施春飞,孙 毅,王晓萍

(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江大学光电科学与工程学院,杭州 310027)

偏振控制光强调制型SPRi传感器的高灵敏检测研究*

施春飞,孙 毅,王晓萍*

(浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江大学光电科学与工程学院,杭州 310027)

在偏振控制光强调制型SPRi传感器中,使用真实液体消光的方法实验调节困难,测量灵敏度低,线性度差。为此,提出无需真实液体消光,并将消光折射率左移的方法。首先,对在测量起点(即纯水)消光的传统方法进行光学参数的最优值仿真及其加工和调节误差仿真,结果表明,误差会引起SPRi曲线最低点在折射率轴上的左右偏移,从而影响传感器性能。接着,将消光折射率左移至1.325处,并仿真其光学参数的最优值。实验表明,与前者相比,1.325消光方法中存在的误差不会使测量曲线出现非单调的情况,此时的测量灵敏度高,线性度好,折射率分辨率达到1.85×10-6RIU,对应NaCl溶液的检出限为35 mg/L。上述方法提高了误差存在时SPRi传感器的适用性,可以实现微量水溶液样品的高灵敏及高通量检测。

表面等离子体共振成像;误差仿真;消光;高灵敏度

表面等离子体共振成像SPRi(Surface Plasmon Resonance Imaging)技术是近二十年发展起来的一种光学传感技术,因其不但具有实时监测、样品消耗少、无需标记等优点,还能实现多种样品的高通量检测,已成为多个领域的研究热点[1-4]。因此,提升SPRi传感器的灵敏度,满足其在相关领域的应用具有极为重大的意义。

Cheng等[5]提出一种微井结构,由于井内产生的SPR现象对不同折射率样品非常敏感,而井外反之,因此图像对比度大;同时反射光在井壁内的多次反射增强了电磁场,从而提高了信噪比。Homola等[6]采用偏振控制光强技术,该方法不仅具有相位调制型传感器的高灵敏度,还具有光强调制型传感器的简便性。余兴龙等[7]提出了SPR双分差动干涉成像生物分子相互作用分析仪,其折射率分辨率可达到8.5×10-6RIU。还有一些小组致力于利用纳米结构增强SPR信号。纳米结构产生的局域表面等离子体共振LSPR(Local Surface Plasmon Resonance)具有场增强明显、模场尺寸小、响应时间短、空间分辨率高等优点[8]。Vaisocherov等[9]和Zou等[10]均采用三明治结构测定样品,并利用金纳米颗粒增强信号,前者可在红细胞裂解液中测得亚皮摩尔级别的miRNA,后者则将多巴胺的检出限降低至1.17 pM。除金纳米颗粒外,磁、乳胶、脂质体纳米颗粒也可在检测小分子物质时增强SPR信号[11]。另外,传感器金属膜系的设计与传感器的性能也息息相关。Pang等[12]通过仿真研究了金银复合膜的最佳厚度,并评价了其表面电磁场的增强。实验证明,相较于单一金膜,金银复合膜的折射率分辨率提高了2倍左右。He等[13]通过化学气相沉积制备了石墨烯-金属SPR芯片,在测定血清中叶酸标记物时具有高灵敏度和高选择性,有望用于临床诊断。此外,化学方法也可提高传感器的灵敏度。Liu[14]等在SPR芯片表面周期性地逐步通入伴刀豆球蛋白A与葡聚糖,以放大响应信号,该方法可检测出50 pg/mL的癌胚抗原。Saylan等[15]制备了一种分子印迹纳米膜,用以测定多种杀虫剂,该方法测量范围宽、灵敏度高、特异性强。

本文首先根据偏振控制光强调制理论,对在测量起点(即纯水)消光的传统方法进行光学参数的最优值仿真,进而对各个参数的加工和调节误差进行仿真,结果表明,误差会引起SPRi曲线最低点在折射率轴上的左右偏移,从而影响传感器性能。为提高该SPRi传感器的灵敏度及适用性,本文提出无需真实液体、不以测量起点的折射率消光,而将消光折射率适当左移至1.325的方法,仿真分析表明,1.325消光可以更好地实现SPRi传感器的高灵敏度、高线性度。最后,分别在两种消光方法下,搭建传感器系统,确定传感器的性能参数。实验结果表明,在1.325消光方法中,加工和调节误差不会使测量曲线出现非单调的情况,适用性强;并且具有灵敏

度高、线性度好等优点。该方法提高了误差存在时SPRi传感器的适用性,可以实现微量水溶液样品的高灵敏及高通量检测。

1 偏振控制光强调制理论

偏振控制光强调制理论最早由Homola等[16]提出。其基本原理如图1所示。

图1 偏振控制光强调制型SPRi传感器原理图

图1中,准直光源通过起偏器得到线偏振光,该偏振光包含P偏振分量和S偏振分量。光线入射到棱镜-金膜界面时发生全反射,反射光可用下式来描述:

(1)

式中:φpor为起偏器偏振方向与S偏振分量的夹角,rs和rp分别为S偏振分量和P偏振分量的振幅反射系数,可由单层膜干涉模型得到:

(2)

式中:rij为不同界面处的振幅反射系数,可由菲涅耳公式得到;下标0、1、2分别表示棱镜、金膜和待测样品;δ为相继两光束由光程差引起的相位差:

(3)

经金膜反射后,P偏振分量和S偏振分量引入了一个固定的相位差,因此反射出的光线E1为椭圆偏振光。该椭圆偏振光与其长轴的夹角为:

(4)

式中:Δδ为S偏振分量和P偏振分量的相位差。

调节1/4波片,使其快轴与上述椭圆偏振光的长轴重合(φwp=φell),从而使出射光成为线偏振光E2:

(5)

最后,调节检偏器的偏振方向,使其与线偏振光E2正交,即

φana=arctan(E2p/E2s)+π/2

(6)

在该条件下,实现了出射光的完全消光。通常,这种方法需要对金膜表面某折射率的液体进行消光,当通入其他折射率样品时,E1的相位发生变化,则可得到由相位变化引起的光强变化,从而获取样品的折射率信息。

2 传感器参数仿真设计

2.1 光学参数仿真

由上一节可知,偏振控制光强调制方法中重要的光学参数有入射角、起偏角、金膜厚度、入射光波长和消光折射率。这5个参数确定后,1/4波片和检偏器的角度可以计算得到。这些参数设置的不同,传感器的性能也不同。由于测量的样品大多为水溶液,因此通常选用纯水为消光液体。

图中“-”表示偏小,“+”表示偏大,“0”表示无误差,偏大或偏小的范围据实际情况而定图3 起偏器角度、1/4波片角度、检偏器角度、入射角、金膜厚度的误差及总误差对SPRi曲线的影响

在几个选定的波长下(600 nm、630 nm、680 nm、740 nm和780 nm),设定消光折射率为纯水的折射率(物质的折射率随波长的变化而变化,因此消光折射率的设置会随入射波长的不同而不同[17]),用MATLAB软件仿真入射角、起偏角、金膜厚度、入射光波长的最优值,仿真结果如图2所示。

图2 不同波长下的最优SPRi曲线

由图2可以看到,波长越长,灵敏度(即曲线斜率)越高;考虑到780 nm为可见光与红外光的边界,不方便光路调节,而740 nm的灵敏度和线性范围都符合要求,因此波长最终确定为740 nm,对应纯水的折射率为1.330,可以得到此时的入射角(即图1中的θ0)、起偏角、金膜厚度的最优值分别为68°、64°、40 nm,由此计算得到1/4波片和检偏器的角度分别为-45°和130°。需要注意的是,这种以测量起点为消光折射率的方法,在测量起点(1.330)附近的灵敏度较差。

2.2 误差仿真

起偏器角度、1/4波片角度、检偏器角度、入射角及金膜厚度的调节误差和加工误差,都会造成SPRi曲线的偏移,进而影响传感器的性能。因此,需具体了解这些参数所引起的误差大小。根据第1节的数学模型,只改变一个参数,固定其他参数,仿真误差对SPRi曲线的影响,结果如图3(a)～图3(e)所示。可以看到,一旦存在误差,SPRi曲线的最低反射率不再是零,误差越大,最低反射率越高;同时误差引起的最低点的左右偏移量也较大,起偏器角度、1/4波片角度、检偏器角度、入射角、金膜厚度的误差引起的最低点左右偏移量分别为0.000 2 RIU/°、0.000 3 RIU/°、0.000 25 RIU/°、0.000 45 RIU/0.05°、0.000 34 RIU/nm,这会严重影响传感器的性能。接着,仿真所有参数的总误差,如图3(f)所示。SPRi曲线最低点若向左偏移,则会引起1.330～1.350范围内灵敏度的降低;若向右偏移(最多会从1.330偏移到1.3327,相当于约7.6 g/L的NaCl溶液),则会在测量范围内出现非单调的情况,即一个光强值对应两个折射率,这就无法确定该样品的准确折射率,因此应避免这种情况。

3 消光折射率的调整与优化设计

上述选择1.330为消光折射率的方法会引起一系列问题,因此本文提出将消光折射率左移至1.325或1.320,打破了需要使用实际存在的液体进行消光的传统思想。虽然不以测量起点为消光点,并且在实际生活中很难找到折射率比水小、无毒无害、易于流动的液体,但是并非真正需要这种液体。只要依据仿真的参数进行实验,同样能在设定的消光折射率处达到消光效果;并且消光折射率的左移会提高测量范围内SPRi曲线的线性度和灵敏度。

图4 1.320、1.325、1.330消光的SPRi曲线

分别将消光折射率设为1.325、1.320,仿真得到最优的SPRi曲线,如图4所示。可以看到,这种消光方法有以下优点:在测量范围内线性度好;纯水折射率附近灵敏度高,在实际应用中可提高检出限;实验调节方便,即使存在各种误差,也不会在测量范围内出现非单调的情况。另外,与1.320相比,1.325消光可以更好地实现SPRi传感器的高灵敏度、高线性度,因此选择1.325消光。其相应入射角、起偏角、金膜厚度的最优值分别为67°、59°、41 nm,由此计算出1/4波片和检偏器的角度分别为31°和109°。

4 实验分析

4.1 实验装置

分别采用2.1节和第3节的仿真参数搭建偏振控制光强调制型SPRi传感器系统。入射光经过准直透镜准直后,经过起偏器,入射到棱镜-金膜界面发生全反射,出射光依次经过1/4波片、检偏器、远心成像系统,最后被CCD捕获。金膜采用磁控溅射技术加工,先在玻璃衬底上镀一层粘附层铬,再镀一层金。金膜上覆盖PDMS流通池,与注射泵相连,实现样品的注射。

配制浓度为0.025 g/L～200 g/L的NaCl溶液,进行传感器性能分析实验。具体过程为,在两种消光方法下分别依次通入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,每个浓度进样3次。其折射率已由阿贝折射仪测得。当样品流过金膜表面时,反射光的绝对光强值会产生相应变化。用绝对光强值减去基线(通入去离子水时)光强值,得到样品的响应值,取三次测量的平均值作为该浓度样品的最终SPRi信号,用于计算传感器的动态范围和灵敏度。用同样的方法,在两种消光方法下分别依次通入0.025 g/L、0.05 g/L、0.1 g/L、0.25 g/L、0.5 g/L的低浓度NaCl溶液,其SPRi信号用于计算传感器的检出限。

图5 消光方法的标定曲线

4.2 动态范围和灵敏度

将NaCl溶液的各个浓度对应到折射率,得到样品折射率-SPRi信号的标定曲线,如图5(a)所示。

由图5可知,实验结果与理论仿真结果相似。1.330消光方法中,纯水折射率附近灵敏度较小;随着折射率的增大,灵敏度先增大后减小;曲线线性度较差。而1.325消光方法中,1 g/L～100 g/L NaCl溶液的线性度较好,150 g/L后的线性度变差,灵敏度开始下降,也即线性范围为1.330～1.350。去除线性范围之外的150 g/L和200 g/L这两个样品点,线性拟合前7个样品点,其线性度为0.998 94,灵敏度为158 233/RIU,如图5(b)所示。与1.330相比,1.325消光方法在提高整体灵敏度的同时,改善了纯水折射率附近的灵敏度,曲线线性度较好。

4.3 检出限

低浓度NaCl溶液的实时监控曲线分别如图6(a)和图7(a)所示。

图6 1.330消光方法中的检出限

可以看到,原始数据中存在较大噪声。本文采用希尔伯特-黄变换(HHT)方法对数据进行处理[18-19],去除原始数据的低频漂移和高频噪声。HHT的基本原理是将信号进行经验模态分解EMD(Empirical Mode Decomposition),获取有限数目的本征模态函数IMF(Intrinsic Mode Function),再根据实际情况,选取部分IMF进行重构。这种方法的优点是,基函数不固定,能够通过原始数据本身自动产生自适应基函数,因此对不同的数据都具有较好的适应性。

HHT变换后的数据分别如图6(b)和图7(b)所示,可以看到,1.330消光方法中NaCl溶液的检出限在0.05 g/L和0.1 g/L之间;而1.325消光方法中NaCl溶液的检出限在0.025 g/L和0.05 g/L之间。

图7 1.325消光方法中的检出限

4.4 折射率分辨率

1.325消光方法的曲线线性度较好,则可利用噪声和灵敏度确定折射率分辨率。实验中一次进样的时间约为5 min,故取5 min的基线数据,进行HHT变换,算得噪声为0.293 2。代入折射率分辨率公式(Δn=σ/S,其中σ为SPRi传感器的噪声,S为SPRi传感器的灵敏度),可得Δn=1.85×10-6RIU,对应检出限为35 mg/L的NaCl溶液,与图7(b)的实验结果相符。

5 结论

本文提出的在偏振控制光强调制型SPRi传感器中,将消光折射率左移至1.325处的方法,解决了传统方法中测量范围内非单调的问题;克服了纯水折射率附近灵敏度低、线性度差的缺点。该方法实验调节方便,即使存在加工和调节误差,也不会在测量范围内出现非单调的情况,折射率分辨率达到1.85×10-6RIU,对应NaCl溶液的检出限为35 mg/L。这种将消光折射率适当左移的方法,提高了误差存在时SPRi传感器的适用性,可以实现微量水溶液样品的高灵敏及高通量检测。

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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

施春飞(1991-)，女，浙江大学硕士研究生，主要研究表面等离子体共振成像传感器，shi＿chun＿fei@163．com；王晓萍(1962-)，女，通讯作者，博士，浙江大学光电科学与工程学院教授，主要从事环境检测技术及仪器设计、SPR传感技术与仪器以及电子舌设计及其应用方面的研究，xpwang@zju．edu．cn。

项目来源:国家自然科学基金项目(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