1、 基于平面光波导的 生物传感器的研究 摘 要 表面等离子体谐振( 传感技术是一项新兴的生物化学检测技术, ) 该方法口协 稳定性高,抗电磁干扰强, 对被检测物实现无损检测,被广泛 应用于生化、医学、 生命科学、环境检测等领域,随着信息、材料、机械、微 电子等科学的广泛渗透, 生物传感器技术己逐渐走向成熟,形成一定的商业市场,具有良好的发展前 景。 本文研究了生物传感器系统, 通过对 现象的理论分析和模型分析, 提出了一种多层结构的 生物传感器系统。主要工作如下: 详细讨论了表面等离子体波共振现象产生的基本原理和激发条件; 卜 采用脉冲 激光沉积 ) ( 技术在棱镜底部制备出 的 光学特性优良
2、薄膜, 并通过 射线衍射仪和扫描电镜检测其结构特性, 通过结果分析出薄膜的最 佳制备条件: 利用 线法与数值计算相结合的方法测量薄膜的相关光学常数, 为设计多层 生物传感器系统提供理论依据; 舀 利用 传感器对具有不同折射率的 空气、 种介质( 纯水和污水) 进行了测川灵 试,分析并研究了 相应测量条件下的 曲线。结果表明:多层结构 吩 八 吸收峰更尖锐,具有更高的分辨力和解析力。 生物传感器 卜 关键词:表面等离子体共振,生物传感器,脉冲激光沉积,衰减全反射 睁 逻 基于平面光波导的 生物传感器的研究 沮 玉 一 , 。 诫 诚比 , , , , , 爪 , 对 , 叨 , , 、 田 以
3、泊 火 , 残 一 卜 : ; 妙 ? 价 一 , 一 ( 比 , ) 。 : 比 , 一 劝 一 呷 以 界 : , , 户 代 气 基于平面光波导的 生物传感器的研究 第一章 绪论 概述 表 等 子 谐 传 技 是 项 兴 生 化 检 技 川 面 离 体 振 感 术 一 新 的 物 学 测 术 。 和 年首次 传感技术用于 将 气体检测和生 此后, , 物传感器中 , 传感技术在科学界就越来越受到重视。 多年来, 传感技术在实现方 式、仪器开发和应用领域拓展上都获得了飞速的发展。 德国 年, 物理学者 提出了表面等离子波传感理论,当入射光的波 长与表面等离子体波的固有波长相同时,就会产生表
4、面等离子共振效应,并设计 出第一个 传感系统。表面等离子体是沿着金属和电介质间的界面传播的电 磁波形成的,形成 的必要条件之一是金属与电介质界面的存在。 传感、 技术是基于表面等离 , ) 子体谐振( 的物理光学现象。 光 光 媒质 ( 率 入 光 媒 ( 射率, 且 ) 当 线由 密 ) 折射 、 射到 疏 质 折 并 。 : 时, 在入射角大于某个特定角度时, 现象。 会发生全反射 ( ) 约为几十 如果在两种媒质的界面之间,存在一层合适厚度 ( )的金属膜,在 发生全反射的条件下, 偏振分量将 入射光线的消逝波 ( ) 的 穿透导电金属层,并与金属层中的自由电子相互作用,激发出沿金属导体
5、表面传 ) 播的表面等离子体波 ( 叭 , ,适当地改变入射角度或者 长 当 射光 矢 媒 界 方向 的 影气 固 传 波 波 , 入 波 在 质 面 上 投 与 的 有 播 矢凡满 足: 气 , ) 一 ( 消逝波与 发生谐振, 入射光的大部分能量被 吸收,使得反射光能量急 剧下降,从而出现谐振吸收峰,由于发生了入射光的能量吸收, 这种全反射形式 ) 把吸收谐振吸收峰 对应 也被称为衰减全反射 ( , 。 入 角 称 表 等 子 。 金 折 率 光 媒 折 率 的 射 度 为 面 离 角 的气与 属 射 及 疏 质 射 有 关: 二 。饥 丫 凡 厂 、 一 (一) 、 十 少 气 凡 中,
6、必是入射光在真空中的角频率, 式 (一) 是入射光在真空中的速率。理论 光 计算表明 ,当 疏媒质折射率发生极细?谋浠 保 嵯嘤 母谋湫痴裎 ? 基于平面光波导的 生物传感器的研究 对附着在金属表面上的电介质的折射率非常敏感,峰的位置。 而折射率是所有材料的固有特征。因此,任何附着在金属表面上的电介质均可被检测,不同电 介质其表面等离子角不同;而同一种材料,附着在金属表面的量不同,则 传感技术就是利用上述原理对金属表面的被分析物进行检的响应强度不同。测的。 利用 传感技术检测生化反应时, 首先将一种反应物固定在传感芯片表面金属膜上,然后将分析物的样品以恒定的速度通过传感芯片,与传感芯片上分子间
7、的相互作用,引起表面膜的折射率变化, 从而使 光学信号发生改变,实时的记录整个反应过程的信号变化,将可以获得反应的吸附和解离常数,被测物的浓度等非常有用的参数。 传感技术具有具有很多优点,主要包括: 免标记检测。 传感技术利用对被测物质的折射率的敏感性,因此无需任何 丫物质标记被测样品,省去了 样品纯化和材料标记等样品准备步骤,大大节省了额外的时间,并消除了标记物对反应造成干扰的可能性;另外,它可以观察每个实验步骤对反应的影响,而不像其他实验方法只能得到实验的最终结果; 实时检测。 监测生物分子的相互作用是通过计算机转换它从光电池上得到的电信号实现的。 传感技术, 因此采用 反应的进展情况可以
8、直接地显示在计算机屏幕上,这种对实验步骤的实时反馈,加快了实验开发和分析的速度。最为吸引 人的是, 传感技术可以对反应进行动力学参数分析,这是其他分析方法所无法比拟的。 无 损伤检测。 传感技术是一种光学检测方法,光线在传感芯片表面被反射回来,并不与被测物质所接触;由于光线并不是穿透样品,甚至是浑浊或不透明的样品,也同样可以进行检测。 与传统技术相比, 技术的优点极为明显。 分析技术的出现,大大加快和优化了 免疫测定过程,更 为 和蛋白质之间的研究带来了重大突破 , 。 , 几十年来, 和蛋白质之间相互作用,特 别是其反应动力学的测定一直没有简 便快捷的方法,而 技术解决了这一难题。 发展历程
9、 年, 首次发现了光波通过光栅后, 川 光频谱发生了 这 小区域损失, 基于平面光波导的 生物传感器的研究 于 磁 应的 是关 这一电 场效 最早记载。 年, 根据金 属和空气界面 叮 上表面电磁波的激发解释了这一现象。 年,于 首先对金属薄膜采用 的 反 激 的 法 观 表 等 子 振 象 此 , 代 , 光 全 射 励 方 , 察 面 离 共 现 。 后 室年 以 年 使用 射的 法演示了 激发 面等离 及 淦 衰减全反 方 光 表 子体共 振的现象,分别发表了里程碑性质的文章,激发了人们应用 于传感机制的 淦 热情,而 结构也为 型传感器奠定了基础。 年代末来, 在检测金属薄膜特性和实时监测金属表面反应的潜能越来越受到重视。在 年, 和 将原理应用于气体检测和生物传感器领域中。 等人开始成像研究。 年, 姗 年, 五 公司开发出首台商品化 仪器。 后, 传感技术取得了持续的发展阵,。 光学薄膜传感 从那以 其中电 技术越来越引起国内外研究人员的重视,并且在生化、生命科学、食品检测、环 保等领域获得了广泛的应用。 传感器分类 棱镜辐 合方 传感器 式的 .