摘要: SPR传感器的研究与应用进展迅速，尤其在生命科学，化学等领域已经成为一种很重要的研究阶段，对SPR传感器的研究现状，工作原理以及它在工业生活领域的一些应用进行详细描述。并对SPR传感技术的研究发展前景进行了讨论。
一 SPR传感器的发展历程
1902年，Wood在光学试验在发现光波通过光栅后，光频谱发生了小区域的丢失，Sommerfeld利用麦克斯韦方程和电磁场边界条件出发，导出了介电物质与金属界面处传播的电磁波的波动解。1941年，Fano发现这种现象是有金属与介电物质表面的电磁波激发了表面的等离子体波造成的。 1960年，Stem和Farrel研究了此模式产生谐振的条件并将其称作“表面等离子共振”1968年，
Kretschmann和Otto各自利用衰减全反射的方法证实了光激发表面等离子共振现象的存在。20世纪70年代末以来，SPR在检测金属薄膜特性及实时检测金属表面反应的潜能越来越受到重视。1982年，1982年，Nylander和Liedberg将SPR原理应用于气体检测和生物传感领域中。此后，SPR传感技术取得了长足的进展。各种应用于物理化学和生物领域的新的SPR传感结构设计纷纷出现。由于SPR技术具有实时监测反应动态过程、生物样品无需标记、灵敏度高、无背景干扰等特点,主要应用于生物大分子之间的相互作用,可得到反应物分子之间每一步的键合信息,测定动力学常数等,这是其它传感器难以企及甚至无法达到的。 二 SPR传感器的原理
表面等离子体共振(Surface PlasmonResonance,简称SPR)是一种物理光学现象,其物理模型是一束单光透过介质入射到金属表面,一部分发生反射形成反射光,部分光穿透金属表面形成折射波,沿着垂直于界面的方向按指数衰减,又称为消失波。其衰减的物理原因是因为导体内存在自由电子,在电磁波的作用下导体内出现诱导电流,产生焦耳热,消耗了电磁波的能量,因而振幅减弱。波的衰减方向总是与界面垂直,与入射波的方向无关,但是穿透深度与入射波的方向有关系。透入导体内的电磁波传播方向都接近于Z轴,折射波不再服从一般介质
情况下折射定律,仍然是横波,并且电场、磁场和传播方向互相垂直满足右手螺旋系。对于可见光而言,在金属导体中消失波的有效深度一般为100～200nm。消失波导致靠近样品处金属表面电子振荡,形成沿着样品和金属表面传播的电子疏密波,也是一种电磁波,被称为表面等离子体(SP)或表面等离子体基元。
在一定条件下,入射光沿X方向的分量和表面等离子体产生共振,这一现象称为表面等离子体共振。电磁波发生共振的条件是两个波具有相同的频率和波矢。首先入射光和表面等离子体都属于电磁波。平面单电磁波从一种媒质入射到另一种媒质频率不发生变化,因而消失波的频率等于入射波频率。由于消失波激发而产生的表面等离子体有着与消失波的相同频率,若消失波与表面等离子体在入射光的水平方向上具有相同的波矢,则二者将发生共振。其在X轴上的分量为
= （1）
式中:ω是入射光的角频率;是支持体的介电常数;θ是入射光的入射角;c是光速。
同时,在金属和溶液或空气的界面处,金属表面的自由电子气将被激发,产生振荡电荷,从而形
成表面等离子体激元:
= （2）
式中:是金属膜的介电常数;是金属膜表面样品的介电常数;其它项同式(1)。当Ksp和Kev相等时,金属表面的等离子体激元将与消逝波发生耦合,产生表面等离子体共振吸收,反射光强度急剧下降,达最小。此时的入射角θsp称共振角。入射光中,只有p偏振光能激发表面等离子体共振。
（3）
此时，=（） （4）
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在实际测量时,往往利用金属膜表面的样品的折射率来替代其介电常数,以入射光的波长λ替代角频率ω,且ε0和ε1为常量,故式(4)可用下式描述。
=f（家庭水景喷泉） （5）
式中:λ为入射光波长;n为金属膜表面样品的折射率。而样品的折射率又与样品中待测化学或生物量(m)的大小有关,故有:=f（） （6）
由于消逝波的有效深度仅100~200 nm,表面等离子体共振所测得的化学或生物量m仅是金属表面很短距离内的值,而非其本体值,因此SPR是研究表面作用的一种很有效的手段。
三 SPR传感系统的分类
SPR传感器检测分析方法可分为以下4种:
(1)单光入射,改变入射角,检测反射光的归一化强度随入射角的变化情况,并记录反射光强度最小时的入射角,也就是共振角。
(2)复光入射,固定入射角,对反射光的光谱进行分析,得到反射率随波长的变化曲线,并记录共振波长。
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(3)入射光的角度和波长都固定,通过检测反射光强度的变化分析折射率的变化。数控剪床
(4)入射光的角度和波长都固定,观测入射光与反射光的相位差[22]。这4种方法中,前两种的应用最普遍,第3种受扰动产生的误差较大,不太实用。最后一种方法的灵敏度最高,但系统需要一系列的高频电路。按照系统中光学耦合结构的不同,目前的SPR传感系统可分为4种结构类型,即棱镜耦合结构、衍射光栅结构、光学波导结构以及光纤耦合结构等。
四 SPR传感器的应用
SPR传感器应用于多种领域，对于待检测样品(生物、非生物)不需要提纯和无需标记、灵敏度高及无背景干扰检测等是SPR技术的特点,在现代生物、医学和化学领域得到切实的体现和应用。（1）物理检测。若某种物理量会引起特定敏感膜折射率的变化,就可以采用SPR传感技术进行检测。（2）化学检测。待测分子被敏感膜有选择性地化学吸附或与敏感膜中的特定分子发生化学反应,引起敏感膜的光学属性(主要是折射率)的变化,从而会导致引起表面等离子共振条件的变化。因此可以通过检测共振角或共振波长的变化来检测待测分子的成分、浓度以及参与化学反应的特性（3）生物检测。它可以用于检测生物分子的结合作用,或者是通过生物分子结合作用的检测来完成特定生物分子的识别及其浓度的测定,如早期抗原-抗体相互作用以及一些IgG的检测。
早在20世纪80年代,Liedberg等人就研制了检测气体变化的传感器。气体变化引发的微小折射率变化低至10-5也能容易地检测出来,可以与传统的椭圆偏光法相媲美。
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SPR技术在病毒及艾滋病病毒(HIV)的研究方面取得了一定的成果。Karisson等首先将抗克隆抗体的Fc段偶连至传感片上,然后加入未经任何纯化产生抗体的杂交瘤细胞培养液,使单
抗体以捕获的方式结合在传感片上,再加入HIV表面抗原P24,研究了P24与四种不同单抗体的反应,得出了四种单抗体与艾滋病毒抗原结合的亲和力依次为MAb18>Mab25>Mab28>Mab1,从而半定量的估计四种不同单抗体的结合和解离情况。Nishimura等人用SPR传感器测定了α－胎蛋白的浓度,他们首先用脂肪酸将α－胎蛋白的抗体固定在了传感器的金膜表面,检测的α－胎蛋白量的下限浓度为0.60ng/ml,与传统的检测方法结果相一致,但相对传统检测方法,SPR技术明显的表现出了方便、快捷和高精度。
参考文献
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[2] 江秀明.陈志春.杨绍明.林贤福.光纤表面等离子体共振传感器研究进展,浙江:传感技术学报, 2003.3
[3] 刘国华.常 露.张 维.邝丽丽.尹文武.牛文成.SPR传感技术的发展与应用,天津:仪表技术与传感器, 2005.11
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