最小值,如公式(1)、(2)所示:

当最大值为R时,色相H的计算公式如公式(3)所示:

当最大值为G时,色相H的计算公式如公式(4)所示:

当最大值为B时,色相H的计算公式如公式(5)所示:

由公式(3)、(4)、(5)可知,在计算过程中色相值将R、G、B值中所含的光强信息均进行了归一化处理,使得所得色相值只含有决定颜色的波长信息。通过色相算法既可对SPR图像的二维色相分布进行计算,将图像中所有像素点的色相进行平均,建立起平均色相与共振波长和外界折射率的定量关系;进而可对SPR图像中某一局部区域的色相进行定量分析,得到局部区域的色相变化,从而克服了共振光谱无法获取局部区域的信息这一缺点。

2.4 实验方法

在建立共振波长与平均色相关系的实验中,将SPR芯片用高折射率耦合液与棱镜贴合,通过旋转棱镜下的旋转台来使得共振波长处于600 nm左右,采集此时的共振光谱和SPR图像。随后继续旋转转台改变入射角度,使得共振波长每次红移10 nm左右,采集对应的共振光谱和SPR图像。

在苯并芘原位吸附检测中,首先将购买的苯并芘标准溶液用去离子水稀释至20、40、60、80、100 nmol·L-1。将传感芯片与棱镜贴合,旋转转台,调节入射角度,使得起始共振波长为650 nm左右,采集初始状态下的SPR图像,保持该角度不变,将不同浓度的苯并芘水溶液由低浓度到高浓度,依次用蠕动泵泵入样品槽中。每泵入一个浓度的溶液后,需静置一段时间,直至共振光谱及SPR图像颜色不再改变,对SPR图像进行采集。每检测一个浓度的苯并芘溶液后,将样品泵出至废液池中,并向样品槽中泵入去离子水对传感芯片进行清洗,直至共振光谱和SPR图像颜色与初始状态一致,以排除上次实验的干扰。在吸附时间的测试中,向样品槽中一次性加满100 nmol·L-1的苯并芘水溶液,每隔1 s对SPR图像进行一次采集,直至图像颜色不再变化为止;在脱附时间的测试中,将样品槽中的苯并芘溶液泵出,一次性向样品槽中加满去离子水,每隔1 s对SPR图像进行一次采集,直至图像颜色不再变化为止。

在不均匀薄膜吸附苯并芘的实验中,使用厚度不均匀的传感芯片,首先调节入射角度,使得不同厚度的区域出现明显的颜色差,采集此时的共振光谱和SPR图像,保持该角度不变,将100 nmol·L-1的苯并芘水溶液泵入样品槽,静置直至图像颜色和共振光谱均不再发生变化后将溶液泵出,对共振光谱和SPR图像进行采集。若无特殊说明,本文所选取的SPR图像大小均为300×300像素。

图2 (a)不同入射角度下的共振光谱;(b)不同共振光谱对应的SPR图像;(c)不同SPR图像对应的二维色相分布;(d)平均色相与共振波长的关系Fig.2(a)Resonance spectra measured at different incident angles;(b)SPRimages corresponding to different resonance spectra;(c)two-dimensional(2D)hue profiles corresponding to different SPR images; (d)average hue versus resonance wavelength

3 结果与讨论

3.1 共振波长与平均色相关系

由于SPR图像的颜色与共振波长存在依赖关系,所以共振波长灵敏度在一定程度上决定了色相灵敏度。通常波长调制型SPR传感器的灵敏度随起始共振波长的增大而增大26,在同时考虑共振波长的动态变化范围的情况下,实验中选取的起始共振波长为600 nm左右,对平均色相和共振波长的关系进行确定。图2(a)为在不同入射角下测得的共振光谱,共振波长的范围为605.92-696.66 nm。图2(b)为在不同的共振光谱所对应的SPR图像,当共振波长较小时,SPR图像为绿色,随着共振波长的不断红移,对应的SPR图像颜色逐渐由绿色变为黄色。

对SPR图像的二维色相分布进行计算,结果如图2(c)所示,随着SPR图像颜色由绿色变为黄色,其二维色相分布也逐渐发生变化,呈逐渐下降的趋势。将所选区域的所有像素的色相值进行平均,如图2(d)所示,在共振波长不断红移的过程中,对应的SPR图像的平均色相由78.2下降至45.6,并且在646.99-666.42 nm区间内其变化量为22.4,变化量为所有区间中最大值,所以可确定该区间为色相敏感区间。综上所述,在实验中可选择650 nm作为起始共振波长,以获得较高的色相灵敏度。

3.2 苯并芘原位吸附检测

图3(a)、3(b)分别为外界环境为空气和水所对应的SPR图像和共振光谱。由图中的实验结果可知,当外界环境由空气变为水后,无论是共振光谱还是SPR图像及其二维色相分布均未发生改变,这说明该传感芯片对外界折射率并不敏感,所以苯并芘水溶液所引起的SPR图像颜色的改变是由于苯并芘分子吸附在富集层内,改变了富集层折射率的结果。

图3 (a)外界环境分别为空气和水所对应的SPR图像及其二维色相分布;(b)外界环境分别为空气和水所对应的共振光谱Fig.3(a)SPRimages and the corresponding 2Dhue profiles measured in air and water; (b)resonance spectra measured in air and water claddings

图4(a)不同浓度苯并芘水溶液所对应的SPR图像及其二维色相分布;(b)平均色相与苯并芘水溶液浓度的关系Fig.4(a)SPR images recorded with aqueous BaP solutions of different concentrations and the corresponding 2D hue profiles;(b)average hue versus BaP concentration

图4 (a)是不同浓度的苯并芘水溶液所对应的SPR图像及其二维色相分布。与初始状态下的SPR图像相比,当富集层吸附了苯并芘后,SPR图像的颜色会发生改变,并且随着苯并芘浓度的增大,富集层中的苯并芘分子逐渐增多,SPR图像的颜色由绿色变为黄绿色,最终变为黄色。通过其二维色相分布可知其色相值呈逐渐下降的趋势。

图4(b)显示了SPR图像的平均色相与苯并芘浓度的依赖关系。图像的平均色相随着苯并芘水溶液浓度的增大而下降,且二者呈线性关系,其拟合方程为:y=67.407-0.156x,斜率为ΔHue/ΔC=-0.156 L·nmol-1,即苯并芘的浓度每改变10 nmol·L-1,SPR图像的平均色相下降1.56,拟合度为R2=0.988。实验结果表明,通过对SPR图像的平均色相进行定量分析,可对20-100 nmol·L-1的苯并芘水溶液进行有效的定量检测,且浓度与平均色相的线性关系良好。

图5 (a)不同吸附时间对应的SPR图像及其二维色相分布;(b)平均色相与吸附时间的关系Fig.5(a)SPRimages recorded at different adsorption time and the corresponding 2D hue profiles; (b)average hue versus adsorption time

图6(a)不同脱附时间对应的SPR图像及其二维色相分布;(b)平均色相与脱附时间的关系Fig.6(a)SPR images recorded at different desorption time and the corresponding 2D hue profiles; (b)average hue versus desorption time

图5 (a)是向样品槽中加入100 nmol·L-1的苯并芘水溶液后,不同吸附时间所对应的SPR图像及其二维色相分布,随着吸附时间的推移,苯并芘分子在富集层内的吸附量逐渐增加,富集层的折射率随之增大,相应的SPR图像逐渐由绿色变为黄色,其色相也随之下降。

如图5(b)所示,SPR图像的平均色相与吸附时间呈指数下降的关系,并且随着吸附时间的推移,平均色相由67.1下降至51.1。其拟合方程为:y=16.940exp(-x/2.230)+50.373,拟合度为:R2= 0.998。通过对平均色相的分析可知,在7 s时图像的平均色相不再发生变化,吸附达到饱和。

图6(a)是向样品槽中加入去离子水后,不同脱附时间下所对应的彩色SPR图像及其二维色相分布,随着清洗脱附时间的增加,苯并芘分子在富集层内的吸附量逐渐下降,富集层的折射率降低,相应的SPR图像的颜色逐渐由黄色变为绿色,其平均色相也逐渐增大。

通过计算图像平均色相,如图6(b)所示,可知SPR图像的平均色相逐渐由50.2上升至68.3,并且与脱附时间呈指数上升的关系,其拟合方程为:y=-18.904exp(-x/1.605)+69.018,拟合度为:R2=0.998。通过对SPR图像平均色相的计算,可知在5 s时,其平均色相不再发生变化,达到完全脱附的状态。

通过苯并芘水溶液的原位吸附实验,可以说明涂布有聚四氟乙烯疏水膜的传感芯片可对苯并芘分子进行有效吸附,通过色相算法可对20-100 nmol·L-1的苯并芘水溶液进行定量检测,并可以测得传感芯片对100 nmol·L-1的苯并芘水溶液的吸附、脱附时间分别为7和5 s。综上所述,使用该方法对苯并芘进行检测,具有免标记、灵敏度高、可重复测试等特点。

3.3 不均匀薄膜对苯并芘的吸附

为了体现SPR图像相对于SPR光谱的优势,实验利用厚度不均匀的聚四氟乙烯薄膜对苯并芘进行吸附测试,由于此时的聚四氟乙烯膜较薄,芯片对外界折射率敏感,所以实验采用离位测试的方法。图7(a)为吸附苯并芘前SPR图像及其二维色相分布,由于聚四氟乙烯薄膜的厚度较薄且并不均匀,所以在固定角度下,SPR图像的颜色呈绿色和黄色相间分布。综合图像所对应的二维色相分布和上文3.1中的实验结果可知,色相值较高的区域其共振波长较小,该区域聚四氟乙烯膜的厚度也就越薄,反之亦然。

图7 (a)吸附苯并芘前所对应的SPR图像及其二维色相分布;(b)吸附苯并芘后所对应的SPR图像及其二维色相分布(插图:所选区域的放大图)Fig.7(a)and(b)SPR images and the corresponding 2D hue profiles measured before and after adsorption insets:magnified view of the selected regions

图8(a)吸附苯并芘前后对应的共振光谱;(b)所选不同区域的平均色相变化的对比(共振波长变化同样在图中给出)Fig.8(a)Resonance spectra measured before and after adsorption;(b)comparison of the hue changes for two selected regions(ΔλRfor the area of spot was also shown)

图7 (b)为传感芯片吸附苯并芘之后的SPR图像及其二维色相分布,与吸附之前相比,由于聚四氟乙烯富集层的折射率增大,从SPR图像可直观看出绿色区域变为黄色,而黄色区域的颜色在吸附前后的变化均不明显。通过计算可知图7(a)中区域1、2(5×5个像素)的平均色相分别为33.7、74.8。而吸附了苯并芘后,如图7(b)所示,两个区域的平均色相分别下降为33.1、53.4,其变化量分别为0.6、21.4。此时区域1有着更高的色相灵敏度,这是由于在该入射角度下,不同厚度的区域的起始共振波长会出现明显的差距,并且区域1的起始共振波长恰好处于色相敏感区间内;而区域2由于薄膜较厚,在同一角度下,其起始共振波长相较区域1会发生一定量的红移,从而处于色相的非敏感区间内。

吸附苯并芘前后对应的共振光谱如图8(a)所示,由于富集层吸附了苯并芘分子,共振波长由661.58 nm红移至670.56 nm,改变量为8.98 nm。如图8(b)所示,通过对共振波长偏移量与局域平均色相变化量进行比较,可知共振光谱的偏移量大小处于区域1和区域2的平均色相变化量之间。共振光谱的偏移量反映的是反射光斑(直径约为5 mm)的集体行为,是不同局部区域平均后的结果。一般来说,采集局部区域的共振光谱难以实现,而通过SPR图像和二维色相分布的计算则可获得局部区域的色相大小,对该区域的共振波长的判断起到一定的指导性作用。综上所述,与传统SPR传感器相比,彩色SPR成像传感器可以得到某一局部区域的对苯并芘的吸附情况,从而克服了共振光谱只能对反射光集体行为进行探测这一缺点。

4 结论

本文报道了基于色相算法的表面等离子体共振成像传感器对苯并芘的敏感特性,该方法既可以通过彩色SPR图像对苯并芘在富集层中的吸附进行直接观测,又可以利用色相算法对苯并芘水溶液浓度和吸附、脱附时间进行定量分析。实验首先通过改变入射角度,采集不同共振波长所对应的彩色SPR图像,通过对其二维色相分布及平均色相的计算,建立了平均色相与共振波长的关系。根据该依赖关系,对传感器在用于苯并芘检测时的起始共振波长进行了进一步的讨论和优化。实验结果表明,图像的平均色相在646.99-666.42 nm区间内变化量为22.4,所以可以取650 nm作为起始共振波长。随后使用涂布有聚四氟乙烯疏水膜的SPR芯片作为传感芯片,对苯并芘水溶液进行吸附检测,实验结果表明该方法可对20-100 nmol·L-1的苯并芘水溶液进行有效的定量检测。实验通过对100 nmol·L-1的苯并芘水溶液进行吸附、脱附时间测试,结果表明传感芯片对100 nmol·L-1的苯并芘水溶液响应时间约为7 s,恢复时间约为5 s。最后,为了体现SPR图像传感器相对于传统SPR传感器的优势,实验利用厚度不均匀的聚四氟乙烯膜对100 nmol·L-1的苯并芘水溶液进行离位吸附检测,通过对其二维色相分布进行计算,可知所选的两个大小为5×5像素的局部区域的平均色相在吸附苯并芘前后的变化量分别为0.6、21.4,而此时共振波长的偏移量为8.98 nm,由此可知共振光谱为反射光集体行为的平均结果。彩色SPR图像传感器不仅能够给出整幅图像的平均色相对待测物质的灵敏度,还容许获取图像的不同局部区域的色相对待测物质的响应量,与常规SPR传感器相比具有明显优势。

(1)Martinez,E.;Gros,M.;Lacorte,S.;Barceló,D.J.Chromatogr. A 2004,1047(2),181.doi:10.1016/j.chroma.2004.07.003

(2)Anastasio,A.;Mercogliano,R.;Vollano,L.;Pepe,T.;Cortesi, M.L.J.Agric.Food Chem.2004,52(14),4452.doi:10.1021/ jf049566n

(3)Reeves,W.R.;Barhoumi,R.;Burghardt,R.C.;Lemke,S.L.; Mayura,K.Environ.Sci.Technol.2001,35(8),1630. doi:10.1021/es001689a

(4)Du,C.;Hu,Y.;Li,Y.;Li,X.H.;Fan,L.Z.Talanta 2015,138, 46.doi:10.1016/j.talanta.2015.02.005

(5)Zhang,Y.H.;Su,Q.;Xu,J.H.;Zhang,Y.;Chen,S.T.Int.J. Electrochem.Sci.2014,9(7),3736.

(6)Wu,D.Sci.Technol.Food Ind.2008,5,309.[吴丹.食品工业科技,2008,5,309.]doi:10.13386/j.issn1002-0306.2008.05.080

(7)Perry,M.B.;Wehry,E.L.;Mamantov,G.Anal.Chem.1983,55 (12),1893.doi:10.1021/ac00262a013

(8)Chiara,C.;Giorgia,P.;Lanfranco,S.C.;Sabrina,M.J.Sep.Sci. 2015,38(10),1749.doi:10.1002/jssc.201401246

(9)Hilpert,L.R.;Byrd,G.D.;Vogt,C.R.Anal.Chem.1984,56 (11),1842.doi:10.1021/ac00275a019

(11)Fu,S.;Guo,X.;Wang,H.;Yang,T.;Wen,Y.;Yang,H.Sens. Actuators B 2015,212,200.doi:10.1016/j.snb.2015.01.134

(12)Yeatman,E.;Ash,E.A.Electron.Lett.1987,23(20),1091. doi:10.1049/el:19870762

(13)Kodadek,T.Chem.Biol.2001,8(2),105.doi:10.1016/S1074-5521(00)90067-X

(14)Yuk,J.S.;Ha,K.S.Exp.Mol.Med.2005,37(1),1. doi:10.1038/emm.2005.1

(15)Mariani,S.;Minunni,M.Anal.Bioanal.Chem.2014,406(9-10),2303.doi:10.1007/s00216-014-7647-5

(16)Cetin,A.E.;Coskun,A.F.;Galarreta,B.C.;Huang,M.; Herman,D.;Ozcan,A.;Altug,H.Light-Sci.Appl.2014,3(1), e122.doi:10.1038/lsa.2014.3

(17)Piliarik,M.;Homola,J.Sens.Actuators B 2008,134(2),353. doi:10.1016/j.snb.2008.06.011

(18)Yanase,Y.;Sakamoto,K.;Kobayashi,K.Opt.Mater.Express 2016,6(4),1339.doi:10.1364/OME.6.001339

(19)Knobloch,H.;Woigk,S.;Helms,A.;Brehmer,L.Appl.Phys. Lett.1996,69(16),2336.doi:10.1063/1.117516

(20)Beusink,J.B.;Lokate,A.M.;Besselink,G.A.;Pruijn,G.J.; Schasfoort,R.B.Biosens.Bioelectron.2008,23(6),839. doi:10.1016/j.bios.2007.08.025

(21)Andersson,O.;Ulrich,C.;Björefors,F.;Liedberg,B.Sens. Actuators B 2008,134(2),545.doi:10.1016/j.snb.2008.05.042

(22)Zhang,P.;Liu,L.;He,Y.;Shen,Z.Y.;Guo,J.Appl.Opt.2014, 53(26),6037.doi:10.1364/AO.53.006037

(23)Shen,G.Y.;Chen,Y.;Zhang,Y.M.;Chen,Y.;Cui,J.Prog. Chem.2010,8,1648.[申刚义,陈义,张轶鸣,崔箭.化学进展,2010,8,1648.]

(24)Shen,G.Y.;Han,Z.Q.;Liu,W.;Chen,Y.Chem.J.Chin.Univ. 2007,28(9),1651.[申刚义,韩志强,刘巍,陈义.高等学校化学学报,2007,28(9),1651.]doi:10.3321/j.issn:0251-0790.2007.09.032

(25)Smith,A.R.AcmSiggr.Comp.Graph.1978,12(3),12.doi: 10.1145/965139.807361

(26)Zhang,Z.;Liu,J.;Lu,D.F.;Qi,Z.M.Acta.Phys.-Chim.Sin. 2014,30(9),1771.[张喆,刘杰,逯丹凤,祁志美.物理化学学报,2014,30(9),1771.]doi:10.3866/PKU. WHXB201407071

Benzo[a]pyrene Sensing Properties of Surface Plasmon Resonance Imaging Sensor Based on the Hue Algorithm

FAN Zhi-Bo1,3GONG Xiao-Qing1,3LU Dan-Feng1GAORan1QIZhi-Mei1,2,*
(1State Key Laboratory ofTransducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,P.R.China;2State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian,Beijing 102205,P.R.China;3University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,P.R.China)

A colorfulsurface plasmon resonance imaging sensor for the in-situ detection ofbenzopyrene(BaP) in water is presented in this paper.The sensor can provide intuitive image information and can also quantitatively analyze the concentration and adsorption/desorption processes ofthe analyte by combining the hue algorithm. Both the resonance wavelengths and resonance images for a bare gold film chip were obtained atdifferent incident angles using a home-made surface plasmon resonance(SPR)sensor thatpossesses wavelengthinterrogating and imaging capabilities.The relationship between the resonance wavelength and the average hue ofthe color image was established based on the hue algorithm.From this relationship,the initialresonance wavelength at which the SPR sensor can provide optimalhue sensitivity was derived,which was~650 nm. Polytetrafluoroethylene(PTFE)-coated SPR sensor chips were prepared for the in-situ rapid detection of BaP in water based on the reversible enrichmentof BaP molecules in the PTFE film.The results showed that:(1) the average hue ofthe SPR colorimage decreases linearly as BaPconcentration increases from 20 to 100 nmol·L-1;(2)both the response time and recovery times ofthe SPR sensor for 100 nmol·L-1BaP are 7 and 5 s, respectively;(3)since the thickness ofthe PTFE film is greater than the penetration depth ofthe surface plasmon field,the BaP detection is notaffected by the refractive index ofthe solution sample;and(4)in the case ofa non-uniform PTFE film,the sensor allows to determine the hue sensitivities for equal-thickness microscale areas ofthe sensing film.The experimentalresults show thatthis type ofcolorfulSPR imaging sensor has widespread applicability for chemicaland biologicaldetection.

Colorsurface plasmon resonance imaging;Hue;Benzo[a]pyrene;PTFE sensing film; In-situ detection

O647;TP212.14

Klimisch,H.J.Anal.Chem.2002,45(11),210.

10.1021/ ac60333a053

doi:10.3866/PKU.WHXB201701131

Received:December 1,2016;Revised:January 13,2017;Published online:January 13,2017.

*Corresponding author.Email:zhimei-qi@mail.ie.ac.cn;Tel:+86-10-58887196.

The projectwas supported by the National Key Basic Research Program of China(973)(2015CB352100),National Natural Science Foundation of China(61377064,61675203)and Research Equipment Development Projectof Chinese Academy of Sciences(YZ201508).

国家重点基础研究发展规划项目(973)(2015CB352100),国家自然科学基金(61377064,61675203)及中科院科研装备研制项目(YZ201508)资助©Editorialoffice ofActa Physico-Chimica Sinica

猜你喜欢

苯并芘聚四氟乙烯色相
膨体聚四氟乙烯产品服务于医疗行业
为什么烧烤食物不宜多吃
基于聚四氟乙烯精密管接的卡具设计与加工研究
高效液相色谱在食品安全检测中的应用
聚四氟乙烯结构及热稳定性研究
色相、心相与舞台造型——民国京剧批评中的“扮相”品评
食卫监提醒:常吃街头烧烤小心致癌
棉籽及棉籽油中苯并芘的来源研究
高支纱羊绒衫缩水率问题的试验分析
膨化聚四氟乙烯材料的制备与性能研究