張 喆 柳 倩 祁志美

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，傳感技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

(2012年7月18日收到;2012年10月26日收到修改稿)

1 引言

表面等離子體共振(surface plasmon resonance，SPR)是一種廣泛應(yīng)用于生物和化學(xué)傳感器研發(fā)領(lǐng)域的近場光學(xué)傳感技術(shù)，它具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、免標(biāo)記及原位實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)[1-14].它利用一束照射在金屬薄膜/電介質(zhì)界面的全反射光產(chǎn)生的消逝場作為光探針，實(shí)現(xiàn)對生化物質(zhì)的高靈敏度探測.常用于制備SPR傳感芯片的金屬薄膜主要包括金膜和銀膜.金膜因其優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性而具有廣闊的應(yīng)用范圍，但價(jià)格昂貴.相比金膜而言，銀膜具有更高的SPR靈敏度，但化學(xué)穩(wěn)定性差，容易氧化而喪失傳感功能，使用壽命較短.

為了改善芯片的性能，以純金膜和純銀膜交替淀積的多層膜SPR芯片已經(jīng)被報(bào)道[15-17]，可是這種芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作工藝繁瑣，不利于實(shí)際推廣使用.采用化學(xué)方法首先制備出互相包裹的金銀合金納米顆粒，然后通過特殊的方法生長在玻璃基底表面制成的SPR芯片也有報(bào)道[18-21]，但是其化學(xué)合成過程復(fù)雜，且無法實(shí)現(xiàn)批量、可重復(fù)的制備.因此，目前急需一種制作簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定、靈敏度高的SPR芯片.

本文首次采用質(zhì)量組分相等的金銀合金靶材直接在玻璃基底上濺射金銀合金薄膜作為敏感層，基于Kretschmann棱鏡耦合模型構(gòu)建了近紅外波長檢測型SPR傳感器，利用銀的高靈敏度和金的高化學(xué)穩(wěn)定性，一方面提高了傳感器的靈敏度，改善了傳感芯片的抗氧化性，增加其使用壽命，另一方面有效地節(jié)約了金礦資源，極大地降低了制作成本.利用葡萄糖和牛血清蛋白水溶液作為樣品，分別研究了傳感器在近紅外波段的折射率靈敏度和對蛋白質(zhì)分子的吸附靈敏度.為了對比，還在相同的條件下對純金膜SPR傳感器的光譜靈敏特性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明本文提出的金銀合金薄膜SPR傳感器在性能上優(yōu)于傳統(tǒng)的純金膜SPR傳感器.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

厚度為1 mm的玻璃片(日本Matsunami會(huì)社);等腰直角玻璃棱鏡(國產(chǎn));LS-1型鹵鎢燈、AQ6370B型CCD光譜分析儀(日本YOKOGAWA株式會(huì)社);多模石英光纖(國產(chǎn));透鏡、線性偏振片(北京大恒光電技術(shù)公司);硅橡膠測試槽(日本);蠕動(dòng)泵(保定蘭格恒流泵有限公司);數(shù)字阿貝折射儀(上海光學(xué)儀器研究所).葡萄糖(分析純，分子量198.17 Da);牛血清蛋白(bovine serum albumin，簡稱BSA，分子量66000 Da)(美國Sigma公司).溶液配制使用經(jīng)Milli-Q純凈水機(jī)處理的去離子水.

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

2.2.1 芯片制備及儀器搭建

在清洗好的玻璃基片上采用射頻濺射技術(shù)依次濺射3 nm的鉻膜和50 nm的金銀合金膜后即制備出本文所需的SPR芯片.圖1給出了金銀合金薄膜的X射線能量色散譜(EDX)，從圖中可知金銀的質(zhì)量百分比近似為1：1.圖2所示為光譜測量型SPR傳感器的裝置圖.首先將SPR芯片的玻璃基底緊密地貼在棱鏡底面上，并在縫隙處通過滴加高折射率的液體驅(qū)趕玻璃基底與棱鏡底面間的空氣，然后把測試槽壓緊固定在芯片的表面，并使金銀合金膜暴露在測試槽內(nèi).鹵鎢燈發(fā)出的多色光穿過多模石英光纖、聚焦透鏡及線性偏振片后變?yōu)閜偏振的準(zhǔn)平行光束(發(fā)散角小于0.2°)，然后以圖2所示的角度θ照射到玻璃棱鏡上.進(jìn)入棱鏡的光束在SPR芯片的玻璃基片/金銀合金膜界面發(fā)生全反射并在金銀合金膜/待測樣品界面激發(fā)表面等離子體共振，使得全反射光譜在激發(fā)波段呈現(xiàn)出波谷.棱鏡另一端輸出的全反射光束被透鏡聚焦到另一石英光纖的一端被CCD光譜儀記錄.本實(shí)驗(yàn)使用的光譜儀的波長分辨率為0.2 nm，光譜窗口范圍為600—1700 nm.

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用葡萄糖水溶液用于折射率靈敏度測量，其系列濃度為 0 wt.%，0.5 wt.%，1 wt.%，1.5 wt.%，2 wt.%，2.5 wt.%，3 wt.%，3.5 wt.%，4 wt.%，由阿貝折射儀測得的相應(yīng)折射率分別為n=1.3325，1.3332，1.3340，1.3347，1.3354，1.3360，1.3368，1.3375，1.3381，與文獻(xiàn) [22]十分接近.采用BSA水溶液用于蛋白質(zhì)分子吸附特性測量，其濃度為1μmol/L.所有測試均在室溫(～23°C)條件下進(jìn)行，所用測試溶液均由去離子水配制.

圖1 金銀合金薄膜的EDX譜圖

圖2 基于Kretschmann構(gòu)造的金銀合金薄膜近紅外波長檢測型SPR傳感器裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)中采用(1)式計(jì)算得到的吸收光譜來確定傳感器的共振吸收峰的位置.其中IB為背景信號(hào)的反射光強(qiáng)度譜，IR為參比物空氣的反射光強(qiáng)度譜，IS為待測樣品溶液的反射光強(qiáng)度譜.文獻(xiàn)[23]對該方法做過詳細(xì)的闡述，在此不再贅述.圖3所示為在不同入射角度下測量得到的傳感器的歸一化共振吸收光譜，其中樣品溶液為去離子水.圖中顯示隨著入射角度θ從9.5°減小到7.5°，共振吸收峰的位置從767.7 nm紅移至1215 nm處，半高峰寬(fullwave at half maximum，F(xiàn)WHM)從131.4 nm增大到292.8 nm.

圖3 去離子水覆蓋的金銀合金薄膜在不同入射角下的歸一化SPR吸收光譜

3 結(jié)果與討論

3.1 金銀合金薄膜SPR傳感器仿真分析

圖4(a)所示為利用橢偏儀測量得到的金銀合金薄膜和文獻(xiàn)[24]報(bào)道的金膜的介電常數(shù)，實(shí)線為兩種材料的介電常數(shù)的實(shí)部，虛線為介電常數(shù)的虛部.圖4(b)所示為理論計(jì)算得到等效折射率的色散曲線，其中紅色曲線和藍(lán)色曲線為采用(2)式計(jì)算得到的表面等離子體波的有效折射率色散譜，紅色曲線是當(dāng)金屬薄膜為金銀合金時(shí)的計(jì)算結(jié)果，藍(lán)色曲線是當(dāng)金屬薄膜為純金時(shí)的計(jì)算結(jié)果，黑色曲線為采用(3)式計(jì)算的入射光沿傳播方向的等效折射率色散譜，兩條黑色曲線分別是當(dāng)入射角θ為9°和9.75°時(shí)得到的.圖4(b)中當(dāng)入射光沿傳播方向的等效折射率與表面等離子體波的等效折射率相等(即NSPR=Neff)時(shí)激發(fā)表面等離子體共振.圖4(b)中顯示的黑色曲線與紅色(藍(lán)色)曲線相交時(shí)對應(yīng)的波長就是共振波長，當(dāng)介質(zhì)層的折射率(nc)發(fā)生改變時(shí)，共振波長隨之變化.假設(shè)介質(zhì)層的折射率在700—1000 nm的光譜范圍內(nèi)均為nc=1.333，調(diào)節(jié)θ角，使兩種材料的共振波長都位于840 nm處，之后將介質(zhì)層的折射率增加至nc=1.335，此時(shí)兩種材料所對應(yīng)的共振波長分別位于885和867 nm處，計(jì)算結(jié)果表明金銀合金薄膜SPR傳感器的共振波長改變量為45 nm，約為純金膜SPR傳感器的1.67倍，即金銀合金薄膜SPR傳感器具有更高的靈敏度.

其中，NSPR為表面等離子體波的等效折射率，εm為金屬的介電常數(shù)的實(shí)部，nc為樣品溶液的折射率，Neff為入射光的有效折射率，np為棱鏡的折射率，θ為圖2所示的入射角，λ為波長.

圖4 (a)實(shí)驗(yàn)測得的金銀合金膜復(fù)介電常數(shù)色散曲線和金膜復(fù)介電常數(shù)的文獻(xiàn)值;(b)在金銀合金膜/水界面處和在金膜/水界面處傳播的表面等離激元(SPP)有效折射率色散曲線以及入射光在給定角度下的有效折射率色散曲線

3.2 金銀合金薄膜SPR傳感器對葡萄糖水溶液的折射率靈敏度測定

圖5所示為在θ=8.5°條件下對不同濃度的葡萄糖水溶液進(jìn)行測量得到的傳感器的歸一化共振吸收光譜，實(shí)驗(yàn)過程中，依據(jù)濃度由低至高的順序進(jìn)行測試.圖中顯示，當(dāng)葡萄糖水溶液濃度增加時(shí)，共振吸收峰隨之規(guī)律地紅移.將圖中共振峰所對應(yīng)的共振波長的移動(dòng)量對葡萄糖水溶液的折射率作圖，可以得到圖6中8.5°所對應(yīng)的紅色曲線.該擬合曲線表明，共振波長的移動(dòng)量與葡萄糖水溶液的折射率呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(R2=0.989).

采用相同的方法，在 θ =7.5°，8°，9°，9.5°條件下進(jìn)行了同樣的測試，每組測試結(jié)束后均采用去離子水對樣品槽反復(fù)清洗.圖6中分別給出了7.5°—9.5°條件下的擬合曲線，結(jié)果顯示共振波長改變量(ΔλR)隨葡萄糖水溶液折射率的增加而線性增加，擬合曲線的斜率反應(yīng)傳感器的靈敏度，在θ較小的情況下，斜率大，共振波長改變量大，即靈敏度高.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著入射角從7.5°增大到9.5°，折射率靈敏度從35648.3 nm/RIU減小到9363.6 nm/RIU.本文所采用的CCD光譜儀的波長分辨率為0.2 nm，據(jù)此可知在θ=7.5°的條件下，傳感器可以分辨的最小折射率變化為5.6104×10-6RIU.

圖5 在θ=8.5°和不同葡萄糖水溶液濃度下測得的金銀合金薄膜的歸一化SPR吸收光譜

圖6 在金銀合金薄膜SPR傳感器在不同入射角下的共振波長變化量ΔλR與葡萄糖水溶液折射率的線性依賴關(guān)系

圖7所示為初始共振波長(λR0)、傳感器的折射率靈敏度與入射角度的關(guān)系曲線.圖中顯示，當(dāng)入射角度增加時(shí)，初始共振波長隨著減小，傳感器的折射率靈敏度也隨之下降.因此想要提高傳感器的靈敏度，可以通過調(diào)節(jié)入射角度，使初始共振波長位于較大的位置.但同時(shí)，初始共振波長的增大帶來的結(jié)果就是傳感器的半高峰寬變寬，不利于精確地辨認(rèn)共振峰的位置(如圖3所示).在實(shí)驗(yàn)中，需要綜合考慮初始共振波長和半高峰寬，既可以有效地提高傳感器的靈敏度，又可以保證共振峰位置被精確辨認(rèn).

圖7 金銀合金薄膜SPR傳感器在不同入射角下的起始共振波長λR0和折射率靈敏度

圖8所示為實(shí)驗(yàn)測得的傳感器的折射率靈敏度與初始共振波長的依賴曲線.其中曲線a是采用金銀合金薄膜SPR傳感器測得的，曲線b是采用純金膜SPR傳感器測得的.兩條擬合曲線均表明，傳感器的折射率靈敏度隨著初始共振波長的增加而線性增大.比較圖8曲線a和b，在相同的初始共振波長.λR=1215 nm下，曲線a的靈敏度S=35648.3 nm/RIU要遠(yuǎn)高于曲線b的靈敏度S=29793.9 nm/RIU，說明金銀合金薄膜SPR傳感器較之傳統(tǒng)的純金膜SPR傳感器具有更高的靈敏度.

圖8 金銀合金薄膜和純金膜SPR傳感器的折射率靈敏度與λR0的依賴關(guān)系

3.3 金銀合金薄膜SPR傳感器對BSA分子的吸附靈敏度測定

利用阿貝折射儀對BSA水溶液進(jìn)行測定，其折射率為1.3325，與去離子水相同，確保了傳感器共振吸收光譜的移動(dòng)來自于BSA分子在SPR芯片表面的吸附，排除了因?yàn)檎凵渎什煌鴮Ψ治鰩淼母蓴_.為保證BSA分子能夠充分吸附在SPR芯片表面，每次測量時(shí)樣品溶液在樣品槽中均停留15 min.圖9中紅色曲線為測得的濃度為1μmol/L的BSA水溶液吸附前后的歸一化共振吸收光譜，其共振峰從901.4 nm紅移至913.5 nm處，改變量為12.1 nm.為了對比，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下還研究了BSA分子在純金膜SPR傳感器表面的吸附特性，如圖10藍(lán)色曲線所示.圖中顯示，采用純金膜SPR傳感器測量時(shí)，共振峰從906.8 nm紅移至916.3 nm處，改變量為9.5 nm，由此可知金銀合金薄膜覆層的SPR傳感器對BSA分子的吸附靈敏度約為傳統(tǒng)的純金膜覆層的SPR傳感器的1.27倍，靈敏度的提高來源于銀的消逝場增強(qiáng)效應(yīng).圖9還顯示，金銀合金薄膜SPR傳感器的半高峰寬約為純金膜SPR傳感器的半高峰寬的1.81倍，而光譜的展寬不利于共振峰位置的精確辨認(rèn).

圖9 金銀合金薄膜以及純金薄膜在BSA分子吸附前后的SPR吸收譜(BSA水溶液濃度為1μmol/L)

4 結(jié)論

本文首次在玻璃基底上濺射50 nm厚的金銀合金薄膜作為SPR傳感芯片的敏感層，構(gòu)建了Kretschmann結(jié)構(gòu)的近紅外波長檢測型SPR傳感器.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著入射角度的減小，初始共振波長增大，半高峰寬增大，傳感器的靈敏度相應(yīng)增大，但傳感器分辨率隨之下降.實(shí)驗(yàn)在相同的初始共振波長下比較了金銀合金薄膜SPR傳感器與傳統(tǒng)的純金膜SPR傳感器的靈敏度，折射率靈敏度實(shí)驗(yàn)和BSA分子吸附實(shí)驗(yàn)均表明，該新型的金銀合金薄膜覆層的SPR傳感器具有高的靈敏度.

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