CN102262073B - 一种基于波导耦合表面等离子共振的降低背景影响的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波导耦合表面等离子共振的降低背景影响的检测方法。根据波导耦合表面等离子共振传感器响应的反射光强度曲线中，波导耦合表面等离子共振峰与波导耦合共振峰对于包括标签层和背景层在内的外界物质变化的灵敏度不相同的原理，选择波导耦合表面等离子共振峰和与其相邻的灵敏度较大的一个波导耦合共振峰，建立两个分别对应两个峰的位置偏移量与待测样品变化的方程。通过解该二元一次方程组，分别求得标签层和背景层的变化量，起到了降低背景层干扰的作用。本发明不需要添加参考通道，能够在简单的结构下对待测样品进行精确检测，减少了待测样品背景层的干扰，增加了检测系统的精度和可靠性，有利于实现高通量检测。

Description

一种基于波导耦合表面等离子共振的降低背景影响的检测方法

技术领域

本发明涉及传感器及传感技术领域。具体涉及一种基于波导耦合表面等离子共振的降低背景影响的检测方法。

背景技术

金属或半导体材料的表面电子行为类似于自由电子气体。表面等离子波是由金属表面的自由电荷集体振荡形成的，沿金属和电介质界面传播的振动。表面等离子波存在于两种介电常数符号相反(一般为金属与介质)的介质交界面上。其场强在交界面处达到最大，并且在界面两侧沿垂直于界面的方向呈指数式衰减，从而场被限制在界面附近。表面等离子共振(SPR)是一种物理光学现象，准直入射光束中垂直于介质表面的波矢分量激发金属表面电子振荡形成倏逝波，当光束平行于介质界面的波矢分量与表面等离子波的传播常数匹配时，光束能量就能通过倏逝波耦合进入介质界面形成表面等离子波，反射光能量减弱。当准直光束满足一定波长和入射角度条件时，光束耦合进入表面等离子波的能量比例最大，反射光能量最弱，同时相位产生延迟，形成表面等离子共振，此时产生表面等离子共振的光波波长称为共振波长，光波入射角度称为共振角度，同时在反射光强的响应曲线上看到一个反射光强度衰减的尖峰，这个尖峰称为共振峰。

因此，表面等离子共振的产生受入射光波，金属薄膜和薄膜附近介质的特性的影响。当金属薄膜附近介质的折射率、厚度等参数发生改变时，相应引起表面等离子波的传播常数的变化，进而导致光波与表面等离子波的耦合特性变化，表现为耦合共振条件的改变，如共振角度、共振波长、强度、相位的变化。利用这些变化来检测待测物的物理参数变化，是表面等离子共振传感器的基础。根据所测量的光学参数的不同，表面等离子共振传感器检测技术分为角度、波长、强度或者相位测量。

波导耦合表面等离子共振是在传统的棱镜耦合表面等离子共振传感器的结构上，将原来的单层金属薄膜结构变成金属薄膜-介质层-金属薄膜的结构。其结构示意如图1。与传统耦合方式相比，它具有高灵敏度，高信噪比和高动态测量范围的特点。

入射光波通过耦合棱镜入射到金属薄膜1产生倏逝波，若满足金属薄膜1与介质层界面的表面等离子波激发条件，则产生类似传统结构的表面等离子振荡；否则，能量耦合进介质层，当满足波导模式的相位匹配条件时，形成波导耦合模式，或称波导耦合共振(WCR)；当形成波导耦合模式的相位同时满足下层金属薄膜2底面的表面等离子波相位匹配条件时，该模式能激发金属薄膜2下表面的表面等离子波，产生所谓的波导耦合表面等离子共振(WCSPR)。在实际应用中，通过测量反射光的光强度曲线，来判断波导耦合共振与波导耦合表面等离子共振的发生。当共振发生时，能量耦合进入介质层形成波导模式或在金属薄膜2表面形成表面等离子波，反射光强大幅度衰减。在反射光强度曲线上，会得到光强明显下降尖峰，称之为吸收峰。波导耦合表面等离子共振结构的反射光强度曲线上存在三种共振模式，即三种吸收峰：传统表面等离子共振峰，波导耦合共振峰以及波导耦合表面等离子共振峰。三种共振的产生，均与入射光波、金属薄膜和介质层的物理参数密切相关。由此可知，通过合理选择入射光波波长、金属薄膜及介质层，就能够设计波导耦合共振峰和波导耦合表面等离子共振峰在反射光强度曲线上的数量和出现位置。本发明在对波导耦合表面等离子结构的讨论中，不关心存在于金属薄膜1与介质层界面的传统表面等离子共振模式，因此，在下述讨论中，表面等离子共振均为波导耦合表面等离子共振的简称。

表面等离子共振条件对附着在金属薄膜2表面的介质(以下简称外界物质)折射率等物理特性非常敏感。当外界物质的折射率或厚度等相关物理特性发生细微变化时，在反射光强度曲线上，具有高灵敏特性的波导耦合表面等离子共振峰及其相邻的波导耦合共振峰会发生位置的偏移或深度的改变。因此，通过检测峰的变化，就能检测出外界物质性质的变化，达到检测目的。

波导耦合表面等离子共振检测技术应用于生化检测中，通常需要在金属薄膜2上使用标签分子。在金属薄膜2的表面形成标签层。标签分子与被检测物具有对应性，在金属薄膜2表面通过分子间相互作用(如范德华作用力、氢键、配位键等)两者形成特定的吸附。当待测物质与标签分子产生特定的吸附后，将改变标签层的物理特性，同时改变表面等离子共振产生的条件。在反射光强度曲线上，标签分子与待测分子之间的特定吸附的发生，将导致波导耦合表面等离子共振峰及其相邻的一个波导耦合共振峰发生移动。通过测量这些峰的移动就可以检测到标签层的物理特性变化，从而检测出待测分子与标签分子之间是否相互作用，以达到检测的目的。表面等离子波是一种倏逝波，其振幅沿着垂直于金属薄膜2界面的方向呈指数衰减，穿透深度往往在微米量级，即距金属薄膜2界面至少1um左右的材料的特性对表面等离子共振效应都有一定影响。由于通常标签层的厚度都比较小，即使吸附了待测物质的标签层其厚度也不过200nm，因此，表面等离子共振条件的变化也会受到标签层以外的背景溶液的物理特性变化影响，例如背景溶液温度的起伏，背景溶液成分、浓度的变化，非标签分子的吸附。由这些变化引起的表面等离子共振响应统称为表面等离子共振的非特定响应。而标签分子与待测分子的特定吸附所形成的表面等离子共振响应，称之为特定响应。待测样品分层结构见图2，这里将标签层以外的溶液均称为背景层。

在表面等离子共振实际测量中，背景层对测量结果的影响不容忽视。有时背景层的非特定响应甚至大于标签层的特定响应，从而使得若无参考信道，则无法区分表面等离子共振条件的改变是由何种响应引起的，对检测结果的判断和分析影响非常大。因此，如何消除背景层的影响是实际的表面等离子共振系统中必须考虑解决的问题之一。

根据以上所述，外界物质特性发生变化时，波导耦合表面等离子共振峰和紧靠这个峰的灵敏度较大的那个波导耦合共振峰(以下称之为参照峰)在反射光强度曲线上均会发生偏移。在实际应用和理论计算中发现，当外界物质特性变化时，反射光强度曲线上相关峰的偏移量(称之为峰灵敏度)各不相同，即峰与峰的灵敏度各不相同，由于外界物质变化包括标签层的变化与背景层的变化，即使对于同一个峰而言，对于标签层变化的灵敏度和对于背景层变化的灵敏度也不相同。当满足下式时，可根据灵敏度的不同，实现区分外界物质变化中的由标签层变化引起的特定响应与由背景层变化引起的非特定响应：

$\frac{S_{\mathrm{WCSPR}-S}}{S_{\mathrm{WCR}-S}}\≠\frac{S_{\mathrm{WCSPR}-B}}{S_{\mathrm{WCR}-B}}---\left(1\right)$

其中，S_WCSPR-S表示波导耦合表面等离子共振峰对与标签层折射率或厚度变化的灵敏度，S_WCSOPR-B表示波导耦合表面等离子共振峰对与背景层折射率变化的灵敏度，S_WCR-S表示参照峰对与标签层折射率或厚度变化的灵敏度，S_WCR-B表示参照峰对与背景层折射率变化的灵敏度。

发明内容

本发明提出一种利用波导耦合表面等离子共振检测中，降低背景层干扰的新的测量方法，包括以下步骤：

(1)对如图1所示的波导耦合表面等离子共振传感器结构中的金属薄膜2进行表面生化预处理，使标签分子附着在金属薄膜2上，形成标签层；

(2)将P偏振的入射光入射到上述传感器的金属薄膜1表面；

(3)将不会引起金属薄膜2表面标签层性质变化的背景溶液，如不包含待测物分子或待测反应分子的背景溶液，进样，通过事先设计或调节波导耦合表面等离子共振传感器的结构参数，使得在金属薄膜2上发生波导耦合表面等离子共振，通过测量反射光的强度曲线，得到波导耦合表面等离子共振峰与波导耦合共振峰的位置，并记录保存光强度曲线；

(4)保持上述传感器结构参数不变，将可能引起上述标签层性质变化，如含有待测物分子或待测反应分子的背景溶液进样，待标签层与待测物充分反应后，测量反射光的强度曲线，得到波导耦合表面等离子共振峰与波导耦合共振峰的位置，并记录保存光强度曲线；

(5)根据上述两组反射光强度曲线及其变化规律，得到波导耦合表面等离子共振峰和波导耦合共振峰的位置，并得到其待测反应前后的位置偏移量。

(6)根据上述两个峰的位置偏移量，根据不同模式所对应的对于标签层厚度或折射率等性质变化以及对于背景层折射率变化的不同灵敏度，通过数据处理算法，求解得到标签层、背景层的变化量。

上述方法中，所述步骤(3)也可以是在可能引起标签层性质变化，如含有待测物分子或待测反应分子的背景溶液进样后但待测反应尚未开始阶段，对反射光的强度曲线进行测量和记录，并得到波导耦合表面等离子共振峰与波导耦合共振峰的位置。

上述方法中，所述步骤(5)中，在波导耦合结构下，波导耦合表面等离子共振峰是唯一的，波导耦合共振峰则可能不唯一，因此选取合适的波导耦合共振峰，对于降低背景干扰至关重要。选取原则为其对于外界性质变化灵敏度较大且需满足公式(1)。

上述方法中，所述步骤(6)中，在相同的器件结构中，得到对于相同外界性质变化(包括标签层变化和背景层折射率变化)的波导耦合表面等离子共振峰与波导耦合共振峰的不同响应。由于实验当中标签层和背景层的变化量都十分微小，反应前后的波导耦合表面等离子共振峰和波导耦合共振峰的位置偏移量可分别近似为背景层和标签层的变化量的线性函数。根据共振条件，由两个峰的不同响应可得到两个二元一次方程。通过解方程组，就可分别解出标签层和背景层的变化量，达到测量标签层变化且消除背景层影响的目的。

本发明所涉及的波导耦合表面等离子共振消除背景影响的测量方法具有以下优点：

1.本发明可用于实现生化反应过程中，标签分子与待测物分子互相作用的高精度检测，并且能够分辨标签层和背景层的变化，消除背景层干扰，使测量结果更为准确可靠。

2.本发明无需添加参考通道即可实现消除背景的测量，有利于实现多通道、高通量的并行检测。

3.本发明所述的波导耦合表面等离子共振传感组件可兼容现有传统表面等离子共振传感器的扫描方式，包括角度扫描，波长扫描、强度扫描、相位扫描等。

本发明所设计的方法，实现简单，操作方便，实时有效，易于被掌握。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1为波导耦合表面等离子传感器结构示意图；

图2为待测样品分层结构示意图；

图3为标签层与背景层折射率变化的扫描曲线。

具体实施方式

图2给出了一个根据本发明内容所述的传感层结构实例的示意图。采用三角棱镜作为光学耦合元件。由金属薄膜1和金属薄膜2和介质层构成波导结构。该波导结构的设计满足波导耦合表面等离子共振峰与被选取的参照峰的灵敏度不相同的条件，且满足式(1)的条件。本实例中的波导耦合表面等离子共振检测系统主要由光源，波导耦合表面等离子共振传感检测组件，及数据采集处理器件等部分组成，具体包括：

光源：波长为980nm的单色光源，目的为了得到固定单波长入射光；

光路元件：包括滤光片，半波片，偏振片，孔径光阑，及准直透镜，转台等。目的为了得到P偏振且入射角度可变的准直入射光；

波导耦合表面等离子共振传感组件：采用本发明所述的波导耦合表面等离子共振传感组件，其中金属薄膜2表面已经过生化预处理，即该薄膜表面已吸附标签分子；

待测样品：通过样品通道或样品池装置进入波导耦合表面等离子共振传感组件，与金属薄膜2表面的标签分子发生作用；

波导耦合表面等离子共振信号检测装置：采用光电二极管，接收出射光的光强信号，并且将其转换成电信号；

数据处理部分：将采集到的实验数据进行计算，得到测量结果。

本实例采用角度扫描：利用机械转台，改变入射到传感器金属薄膜1上的角度，在金属薄膜2上激发波导耦合表面等离子共振效应。

上述波导耦合表面等离子共振检测系统的检测方法如下：

由光源发出的光，经过光路配套元件得到P偏振的准直入射光；

将不含有待测物分子的背景溶液进样，即通过样品通道或样品池到达已经有标签层的金属薄膜2表面；

入射光由棱镜耦合，照射到金属薄膜1表面，并发生反射；

控制机械转台进行角度扫描，进行一次角度扫描，得到反射光强度曲线，并将其记录保存；

将含有待测物分子的背景溶液进样，即通过样品通道或样品池到达已经有标签层的金属薄膜2表面，使其与标签分子充分作用；

控制机械转台进行角度扫描，再进行一次角度扫描，得到反射光强度曲线，并将其记录保存；

对实验数据按以下方法进行处理计算。

当采用角度扫描方式时，在反射光强的角度谱上，波导耦合表面等离子共振峰的峰谷所对应的角度成为波导耦合表面等离子共振角(θ_WCSPR)，被选择作为参照峰的波导耦合共振峰的峰谷所对应的角度为波导耦合共振角(θ_WCR)。由于波导耦合表面等离子共振峰对于标签层变化的灵敏度(S_WCSPR-S)、对于背景层变化的灵敏度(S_WCSPR-B)和作为参照峰的波导耦合共振峰对于标签层的灵敏度(S_WCR-S)、对于背景层变化的灵敏度(S_WCR-B)都互不相同。在反射光强曲线上，由于外界物质变化所引起的峰的偏移量也不相同，即峰谷(θ_WCSPR和θ_WCR)的变化量不同。因此可以建立两个方程，分别对应两个峰的偏移量与其对标签层变化和对背景层变化的灵敏度的方程。经计算分别得到标签层与背景层的变化量。

假设标签层的折射率变化为Δn_S，背景层折射率变化为Δn_B。且假设标签分子和待测物分子发生相互作用后，标签层的厚度改变忽略不计。那么进行两次角度扫描后，可以分别得到波导耦合表面等离子共振峰和参照峰的位置偏移量分别对应标签层和背景层的折射率改变的函数关系：

Δθ_WCSPR＝S_WCSPR-SΔn_S+S_WCSPR-BΔn_B    (2)

Δθ_WCR＝S_WCR-SΔn_S+S_WCR-BΔn_B          (3)

其中，Δθ_WCSPR＝θ_WCSPR2-θ_WCSPR1，Δθ_WCR＝θ_WCR2-θ_WCR1，可以通过实验测得。方程中的Δn_S，Δn_B即为要求解的量。S_WCSPR-S、S_WCR-S、S_WCSPR-B、S_WCR-B这些灵敏度，可以通过理论计算得到，在微小范围内连续改变折射率，可得到连续改变的θ_WCSPR或θ_WCR的值，也可通过标定实验测量得到。利用拟合方法，找出微小范围内折射率改变与Δθ_WCSPR以及Δθ_WCR的对应关系，就可得到所需要的灵敏度。将已知参数代入上述的方程组，就可以计算求得标签层与背景层折射率的微小变化。

为了验证本结构的可行性，进行仿真模拟计算。现设定本实例中的系统主要物理参数为：

耦合棱镜   折射率：1.76

金属薄膜1  折射率：0.3219+5.7117i；厚度：30nm；

介质层     折射率：1.597           厚度：2100nm；

金属薄膜2  折射率：0.3219+5.7117i  厚度：30nm；

标签层     厚度：10nm；

S_WCSPR-S＝0.25；S_WCR-S＝1.57；

S_WCSPR-B＝17.37；S_WCR-B＝34.26；

仿真模拟过程如下：设置上述参数之后，模拟通入不含有待测物分子溶液的情况下，进行一次角度扫描。然后再模拟通入含有待测物分子溶液的情况下在进行一次扫描。记录两次扫描的波导耦合表面等离子共振传感器响应的反射光强度曲线，如图3所示。模拟预设标签层的折射率为1.430，在发生吸附后，折射率变化5×10^-6。假设环境温度从25℃变化到26℃，则背景层折射率从1.3326变化到1.3327，变化量为1×10^-4。

从反射光强度曲线上分别测量得到：

θ_WCSPR1＝49.579420°；θ_WCSPR2＝49.581158°；

θ_WCR1＝52.515015°；θ_WCR2＝52.518449°；

计算得：

Δθ_WCSPR＝0.001738°；Δθ_WCR＝0.003434°；

将上述已知参数带入式(2)，(3)即可算得折射率的改变量：

Δn_S＝5.59×10^-6；Δn_B＝0.99×10^-4；

上述结果与模拟预设的标签层折射率变化5×10^-6、背景层折射率变化1×10^-4非常接近。

如果采用传统的方法，不区分标签层和背景层的不同响应。根据上述模型，认为金属薄膜2以外的外界物质溶液为一个整体。可通过计算得到WCSPR峰对溶液变化的灵敏度S_WCSPR＝18.91，测量可得Δθ_WCSPR＝0.001738°，则计算得到的外界物质溶液折射率变化为：Δn＝0.92×10^-4，该结果显然不符合实际。

经过对两种方法的比较，本发明能较准确地测得标签层及背景层的折射率变化量，从而降低检测结果受背景层的影响。

Claims (6)

1.一种基于波导耦合表面等离子共振的降低背景影响的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）在由金属薄膜-介质层-金属薄膜组成的波导耦合表面等离子共振传感器的与被检测物相邻的金属薄膜表面修饰标签分子，形成标签层；

（2）在样品通道加入不含被检测物的溶液；

（3）将波长固定的P偏振光入射到所述的波导耦合表面等离子共振传感器并发生反射；

（4）改变入射光角度，得到反射光的反射强度的信息；

（5）在样品通道加入含被检测物的溶液，并在所述传感器金属薄膜表面使标签分子与被检测物充分反应；

（6）重复上述步骤（3），（4）；

（7）根据步骤（4）、（6）得到的反射光随角度变化的规律，得到波导耦合表面等离子共振峰和一个波导耦合共振峰的位置，进而分别得到波导耦合表面等离子共振峰和波导耦合共振峰反应前后的共振峰位置偏移量；

（8）根据步骤（7）所得的两个峰的偏移量，根据不同模式所对应的对于标签层折射率或厚度变化以及对于除标签层以外的背景层折射率的变化的不同灵敏度，求解得到标签层、背景层的变化量。

2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤（1）中所述传感器使用的金属薄膜材料为所有能产生表面等离子共振的金属或其合金材料，且材料的介电系数已知。

3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤（1）中所述传感器使用的介质层采用介电材料或聚合物材料。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，步骤（4）所得到的反射强度信息必须至少包括一个波导耦合表面等离子共振峰和一个波导耦合共振峰，且两个共振峰位置偏移量分别对标签层和背景层变化量的灵敏度所形成的灵敏度矩阵不简并。

5.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，从可能存在的多个波导耦合共振峰中选择与波导耦合表面等离子共振峰的相邻两个波导耦合共振峰中灵敏度较大的一个作为测量其位置的波导耦合共振峰，并用于求解有关标签层和背景层的变化量。

6.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，将反应前后的波导耦合表面等离子共振峰和波导耦合共振峰的角度偏移量分别近似为背景层和标签层的变化量的线性函数，构成两个二元一次方程，并通过求解该二元一次方程组求得有关标签层和背景层的变化量。

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