CN114544557A - 一种宽光谱高灵敏度高通量生物化学传感器及其传感方法 - Google Patents

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CN114544557A CN202210214605.5A CN202210214605A CN114544557A CN 114544557 A CN114544557 A CN 114544557A CN 202210214605 A CN202210214605 A CN 202210214605A CN 114544557 A CN114544557 A CN 114544557A
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沈汉宁
黄维
仪明东
周馨慧
何浩培
刘辉
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Abstract

本发明提出一种宽光谱、高灵敏度、高通量的生物化学传感器及其传感方法，包括宽带光源、容器、金属颗粒层、阵列式探测芯片以及与阵列式探测芯片连接的计算单元；通过探测从金属颗粒层各部位所射出的经过局域表面等离子体共振并经过散射、衍射、干涉效应后照射在各像素元位置处的光的强度，代入到矩阵方程的增广矩阵中并求解该矩阵方程，根据所获得的计算结果与初始计算结果相比是否有变化从而检测待测溶液或待测气体的折射率变化或物性变化。本发明解决了现有生物化学传感器体积较大、检测需要加入标记、制作复杂、成本较高、通量较低、灵敏度低、检测波段较窄、检测对象较为单一、不能实时检测等技术问题。

Description

一种宽光谱高灵敏度高通量生物化学传感器及其传感方法
技术领域
本发明涉及一种宽光谱、高灵敏度、高通量的生物化学传感器及其传感方法，涉及生化传感技术领域。
背景技术
在医学分析、环境监视、生物技术、药品制造和食品加工等领域，经常需要对一些含有某些特殊化学或生物物质进行检测和传感。而如果采用传统的化学的方法进行检测和传感，需要在待测物的化学溶液中加入标记物，但加入标记物会污染原有化学溶液，甚至影响检测的准确性，因此人们更希望采用无标记的方法实时了解待测溶液或待测气体的物性变化。由于待测溶液或气体的物性发生变化时，待测溶液或气体原有化学成分会发生微量改变。此时，原有待测溶液或气体的主要化学成分中可能增加了微量的其它某些特殊化学或生物物质的化学成分。而当待测溶液或气体的原有化学成分发生微量改变时，常常伴随着原有溶液或气体的折射率发生变化。因此，通过实时检测待测溶液或气体的折射率就可以间接对该待测溶液或气体的物性变化进行传感。显然，如果要提高传感的灵敏度，就需要传感器能够检测到非常小的折射率变化。而由于传感器中的探测器本身的灵敏度局限，所以检测如此小的折射率变化对于常规的传感器很难实现的。因此，人们开发了基于表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)效应的生化传感器。它的原理是：当发生表面等离子体共振效应时，金属和待测物质界面处的折射率变化会改变等离子体共振频率，从而使得当待测物质折射率发生变化时，对于特定频率的光来说，表面等离子体共振效应处于发生与不能发生的临界点，因此通过表面等离子体共振效应传感器中的探测器可以探测到更加明显的光强变化，从而使用普通分辨率的光强探测器也可以实现高灵敏度的生化传感。但传统的基于表面等离子体共振效应的传感器尚有很多缺点。比如，传统的基于Kretschmann结构模型的反射式表面等离子体共振传感系统，在传感时为了满足相位匹配条件以实现表面等离子体共振，需要用到体积较大的棱镜，而且该系统光路复杂，调节光路困难。当光路构建好后，它只能针对特定折射率的生化物质在较窄折射率变化范围内实现高灵敏度传感，因此限制了其在各种复杂情况下的应用。
为了克服上述传感器体积较大、光路复杂的缺点，人们又提出了基于局域表面等离子体共振效应(Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR)的传感器，虽然LSPR传感器不需要像SPR传感器那样构建复杂光路使其满足相位匹配条件，但是由于局域表面等离子体共振效应所对应的光谱共振峰与SPR共振峰相比并不明显，因此当待测溶液或气体的折射率发生变化时，LSPR传感器的探测器无法探测到明显的光强变化，所以LSPR传感器的灵敏度不够高。为了提高LSPR传感器的灵敏度，有人对金属颗粒的结构和形态进行了设计，包括采用柱形纳米金属颗粒、星型纳米金属颗粒等，也尝试将纳米贵金属颗粒与其他物质相互掺杂从而形成较低氧化率的复合纳米金属结构。但由于以上设计的器件制作难度大、成本较高，因此这些设计大部分还停留在理论仿真研究阶段，而很少有人进行实验研究。目前提高LSPR传感器灵敏度较多采用的方法是对金属颗粒的表面进行修饰，使金属表面可以吸附待测溶液或气体中的特定物质，从而使得金属表面的折射率变化相对于待测溶液或气体的折射率变化更加明显。因为表面等离子体波的场分布主要局域在金属表面，因此金属表面的折射率变化与其他位置处的折射率变化相比，可以更加明显地改变LSPR的共振频率。所以，采用表面修饰的方法可以在一定程度上提高LSPR传感器的灵敏度。但是由于传统的LSPR传感器的探测器的入射光通量较小，所以即使对金属颗粒表面进行修饰，探测器本身较小的入射光通量导致探测器信噪比较低，因此在一定程度上也限制了LSPR传感器灵敏度的进一步提高。
传统的LSPR传感器的探测器的入射光通量较小的原因在于传统的LSPR传感器通常采用一个光栅光谱仪作为探测器，通过观测光栅光谱仪所测光谱变化对待测物质的折射率变化进行传感。根据光栅光谱仪的光谱测量原理，减小光栅光谱仪的入射狭缝宽度有利于提高光栅光谱仪的分辨率，从而提高传感器的灵敏度。但减小入射狭缝将减弱入射光的强度，如果狭缝宽度过小有可能使得光栅光谱仪无法探测到信号。因此在实际使用时，通常是在保证光信号能够被探测到的前提下，尽量减小狭缝宽度，以提高光栅光谱仪的光谱分辨率。但将光栅光谱仪用于LSPR传感器中时，LSPR传感器探测器较小的狭缝宽度除了会降低信噪比，还会使得探测器只能探测少数靠近狭缝的金属颗粒发生局域表面等离子体共振效应后出射光的强度。由于局域表面等离子体共振效应的共振频率与颗粒形状和大小相关，因此少数特定大小和形状的金属颗粒所产生的局域表面等离子体共振效应的共振频率相对固定，所以传统LSPR传感器也只能针对特定折射率的生化物质，在较窄折射率变化范围内实现具有一定灵敏度的生物化学传感。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种小型化、无标记、宽光谱、高灵敏度、高通量、多测量对象、能实时检测的生物化学传感器及其传感方法，其解决了背景技术中所述生物化学传感器体积较大、检测需要加入标记、制作复杂、成本较高、通量较低、灵敏度低、检测波段较窄、检测对象较为单一、不能实时检测等技术问题。
本发明的发明目的将通过以下技术方案得以实现：
一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器，该生物化学传感器包括宽带光源、容器、金属颗粒层、阵列式探测芯片以及与阵列式探测芯片连接的计算单元；所述金属颗粒层包含有众多大小不同或形状各异且分布不均的金属颗粒，所述金属颗粒层的金属颗粒固着在透明基底上并置于所述容器内，待测溶液或待测气体经过所述容器并与所述金属颗粒层中的金属颗粒接触，所述金属颗粒层不同部位处的一部分金属颗粒被照射于金属颗粒层表面的光照射后会产生局域表面等离子体共振，同时所述众多大小不同或形状各异且分布不均的金属颗粒又会使得照射于金属颗粒层表面的光发生散射或衍射，从金属颗粒层不同部位所射出的光之间又会发生干涉；所述阵列式探测芯片的各个不同像素元分别探测从金属颗粒层各部位所射出的经过局域表面等离子体共振并经过散射、衍射、干涉效应后照射在各像素元位置处的光的强度；所述计算单元事先将不同频率的单色光经过所述金属颗粒层后在不同像素元位置处的强度除以其入射到金属颗粒层之前的强度，相除后所得到的比值分别代入到矩阵方程的系数矩阵C中，并将初始时刻所述阵列式探测芯片中各个不同像素元处的光的强度分别代入到初始时刻对应的矩阵方程的增广矩阵Y0中，通过求解矩阵方程CX0＝Y0的方法获得初始计算结果X0，在传感过程中保持得到初始计算结果所采用的矩阵方程的系数矩阵C不变，而将不同时刻所述阵列式探测芯片中的各像素元处的光的强度分别代入到不同时刻所对应的不同增广矩阵Y1，Y2…Yk中，检测通过这些增广矩阵求解矩阵方程CX1＝Y1，CX2＝Y2…CXk＝Yk后所获得的计算结果X1，X2…Xk与初始计算结果X0相比是否有变化，根据检测结果感知待测溶液或待测气体的折射率变化或物性变化，其中k为大于3的整数，Yk表示第k个时刻增广矩阵，Xk表示第k个时刻计算结果。
优选地，所述金属颗粒层中众多大小不同或形状各异且分布不均的金属颗粒表面有一层界面修饰层，界面修饰层对待测溶液或待测气体中特定物质具有吸附作用。
优选地，所述生物化学传感器还包括一个滤波器，所述滤波器位于宽带光源和金属颗粒层之间，所述滤波器的透射光谱频率范围小于所述宽带光源的发射光谱频率范围，从所述宽带光源所发出的宽光谱的光经过所述滤波器后照射到所述金属颗粒层的表面。
优选地，所述滤波器由多个滤波片和一个控制器组成，在控制器的不同控制参数作用下，具有不同透射谱线的滤波片在不同时刻分别放置于宽带光源和金属颗粒层之间的光路中，使得在控制器不同控制参数作用下入射到金属颗粒层表面的光的光谱各不相同，在任一滤波片控制器控制参数持续作用下如果计算单元在不同时刻所得计算结果发生变化即视为待测溶液或待测气体的折射率发生了变化或待测溶液或待测气体的物性发生了改变。
优选地，所述滤波器中每个滤波片的透射光谱只有一个谱峰，在控制器某个控制参数作用下，选定某一滤波片置于光路中，所选定的滤波片的透射光谱峰值所对应的频率位于该待测溶液或待测气体发生局域表面等离子体共振时所对应的共振频率附近。
优选地，所述传感器还包括设置于所述金属颗粒层与阵列式探测芯片之间的光波长转换部件，所述光波长转换部件包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料；所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内。
优选地，所述生物化学传感器还包括设置于金属颗粒层之前的准直装置，所述准直装置使得从所述宽带光源或所述滤波器射出的光以固定角度均匀入射到金属颗粒层表面的不同部位，而将其它光滤除。
优选地，所述金属颗粒层可采用静电吸附、气相沉积、纳米光刻、离子刻蚀、倾斜角蒸镀这些方法中的一种或多种组合制备，所述众多金属颗粒中最大金属颗粒直径是最小金属颗粒直径的十倍以上。
优选地，所述金属颗粒层为银粒子膜，所述金属颗粒为银粒子，所述金属颗粒层的制备方法包括：首先将500mm聚苯乙烯微球以单层的方式紧密堆积在0.5mm厚SiO2片上，形成六方密堆微球模板，然后在40mTorr的压力下对基片上的微球模板进行O2等离子体刻蚀，氧气流量为10sccm，功率为25W，射频功率为10W，持续350s，对单层密堆积微球模板进行不同的反应离子刻蚀，以此获得不同大小的微球，进而控制所能形成不同直径大小的纳米Ag球体，随后采用电子束沉积系统在基片表面依次物理沉积Ti薄膜、Ag薄膜，可先将带有PS微球模板的基片定位到沉积室中，基片表面垂直于入射方向，在高真空条件下沉积厚度为10nm的Ti薄膜，随后以0.3nm/s速度沉积厚度为70nm的Ag膜。膜厚度和沉积速率通过石英晶体微量天平进行监控。之后用胶带除去基底表面微球模板，将基片浸泡在甲苯溶液中去除残余的微球模板。经过水洗后，获得粒子直径大小不同，分布不均匀的Ag纳米球。
优选地，所述金属颗粒层的另一种制备方法包括：将50毫升10-2mol·L-1AgNO3注入装有450毫升水的烧瓶，搅拌并加热至沸腾，然后注入10毫升l％柠檬酸钠溶液，持续搅拌并加热沸腾40分钟，制备出黄绿色的银胶体，由于制备的银胶体带有负电性，因此可以利用正电性电解质PDDA与带负电的银颗粒间的静电相互作用进行组装，步骤如下:先对玻璃基底进行清洗，将基底依次在体积比1:1的乙醇一丙酮溶液、乙醇和水中超声清洗20分钟，然后置入沸腾的Piranha溶液(浓度为98％的H2SO4与30％的H2O2按体积比3:1配制)浸泡30分钟，取出用去离子水冲洗3次，氩气吹干，然后将干燥基底浸入1％PDDA溶液浸泡30分钟使表面带上正电荷，取出用去离子水冲洗3次，氩气吹干，再将覆盖有PDDA的基底浸入银胶体中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗3次，氩气吹干。
本发明揭示了一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器的传感方法，该传感方法包括以下步骤：
步骤1：将所述宽带光源发射谱的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段，n为大于3的整数，各频段的中心频率为f1,f2,…fn；
步骤2：假设入射到所述金属颗粒层表面各部位的光的光强均匀、光谱均一，第t个时刻(t为整数)时所述阵列式探测芯片中n个像元所探测到的光强度减去环境噪声后的值，记为It1,It2,…Itn；
步骤3：通过求解以下矩阵方程可得到该时刻入射到金属颗粒层表面的各中心频率为f1,f2,…fn的频段的光分量的复原强度It(f1),It(f2),…It(fn):
Figure BDA0003530718890000061
其中
Figure BDA0003530718890000062
为系数矩阵，
系数矩阵C中各单元Cij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)为：初始时刻(t＝0)时中心频率为fj的窄带校准光经过金属颗粒层以及金属颗粒层和阵列探测芯片之间的其他器件之后被所述阵列式探测芯片的第i个像素元所探测到的光强度，与中心频率为fj的窄带校准光入射到所述金属颗粒层之前光强度，这两个光强度分别减去环境噪声后的比值，通过实验预先测得；
步骤4：对It(f1),It(f2),…It(fn)进行线性拟合并归一化，得到该时刻的复原曲线；
步骤5：保持所述系数矩阵中的数据不变，分别将不同时刻(t＝1,2…k)所述阵列式探测芯片中n个像元所探测到的光强度减去环境噪声后的值分别代入到所述矩阵方程的增广矩阵中，重复步骤3和步骤4从而得到不同时刻所对应的复原曲线，并将不同时刻所对应的复原曲线的峰值与初始时刻所对应的复原曲线的峰值作对比，观察是否有变化，如果有变化表明待测溶液或待测气体有折射率变化或物性变化。
优选地，在上述步骤3中，采用数学优化算法求解所述矩阵方程，所述数学优化算法使得初始时刻所对应的复原曲线与入射到金属颗粒层的光的归一化光谱曲线更加接近，所述数学优化算法可以是正则化算法、模拟退火算法、机器学习算法、凸优化算法、遗传算法、交叉方向乘子算法中的一种或多种相结合的算法，也可以是在上述算法基础上加入光滑系数优化项之后的改进算法，所述光滑系数优化项使得复原曲线连续并光滑。
本发明所述的传感器采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明中的传感器具有小型化、光路设计简单、成本较低的特点。而传统的基于Kretschmann结构模型的反射式表面等离子体共振传感系统在传感时为了满足相位匹配条件以实现表面等离子体共振需要用到体积较大的棱镜。而且Kretschmann系统结构光路复杂，只能在一定入射角度才能满足相位匹配条件，调节光路较为困难。本发明所述的传感器不需要采用体积较大的棱镜或光栅，金属颗粒层和阵列式探测芯片等器件都体积较小，有利于将整个器件集成在较小体积范围内，而且阵列式探测芯片可采用CCD或CMOS等成熟产品，而金属颗粒层中的金属颗粒大小任意、形状任意、分布任意，不需要刻意控制金属颗粒的大小、形状和分布，因此制作金属颗粒层的成本较低，制备工艺简单成熟。在检测时也不需要调节光路使其满足相位匹配条件，光路构建简单。
(2)本发明中的传感器具有检测对象丰富以及宽光谱的特点。传统的基于SPR和LSPR的传感器只有当待测溶液在一个较窄的折射率变化范围内变化时才具有较高的灵敏度。这是因为传统的基于SPR和LSPR的传感器的共振频率是一个或几个满足共振条件的值，而且对于传统的基于SPR和LSPR的传感器来说不同的待测溶液折射率分别对应着不同的表面等离子体共振频率，因此传统的基于SPR和LSPR的传感器就只能用于测定与这些共振频率相对应的具有特定折射率的待测物质。因此限制了传统的基于SPR和LSPR的传感器的应用范围。而本发明所公开的传感器采用了众多大小不同或形状各异且分布不均的金属颗粒作为产生LSPR的器件，因为LSPR的共振频率与金属颗粒的大小、形状有关，而本发明中的金属颗粒层中有很多个大小不同、形状各异的金属颗粒，而不同的具有一定大小或形状的金属颗粒都分别对应着不同的共振频率，因此如果金属颗粒数量很多而且大小或形状随机，本发明所述的传感器就有连续波段的共振频率。因此，不管待测物质的折射率在什么范围，本发明中的金属颗粒层都可以使得宽频的入射光发生LSPR，所以本发明所述传感器可以在较宽的折射率变化范围内都具有较高的传感灵敏度。
(3)本发明中的传感器具有高灵敏度和高通量的特点。传统的基于LSPR的传感器由于采用光栅光谱仪作为探测器无法实现高灵敏度和高通量。因此传统的基于LSPR的传感器信噪比低、灵敏度也不高。而本发明不采用光栅光谱仪作为探测器，而采用一个阵列式探测芯片作为探测器。由于阵列式探测芯片表面的不同位置处有很多个像素元可以分别用于探测光的强度信号，因此可以实现高通量传感。而且阵列式探测芯片的各个不同像素元可以分别探测从金属颗粒层各部位所射出的经过局域表面等离子体共振并经过散射、衍射、干涉效应后的光的强度，由于散射、衍射效应使得入射到金属颗粒层的光改变了原有的入射方向而向四面八方扩散，所以每个像素元所探测到的光并不来自于金属颗粒层的同一个部位。而且，由于众多金属颗粒大小不同或形状各异且分布不均，不管待测溶液的折射率是在什么范围内，金属颗粒层上必定有某些部位处的金属颗粒与待测溶液满足共振条件而发生了LSPR，因此每个像素元都可以接收到发生LSPR效应和散射效应的光的强度。特别是，来自于金属颗粒层的不同部位的同频率光之间在像素元位置处会发生干涉效应，而这些干涉效应中有一部分是相长干涉。所以如果采用传统的LSPR传感器的单一探测器可能无法探测到明显的传感信息，但由于阵列式探测芯片上有很多个不同的像素元，有些像素元位置处由于刚好发生相长干涉会接收到明显的传感信息。但还有很多像素元处由于照射过来的光没有满足相长干涉的条件可能使得像素元无法探测到微弱的传感信号，而如果将这些像素元(普通CCD的像素元个数通常有百万个)的数据逐一比对，工作又太大，因此本专利采用求解矩阵方程的方法获得复原曲线。当矩阵方程中增广矩阵中任意单元的数据发生变化时，必定会使得求解该矩阵方程所获得的复原曲线发生变化，因此通过比对不同时刻所对应的复原曲线的峰值即可对所要检测的待测溶液或气体的折射率和物性变化进行传感。但是，与传统的LSPR传感器通过测量和比较不同时刻的光谱进行传感不同，本发明所测量的并不完全是不同时刻入射到金属颗粒层表面的光的光谱(初始时刻所测量的是入射到金属颗粒层表面的光的光谱)。如果测量的是不同时刻入射到金属颗粒层表面光的光谱，那么就需要测量不同时刻所对应的系数矩阵单元代入到矩阵方程中进行计算。但本发明只是将不同时刻所对应的不同增广矩阵代入到矩阵方程中进行计算，并没有重新测量不同时刻所对应的系数矩阵，因此所获得的不同时刻复原曲线并不完全是光谱曲线。本发明是通过阵列式探测芯片上众多像素元所测量获得的强度变化进行传感，但是因为阵列式探测芯片上的像素元过多，难以分别进行比较，因此才通过复原曲线峰值是否变化进行传感信息的甄别。由于像素元较多且采用了相长干涉的原理，因此相较于传统的基于LSPR的传感器，本发明所公开的传感器具有高通量和高灵敏度的优点。
(4)本发明中的传感器具有无标记和实时监测的特点。传统采用化学方法进行传感检测时需要加入标记物，而且不能实时测量。相比之下本发明不需要加入标记物，就可以实时监测待测物质的折射率变化，进而揭示待测物质可能存在的相变行为以及生物、化学分子的相互作用过程。
附图说明
图1为本发明所提出的宽光谱高灵敏度高通量生物化学传感器的结构原理示意图。
图2为本发明所提出的具有滤波器和光波长转换部件的宽光谱高灵敏度高通量生物化学传感器的三维结构原理示意图。
图3为本发明所提出的宽光谱高灵敏度高通量生物化学传感器的宽带光源发射谱的频率划分示意图；其中横坐标表示频率，纵坐标是光强；用微积分的方法将所述宽带光源发射谱的频率范围等分为n等份，每一份取其中心频率，每一份的频宽为△f,fj是其中任意一个小矩形的中心频率，它的幅值为I0(fj)。
附图说明：1为宽带光源，2为容器，3为金属颗粒层，4阵列式探测芯片，5为滤波器，6为光波长转换部件，7为第一凸透镜，8为第二凸透镜，9为第一小孔光阑，10为待测溶液，11为照射于金属颗粒层表面的光，12为溶液流动方向示意箭头，13为从金属颗粒层不同部位所射出的光，20为金属颗粒，21为透明基底，22为像素元，23为管子，31为第一个滤波片，32为第二个滤波片，33为第三个滤波片，34为第四个滤波片，35为第五个滤波片，36为最后一个滤波片。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。该实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器，如图1所示，该传感器包括宽带光源1、容器2、金属颗粒层3、阵列式探测芯片4以及与阵列式探测芯片连接的计算单元，计算单元在图1中未示出。所述金属颗粒层3包含有众多大小不同或形状各异且分布不均的金属颗粒20，所述金属颗粒层的金属颗粒固着在透明基底21上并置于所述容器2内，待测溶液10或待测气体经过管子23从容器2一端流入，另一端流出，待测溶液10或待测气体与所述金属颗粒层3中的金属颗粒20接触，宽带光源1对容器2内金属颗粒层3进行照射，所述金属颗粒层3不同部位处的一部分金属颗粒20被照射于金属颗粒层表面的光11照射后会产生局域表面等离子体共振，同时所述众多大小不同或形状各异且分布不均的金属颗粒20又会使得照射于金属颗粒层表面的光11发生散射或衍射，从金属颗粒层不同部位所射出的光13之间又会发生干涉；所述阵列式探测芯片4的各个不同像素元22分别探测从金属颗粒层各部位所射出的经过局域表面等离子体共振并经过散射、衍射、干涉效应后照射在各像素元位置处的光的强度；所述计算单元事先将不同频率的单色光经过所述金属颗粒层后在不同像素元位置处的强度除以其入射到金属颗粒层之前的强度，相除后所得到的比值分别代入到矩阵方程的系数矩阵C中，并将初始时刻所述阵列式探测芯片中各个不同像素元处的光的强度分别代入到初始时刻对应的矩阵方程的增广矩阵Y0中，通过求解矩阵方程CX0＝Y0的方法获得初始计算结果X0，在传感过程中保持得到初始计算结果所采用的矩阵方程的系数矩阵C不变，而将不同时刻所述阵列式探测芯片中的各像素元处的光的强度分别代入到不同时刻所对应的不同增广矩阵Y1，Y2…Yk中，检测通过这些增广矩阵求解矩阵方程CX1＝Y1，CX2＝Y2…CXk＝Yk后所获得的计算结果X1，X2…Xk与初始计算结果X0相比是否有变化，根据检测结果感知待测溶液或待测气体的折射率变化或物性变化，其中k为大于3的整数，Yk表示第k个时刻增广矩阵，Xk表示第k个时刻计算结果。
在本技术方案中，采用了局域表面等离子体共振、散射、衍射、干涉等多种物理效应。下面分别简单介绍一下原理：
局域表面等离子共振是指当光线入射到由贵金属构成的纳米颗粒上时，如果入射光子频率与贵金属纳米颗粒或金属传导电子的整体振动频率相匹配时，纳米颗粒或金属会对光子能量产生很强的吸收作用，就会发生局域表面等离子体共振的现象，这时会在光谱上出现一个强的共振吸收峰。该吸收光谱峰值处的吸收波长取决于金属颗粒的微观结构特性，例如组成、形状、结构、尺寸、局域传导率。因此，当金属颗粒层的金属颗粒很多，而且金属颗粒的形状、结构、尺寸都随机分布时，金属颗粒层上的金属颗粒可以对全光谱的光产生局域表面等离子共振。换句话说，金属颗粒层上总有至少一个金属颗粒其组成、形状、结构、尺寸、局域传导率满足产生局域表面等离子共振的条件，它可以对某些频率的光产生局域表面等离子共振。
散射是光束通过颗粒时，部分光束将偏离原来方向而分散传播。散射主要有瑞利散射和米氏散射。当发生瑞利散射时，金属颗粒为光的波长的十分之一左右。对入射光散射所遵循的规律是，散射光和入射光频率相同，散射光的强度和散射方向有关，并和频率的四次方成正比。而当金属颗粒的直径与光的波长相当时发生的散射为米氏散射，米氏散射的辐射强度与频率的二次方成正比，散射在光线向前的方向比向后的方向更强，方向性比较明显。不管是哪一种散射，都可以使得入射到金属颗粒的光向各个方向发散。因此，不管经过局域表面等离子共振效应后的光，还是不满足局域表面等离子共振条件的光，经过金属颗粒层大小不同、形状各异的金属颗粒后都会发生散射效应。而且，不管所发生的是瑞利散射还是米氏散射，不同大小和形状的金属颗粒对相同频率的入射光会形成不同的散射光强角分布，而相同大小和形状的金属颗粒对不同频率的入射光所形成散射光强角分布也不相同。
当金属颗粒较大、颗粒之间的缝隙会使得入射到金属颗粒层的光发生衍射，衍射也会使得入射光偏离原来的传播方向。且不同大小的颗粒缝隙对相同频率的入射光会形成不同的衍射光强角分布，而相同大小的颗粒缝隙对不同频率的入射光所形成散射光强角分布也不相同。
经过上述局域表面等离子共振、散射或衍射的光之间会发生干涉。干涉是两列或两列以上的同频率的光波在空间中相遇时发生叠加或抵消的现象。当两列光波在同一介质中传播发生重叠时，重叠范围内介质的质点同时受到两个光波的作用。若波的振幅不大，此时重叠范围内介质质点的振动位移等于各别波动所造成位移的矢量和，这称为波的叠加原理。若两波的波峰(或波谷)同时抵达同一地点，称两波在该点同相，干涉波会产生最大的振幅，称为相长干涉；若两波之一的波峰与另一波的波谷同时抵达同一地点，称两波在该点反相，干涉波会产生最小的振幅，称为相消干涉。
因此，当待测物质的物性发生变化时，局域表面等离子共振条件发生了变化，对于不同的金属颗粒产生局域表面等离子共振的共振频率或共振波长也会发生相应变化，而由这些经过局域表面等离子共振和未经过局域表面等离子共振的光之间产生的相干光强也会随之改变。可能在某个像素元位置处，在初始时刻能产生相长干涉，而在另一个时刻由于待测物质的折射率发生变化，光经过的金属颗粒处对应的局域表面等离子共振频率改变，而使得原来在初始时刻能发生相长干涉的位置处不能形成相长干涉。同样，在另一个像素元位置处，原来在初始时刻不能形成相长干涉，而在另一个时刻由于光经过的金属颗粒处对应的局域表面等离子共振频率改变，而使得该像素元位置处可以形成相长干涉。由于干涉效应可以使得像素元更容易探测到光强的变化，因此可以提高传感器的灵敏度。
在本技术方案中，所述宽带光源1为白光LED、容器2为玻璃容器、金属颗粒层3中金属颗粒为银颗粒、阵列式探测芯片4为CCD探测器、待测溶液为人口腔上皮细胞组织液、待测溶液中的特定物质为双链结构DNA。
在本技术方案中，所述金属颗粒层中众多大小不同或形状各异且分布不均的金属颗粒表面还有一层界面修饰层，界面修饰层对待测溶液中特定物质具有吸附作用。
在本技术方案中，界面修饰层由四面体DNA探针(TDP)构成，它可吸附待测溶液中的特定物质(人口腔上皮细胞组织液中所含的双链结构DNA)。在本技术方案中，四面体DNA探针通过四条单链核酸(ssDNA)杂交自组装形成。
制作方法如下：将等摩尔量的四种ssDNA混合于300μL的TM缓冲液中，置于95℃混匀仪中加热5min，之后自然冷却至室温，所组装得到的四面体DNA探针的浓度为1μmol·L-1。四面体DNA探针的三个底端均修饰有巯基，可通过Ag-S共价键固定在Ag纳米球表面。
在本技术方案中，所述传感器还包括一个滤波器5，所述滤波器位于宽带光源和金属颗粒层之间，所述滤波器的透射光谱频率范围小于所述宽带光源的发射光谱频率范围，从所述宽带光源所发出的宽光谱的光经过所述滤波器后照射到所述金属颗粒层的表面。
在本技术方案中，所述传感器还包括设置于金属颗粒层之前的准直装置，所述准直装置使得从所述宽带光源或所述滤波器射出的光以固定角度均匀入射到金属颗粒层表面的不同部位，而将其它光滤除。在本技术方案中，所述准直装置包括第一凸透镜7，第二凸透镜8，第一小孔光阑9。
在本技术方案中，所述滤波器由多个滤波片和一个控制器组成，在控制器的不同控制参数作用下，具有不同透射谱线的滤波片在不同时刻分别放置于宽带光源和金属颗粒层之间的光路中，使得在控制器不同控制参数作用下入射到金属颗粒层表面的光的光谱各不相同，在任一滤波片控制器控制参数持续作用下如果计算单元在不同时刻所得计算结果发生变化即视为待测溶液或待测气体的折射率发生了变化或待测溶液或待测气体的物性发生了改变。
如图2所示，在本技术方案中，所述滤波器14是一个圆形透明基底并覆盖一系列滤波片。圆形透明基底表面上有一系列滤波片，包括第一个滤波片31，第二个滤波片32，第三个滤波片33，第四个滤波片34，第五个滤波片35，…第k个滤波片36，k为整数，其中任一个滤波片的不同部位的光谱透射曲线相同，但不同滤波片的光谱透射曲线不同。控制器件采用步进电机，步进电机通过电和机械手段旋转圆形透明基底，步进电机每次旋转圆形透明基底就切换到相应的滤波片对入射光进行滤波。
在本技术方案中，所述滤波器中每个滤波片的透射光谱只有一个谱峰，在控制器某个控制参数作用下，即步进电机步进于某一位置时，选定某一滤波片置于光路中，所选定的滤波片的透射光谱峰值所对应的频率位于该待测溶液或待测气体发生局域表面等离子体共振时所对应的共振频率附近。
在本技术方案中，所述传感器还包括设置于所述金属颗粒层与阵列式探测芯片之间的光波长转换部件，所述光波长转换部件包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料，所述波长转换光学材料可采用现有或将有的各种上转换或下转换材料，只要满足部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，而发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内，则均可有效扩展光谱仪的测量范围，光波长转换部件也可以同时采用上转换光学材料和下转换光学材料制备。
具体的，本实施例中光波长转换部件采用的是透射型的红外或紫外显示卡。如龙彩科技(HCP)生产的HCP-IR-1201中红外显示卡，该中红外显示卡由反斯托克斯发光的上转换发光材料制成，最高灵敏度为67W/cm2，有效光激发波段为700nm-1600nm，发射光强度与激发光强度呈正比。假如阵列式探测芯片采用型号为SONY-ICX285AL的CCD芯片，它的探测波段大约是400nm-1000nm，所以采用上述中红外显示卡作为光波长转换部件，可使传感器的波长测量范围扩展约至400nm-1600nm，比CCD芯片本身的探测波长范围更宽。
除了采用以上上转换发光材料制备光波长转换部件，作为另一个实施例，采用以下两种基于9，9-二甲基芴-2，7-二羧酸配体的下转换发光材料制备光波长转换部件：{[Eu2(MFDA)2(HCOO)2(H2O)6]·H2O}n(H2MFDA＝9,9-dimethylfluorene-2,7-dicarboxylicacid)和(MOF)Eu3(MFDA)4(NO3)(DMF)3(H2MFDA＝9,9-dimethylfluorene-2,7-dicarboxylic acid)。有关这两种下转换发光材料的制作方法与性能请分别参见下述两篇论文：[X.H.Zhou,L.Li,H.H.Li,A.Li,T.Yang,W.Huang,A flexible Eu(III)-basedmetal-organic framework:turn-off luminescent sensor for the detection of Fe(III)and picric acid,Dalton Trans.,42,p.12403-12409,2013]和[X.H.Zhou,H.H.Li,H.P.Xiao,L.Li,Q.Zhao,T.Yang,J.L.Zuo,W.Huang,A microporous luminescenteuropium metal–organic framework for nitro explosive sensing,Dalton Trans.,42,p.5718-5723,2013]。假如采用第二种下转换发光材料，其激发波段范围大约是250nm-450nm，发射波段范围大约是590nm-640nm，所以如果采用该下转换光学材料制成光波长转换部件，可使传感器的波长测量范围扩展约至250nm-1000nm。
在本技术方案中，波长转换光学材料可采用现有或将有的各种上转换或下转换材料，只要满足部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，而发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内，则均可有效扩展传感器的光谱测量范围。光波长转换部件也可以同时采用上转换光学材料和下转换光学材料制备。
在本技术方案中，所述金属颗粒层可采用静电吸附、气相沉积、纳米光刻、离子刻蚀、倾斜角蒸镀这些方法中的一种或多种组合制备，所述众多金属颗粒中最大金属颗粒直径是最小金属颗粒直径的十倍以上。
具体的，所述金属颗粒层为银粒子膜，所述金属颗粒为银粒子，所述金属颗粒层的制备方法包括：首先将500mm聚苯乙烯微球以单层的方式紧密堆积在0.5mm厚SiO2片上，形成六方密堆微球模板，然后在40mTorr的压力下对基片上的微球模板进行O2等离子体刻蚀，氧气流量为10sccm，功率为25W，射频功率为10W，持续350s，对单层密堆积微球模板进行不同的反应离子刻蚀，以此获得不同大小的微球，进而控制所能形成不同直径大小的纳米Ag球体，随后采用电子束沉积系统在基片表面依次物理沉积Ti薄膜、Ag薄膜，可先将带有PS微球模板的基片定位到沉积室中，基片表面垂直于入射方向，在高真空条件下沉积厚度为10nm的Ti薄膜，随后以0.3nm/s速度沉积厚度为70nm的Ag膜。膜厚度和沉积速率通过石英晶体微量天平进行监控。之后用胶带除去基底表面微球模板，将基片浸泡在甲苯溶液中去除残余的微球模板。经过水洗后，获得粒子直径大小不同，分布不均匀的Ag纳米球。
具体的，所述金属颗粒层的另一种制备方法包括:将50毫升10-2mol·L-1AgNO3注入装有450毫升水的烧瓶，搅拌并加热至沸腾，然后注入10毫升l％柠檬酸钠溶液，持续搅拌并加热沸腾40分钟，制备出黄绿色的银胶体，由于制备的银胶体带有负电性，因此可以利用正电性电解质PDDA与带负电的银颗粒间的静电相互作用进行组装，步骤如下:先对玻璃基底进行清洗，将基底依次在体积比1:1的乙醇一丙酮溶液、乙醇和水中超声清洗20分钟，然后置入沸腾的Piranha溶液(浓度为98％的H2SO4与30％的H2O2按体积比3:1配制)浸泡30分钟，取出用去离子水冲洗3次，氩气吹干，然后将干燥基底浸入1％PDDA溶液浸泡30分钟使表面带上正电荷，取出用去离子水冲洗3次，氩气吹干，再将覆盖有PDDA的基底浸入银胶体中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗3次，氩气吹干。
本发明还提供了一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器的传感方法，该传感方法具体包括以下步骤：
步骤1：如图3所示，将所述宽带光源发射谱的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段，n为大于3的整数，各频段的中心频率为f1,f2,…fn；
步骤2：假设入射到所述金属颗粒层表面各部位的光的光强均匀、光谱均一，第t个时刻(t为整数)时所述阵列式探测芯片中n个像元所探测到的光强度减去环境噪声后的值，记为It1,It2,…Itn；
步骤3：通过求解以下矩阵方程可得到该时刻入射到金属颗粒层表面的各中心频率为f1,f2,…fn的频段的光分量的复原强度It(f1),It(f2),…It(fn)：
Figure BDA0003530718890000151
其中
Figure BDA0003530718890000152
为系数矩阵，
系数矩阵C中各单元Cij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)为：初始时刻(t＝0)时中心频率为fj的窄带校准光经过金属颗粒层以及金属颗粒层和阵列探测芯片之间的其他器件之后被所述阵列式探测芯片的第i个像素元所探测到的光强度，与中心频率为fj的窄带校准光入射到所述金属颗粒层之前光强度，这两个光强度分别减去环境噪声后的比值，通过实验预先测得；
步骤4：对It(f1),It(f2),…It(fn)进行线性拟合并归一化，得到该时刻的复原曲线；
步骤5：保持所述系数矩阵中的数据不变，分别将不同时刻(t＝1,2…k)所述阵列式探测芯片中n个像元所探测到的光强度减去环境噪声后的值分别代入到所述矩阵方程的增广矩阵中，重复步骤3和步骤4从而得到不同时刻所对应的复原曲线，并将不同时刻所对应的复原曲线的峰值与初始时刻所对应的复原曲线的峰值作对比，观察是否有变化，如果有变化表明待测溶液或待测气体有折射率变化或物性变化。
在本技术方案中，在上述步骤3中，采用数学优化算法求解所述矩阵方程，所述数学优化算法使得初始时刻所对应的复原曲线与入射到金属颗粒层的光的归一化光谱曲线更加接近。
具体的，所述数学优化算法可以是正则化算法、模拟退火算法、机器学习算法、凸优化算法、遗传算法、交叉方向乘子算法中的一种或多种相结合的算法，也可以是在上述算法基础上加入光滑系数优化项之后的改进算法，所述光滑系数优化项使得复原曲线连续并光滑。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器，其特征在于：所述生物化学传感器包括宽带光源、容器、金属颗粒层、阵列式探测芯片以及与阵列式探测芯片连接的计算单元；
所述金属颗粒层包含有众多大小不同或形状各异且分布不均的金属颗粒，所述金属颗粒层的金属颗粒固着在透明基底上并置于所述容器内，待测溶液或待测气体经过所述容器并与所述金属颗粒层中的金属颗粒接触，所述金属颗粒层不同部位处的一部分金属颗粒被照射于金属颗粒层表面的光照射后会产生局域表面等离子体共振，同时所述众多大小不同或形状各异且分布不均的金属颗粒又会使得照射于金属颗粒层表面的光发生散射或衍射，从金属颗粒层不同部位所射出的光之间又会发生干涉；
所述阵列式探测芯片的各个不同像素元分别探测从金属颗粒层各部位所射出的经过局域表面等离子体共振并经过散射、衍射、干涉效应后照射在各像素元位置处的光的强度；
所述计算单元事先将不同频率的单色光经过所述金属颗粒层后在不同像素元位置处的强度除以其入射到金属颗粒层之前的强度，相除后所得到的比值分别代入到矩阵方程的系数矩阵C中，并将初始时刻所述阵列式探测芯片中各个不同像素元处的光的强度分别代入到初始时刻对应的矩阵方程的增广矩阵Y0中，通过求解矩阵方程CX0＝Y0的方法获得初始计算结果X0，在传感过程中保持得到初始计算结果所采用的矩阵方程的系数矩阵C不变，而将不同时刻所述阵列式探测芯片中的各像素元处的光的强度分别代入到不同时刻所对应的不同增广矩阵Y1，Y2…Yk中，检测通过这些增广矩阵求解矩阵方程CX1＝Y1，CX2＝Y2…CXk＝Yk后所获得的计算结果X1，X2…Xk与初始计算结果X0相比是否有变化，根据检测结果感知待测溶液或待测气体的折射率变化或物性变化，其中k为大于3的整数，Yk表示第k个时刻增广矩阵，Xk表示第k个时刻计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器，其特征在于：所述金属颗粒层中众多大小不同或形状各异且分布不均的金属颗粒表面有一层界面修饰层，界面修饰层对待测溶液或待测气体中特定物质具有吸附作用。
3.根据权利要求1所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器，其特征在于：所述生物化学传感器还包括一个滤波器，所述滤波器位于宽带光源和金属颗粒层之间，所述滤波器的透射光谱频率范围小于所述宽带光源的发射光谱频率范围，从所述宽带光源所发出的宽光谱的光经过所述滤波器后照射到所述金属颗粒层的表面；所述滤波器由多个滤波片和一个控制器组成，在控制器的不同控制参数作用下，具有不同透射谱线的滤波片在不同时刻分别放置于宽带光源和金属颗粒层之间的光路中，使得在控制器不同控制参数作用下入射到金属颗粒层表面的光的光谱各不相同，在任一滤波片控制器控制参数持续作用下如果计算单元在不同时刻所得计算结果发生变化即视为待测溶液或待测气体的折射率发生了变化或待测溶液或待测气体的物性发生了改变；所述滤波器中每个滤波片的透射光谱只有一个谱峰，在控制器某个控制参数作用下，选定某一滤波片置于光路中，所选定的滤波片的透射光谱峰值所对应的频率位于该待测溶液或待测气体发生局域表面等离子体共振时所对应的共振频率附近。
4.根据权利要求1所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器，其特征在于：所述生物化学传感器还包括设置于所述金属颗粒层与阵列式探测芯片之间的光波长转换部件，所述光波长转换部件包括波长转换层，所述波长转换层中包含至少一种波长转换光学材料；所述波长转换光学材料的部分或全部吸收光谱超出所述阵列式探测芯片的探测范围，发射光谱全部在所述阵列式探测芯片的探测范围内。
5.根据权利要求1所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器，其特征在于：所述生物化学传感器还包括设置于金属颗粒层之前的准直装置，所述准直装置使得从所述宽带光源或所述滤波器射出的光以固定角度均匀入射到金属颗粒层表面的不同部位，而将其它光滤除。
6.根据权利要求1所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器，其特征在于：所述金属颗粒层可采用静电吸附、气相沉积、纳米光刻、离子刻蚀、倾斜角蒸镀这些方法中的一种或多种组合制备，所述众多金属颗粒中最大金属颗粒直径是最小金属颗粒直径的十倍以上。
7.根据权利要求1和权利要求6所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器，其特征在于：所述金属颗粒层为银粒子膜，所述金属颗粒为银粒子，所述金属颗粒层的制备方法包括：首先将500mm聚苯乙烯微球以单层的方式紧密堆积在0.5mm厚SiO2片上，形成六方密堆微球模板，然后在40mTorr的压力下对基片上的微球模板进行O2等离子体刻蚀，氧气流量为10sccm，功率为25W，射频功率为10W，持续350s，对单层密堆积微球模板进行不同的反应离子刻蚀，以此获得不同大小的微球，进而控制所能形成不同直径大小的纳米Ag球体，随后采用电子束沉积系统在基片表面依次物理沉积Ti薄膜、Ag薄膜，可先将带有PS微球模板的基片定位到沉积室中，基片表面垂直于入射方向，在高真空条件下沉积厚度为10nm的Ti薄膜，随后以0.3nm/s速度沉积厚度为70nm的Ag膜。膜厚度和沉积速率通过石英晶体微量天平进行监控。之后用胶带除去基底表面微球模板，将基片浸泡在甲苯溶液中去除残余的微球模板。经过水洗后，获得粒子直径大小不同，分布不均匀的Ag纳米球。
8.根据权利要求1和权利要求6所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器，其特征在于：所述金属颗粒层的制备方法包括:将50毫升10-2mol·L-1AgNO3注入装有450毫升水的烧瓶，搅拌并加热至沸腾，然后注入10毫升l％柠檬酸钠溶液，持续搅拌并加热沸腾40分钟，制备出黄绿色的银胶体，由于制备的银胶体带有负电性，因此可以利用正电性电解质PDDA与带负电的银颗粒间的静电相互作用进行组装，步骤如下:先对玻璃基底进行清洗，将基底依次在体积比1:1的乙醇一丙酮溶液、乙醇和水中超声清洗20分钟，然后置入沸腾的Piranha溶液(浓度为98％的H2SO4与30％的H2O2按体积比3:1配制)浸泡30分钟，取出用去离子水冲洗3次，氩气吹干，然后将干燥基底浸入1％PDDA溶液浸泡30分钟使表面带上正电荷，取出用去离子水冲洗3次，氩气吹干，再将覆盖有PDDA的基底浸入银胶体中浸泡1小时，取出后用去离子水冲洗3次，氩气吹干。
9.根据权利要求1至8任一项所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器的检测待测溶液或待测气体的折射率变化或物性变化的传感方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将所述宽带光源发射谱的频率范围等分为n个频率宽度为Δf的频段，n为大于3的整数，各频段的中心频率为f1,f2,…fn；
步骤2：假设入射到所述金属颗粒层表面各部位的光的光强均匀、光谱均一，第t个时刻(t为整数)时所述阵列式探测芯片中n个像元所探测到的光强度减去环境噪声后的值，记为It1,It2,…Itn；
步骤3：通过求解以下矩阵方程可得到该时刻入射到金属颗粒层表面的各中心频率为f1,f2,…fn的频段的光分量的复原强度It(f1),It(f2),…It(fn):
Figure FDA0003530718880000041
其中
Figure FDA0003530718880000042
为系数矩阵，
系数矩阵C中各单元Cij(i＝1,2…n)(j＝1,2…n)为：初始时刻(t＝0)时中心频率为fj的窄带校准光经过金属颗粒层以及金属颗粒层和阵列探测芯片之间的其他器件之后被所述阵列式探测芯片的第i个像素元所探测到的光强度，与中心频率为fj的窄带校准光入射到所述金属颗粒层之前光强度，这两个光强度分别减去环境噪声后的比值，通过实验预先测得；
步骤4：对It(f1),It(f2),…It(fn)进行线性拟合并归一化，得到该时刻的复原曲线；
步骤5：保持所述系数矩阵中的数据不变，分别将不同时刻(t＝1,2…k)所述阵列式探测芯片中n个像元所探测到的光强度减去环境噪声后的值分别代入到所述矩阵方程的增广矩阵中，重复步骤3和步骤4从而得到不同时刻所对应的复原曲线，并将不同时刻所对应的复原曲线的峰值与初始时刻所对应的复原曲线的峰值作对比，观察是否有变化，如果有变化表明待测溶液或待测气体有折射率变化或物性变化。
10.根据权利要求9所述的一种宽光谱高灵敏度高通量的生物化学传感器的检测待测溶液或待测气体的折射率变化或物性变化的传感方法，其特征在于：在所述步骤3中，采用数学优化算法求解所述矩阵方程，所述数学优化算法使得初始时刻所对应的复原曲线与入射到金属颗粒层的光的归一化光谱曲线更加接近，所述数学优化算法可以是正则化算法、模拟退火算法、机器学习算法、凸优化算法、遗传算法、交叉方向乘子算法中的一种或多种相结合的算法，也可以是在上述算法基础上加入光滑系数优化项之后的改进算法，所述光滑系数优化项使得复原曲线连续并光滑。
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