表面等离子共振 (Surface plasmon resonance, SPR) 是一种物理光学现象, 当入射光从光密介质射向光疏介质时, 如果入射角大于临界角, 则会发生全反射现象[1]。此时电磁场会渗透进金属膜内达一定的厚度, 产生消逝波, 消逝波在传播约半个波长后仍回到光密介质中[2]。消逝波诱导金属表面电子产生表面等离子体波 (即金属表面自由移动的电子与光子相互作用, 产生沿着金属表面传播的电子疏密波) 。消逝波与表面等离子体波在一定的入射波长或入射角下会发生共振, 导致反射光强大大减少, 入射的能量大多被表面等离子波吸收, 在反射光强的图像上会显示出一个尖峰, 此时对应的入射波长即共振波长, 对应的入射角即共振角。

SPR传感系统一般由光学系统、传感系统和检测系统3部分组成。其中, 光学系统产生合乎实验或检测目的的入射光;传感系统将待测信号转换为共振角或共振波长的变化;检测系统用于检测共振角或共振波长的大小。按照传感系统中不同的光学耦合结构, SPR传感器可分为以下4种:棱镜耦合式SPR传感器[3]、光纤SPR传感器[4,5]、光栅耦合式SPR传感器和集成光波导耦合式SPR传感器[6]。目前, 研究较为充分及市售的大部分SPR设备均为棱镜型, 但该类型传感器体积较大, 且不适用于远程传感测量。因此, 1993年Jorgenson等[7]率先采用光纤作为光学耦合元件, 替代传统的光学棱镜, 具有可多路传输、远程测量和小型化等优势。光纤在结构上可分为中心和外皮两种介质, 光从中心传播至外皮处, 此时入射角大于临界角, 且中心的折射率较外皮处更大, 发生全反射现象。当光传输至覆盖有金属膜的部分时, 如果反射光的波矢与表面等离子体波的波矢相当, 即发生SPR现象。本文将对光纤SPR进行简要概述, 并重点综述了近年来光纤SPR传感器在结构和膜材料方面的最新进展。

光纤SPR传感器是光纤SPR谱仪的核心结构, 传感器结构主要分为在线传输式[8,9]与终端反射式[10]两种。其中, 在线传输式传感器的传感区域位于光纤中部, 在纤芯表面上沉积一层SPR金属膜, 如图1A所示;终端反射式传感器的传感区域位于光纤一端, 在光纤的端面上镀一层金属膜 (主要通过银镜反应) 作为反射层, 在紧靠此端面的一段光纤上沉积可产生SPR信号的金属膜, 如图1B所示。

在线传输式光纤SPR传感器的制备首先需对光纤包层进行刻蚀, 以便在两个端部之间的中间点处暴露纤芯。对于该传感器, 光纤的一端连接光源, 用于传播激发光波, 另一端则收集在纤芯中多次反射及其在传感膜发生等离子共振后的光。在线传输式光纤SPR传感器检测的仪器搭建较复杂, 多采用流通池方式进样, 样品消耗量小, 不易污染, 因此使用率较高。表1汇总了近年来开发的在线传输式光纤SPR传感器。

印度理工学院Gupta课题组自2004年起开始研究光纤SPR传感器, 通过在光纤中部去掉包层、刻蚀, 并采用物理溅射等方法负载上多种材料的传感膜, 构建了一系列在线传输式光纤SPR传感器, 是目前这一方向最活跃的实验室。2015年, Gupta课题组[11]将光纤SPR技术与分子印迹技术相结合, 制备了基于40 nm银膜的在线传输式分子印迹光纤SPR传感器 (图2) , 实现了丙溴磷的高效检测, 检出限可达2.5×10-6μg/L。

2016年, Gupta课题组[12]同样基于银膜制备了检测乙醇的在线传输式光纤SPR传感器, 该传感器分为4层结构, 分别为纤芯-银膜-硅膜-凝胶层。利用真空蒸镀法在裸光纤上先后沉积银膜和硅膜, 其中银膜最优厚度为40 nm[34,35], 硅膜最优厚度为8 nm。在凝胶层中, 乙醇在乙醇脱氢酶和辅酶的作用下转化为乙醛。乙醛的生成使传感膜表面的凝胶发生膨胀, 引起该区域介电常数的变化, 导致SPR共振波长发生偏移。构建的传感器对于乙醇检测的灵敏度高达22 nm·L·mmol-1。在线传输式光纤SPR传感器的制备方法一般是在光纤中段选择一段作为传感区域, 将该区域的光纤外皮及包层去除, 在纤芯表面连接一层膜材料以产生表面等离子共振。然而尽管制作在线传输式光纤SPR传感器的方法已被广泛使用, 并产生了多种类型的传感器, 但由于制备过程需局部抛光和/或光纤包层的溶解, 实验效果难以再现, 而且这种方法大大降低了光纤的机械弹性和强度, 导致在检测过程中表面等离子共振信号弱, 稳定性差, 同时在线传输式光纤SPR传感器较易损坏, 极大地限制了其在实际检测过程中的使用。

在制备终端反射式光纤SPR传感器过程中, 首先需将光纤的一端完全移除光纤护套和包层, 随后沉积上约50 nm的金属传感层 (通常为金膜或银膜) , 最后在底端封上具有反射功能的银膜, 如图1B所示。采用这种方式制得的光纤SPR传感器可直接浸入样品溶液中, 而光的激发和检测均发生在光纤的远端。1993年, 首个光纤SPR传感器即为终端反射式。随后, 这类传感器被逐渐改进, 形成了多种光纤SPR设备。终端反射式传感器的通用性极强, 更适合于原位感测且更可靠, 因为检测所用的光纤部分不会发生应变和/或弯曲, 因此不易发生应力诱导的断裂现象。终端反射式光纤SPR传感器一般采用浸入式方法进行测量, 实验结果快速、准确、可靠。表2汇总了近年来开发的终端反射式光纤SPR传感器。

比利时鲁汶大学Lammertyn课题组通过物理法构建了多种终端反射式光纤SPR传感器。2009年, 该课题组在直径为400μm的多模光纤表面沉积50 nm的金层, 并在光纤末端加上金属层作为反射镜, 构建了终端反射式光纤SPR传感器。通过Y型光纤分别连接光源、传感器、光谱仪, 同时结合多孔样品盘, 可实现多个样品中DNA和人免疫球蛋白E的连续检测, 蛋白的检测限可达2 nmol/L[36]。2016年, 该课题组进一步在金膜光纤SPR传感器上连接羧基自组装单分子层, 再连接英夫利昔单抗 (IFX) 特异性抗体, 检测IFX之后, 使用另一组IFX特异性抗体功能化的金纳米颗粒来扩增SPR信号, 使IFX的检测限达0.3~2.2 ng/m L[37]。

尽管终端反射式传感器的百富策略白菜网极为简便, 但要在极细的圆柱形光纤表面上物理溅射厚度均匀的金属传感膜难度很大。2015年, 本课题组[38]首次采用非电镀方法 (即湿化学法) 制备了高灵敏的终端反射式光纤SPR传感器 (图3) 。首先, 在纤芯表面沉积三甲氧基硅烷 (APTMS) , 再连接金种, 采用金种生长法在光纤表面均匀附着一层厚度可控的金膜, 所得光纤SPR传感器的灵敏度高达3 980 nm/RIU, 高于常规物理溅射法制备的传感器。最近, 对该制备工艺做了进一步改进。如图4所示, 先采用多巴胺修饰光纤, 再粘附金纳米晶, 该操作较APTMS修饰过程大为简化, 并将实验时间由14 h缩短至2.3 h, 所得传感器的灵敏度更强[39]。

此外, 还有一些特殊结构的终端反射式SPR传感器正被逐渐开发。Huang等[40]采用打磨的方式制备了终端反射式锥形光纤SPR传感器, 并探究了光纤末端直径D2的大小 (即锥角) 与传感器灵敏度之间的关系。当末端直径由600μm减小至200μm时 (锥角由小变大) , 共振波长发生红移, 传感器的灵敏度提高。Liu等[41]制备了一种双锥金膜光纤SPR传感器 (图5) , 该传感器尖端具有两个不同的角度, 可实现两个不同动态范围的分布式SPR检测, 此动态范围可在一段区间内进行连续调整, 同时具有较高的灵敏度, 并可实现两种物质的同时检测。当图5中的α由10°增至16°时, 共振波长发生红移, 灵敏度提高至5 096 nm/RIU。此外, Liu等[20]还提出基于该双锥光纤SPR传感器组成的在线传输式光纤SPR传感器, 利用时分复用技术进行多通道检测。

发生表面等离子共振现象通常要求膜材料的介电常数的实部为负数, 且比它的虚部和外部介质的介电常数高若干个数量级, 因此传统的SPR传感器多采用金属膜作为膜材料。SPR研究的是反射光谱, 因此传感膜多考虑反射率高的金属。在可见光-近红外范围内, 金属Ag、Al和Au的反射率较高, 且随波长变化而改变的幅度较小。但Al膜和Ag膜的稳定性较差, 极易氧化, 影响SPR的测定。Au膜的稳定性最好, 即具有较强的化学惰性, 在SPR传感膜中百富策略白菜网最广泛。Ag膜较Al膜稳定性略好, 且共振半峰宽明显小于金膜, 灵敏度优于金膜。因此, 金膜和银膜是SPR中最常使用的两种金属传感膜。

本课题组[39]利用多巴胺聚合法, 在光纤表面快速形成粘附层, 在该层上连接金纳米晶, 再通过化学还原法形成金膜 (图4) 。该方法比传统湿化学法快6~7倍, 且具有更高的灵敏度, 更强的稳定性和更好的重现性。在实验过程中, 优化了多巴胺自聚合温度、聚合时间和镀金时间, 获得了具有高灵敏度和高稳定性的光纤SPR传感器, 并用于免疫球蛋白Ig G的高灵敏检测。此外, 还采用银镜反应 (湿化学法) 制备了银膜光纤SPR传感器[42], 并利用多巴胺对银膜表面进行了快速的功能化修饰, 实现了抗原抗体特异性结合的在线检测。采用银镜法制备的银膜由多种形貌的银纳米颗粒构成, 既包括单独存在的银纳米颗粒, 又包括由其聚集而成的岛状结构, 这种多形貌且凹凸不平的结构增大了银膜与待测物的接触面积[50], 同时大尺寸的银纳米颗粒的耦合作用也增强了SPR信号[51,52]。

Gupta课题组[22]建立了基于银膜的SPR传感器, 进一步与分子印迹技术联用, 可用于阿特拉津的灵敏检测, 该实验以苯酚和甲基丙烯酸羟乙酯为单体, 偶氮二异丁腈为引发剂, 二甲基丙烯酸乙二醇酯为交联剂, 制备了阿特拉津分子印迹聚合物, 通过浸入法将分子印迹聚合物连接至光纤SPR传感器的银膜表面, 实现了目标物的检测。当阿特拉津浓度由0增至10-7mol/L时共振波长偏移达38 nm, 检出限低至1.92×10-14mol/L, 方法具有很好的百富策略白菜网价值。该课题组还利用相同技术, 建立了三聚氰胺的光纤SPR检测技术[25], 检测范围为10-7~10-1mol/L, 检出限低至9.87×10-9mol/L。实验还发现, 在银膜与三聚氰胺分子印迹聚合物之间添加一层10 nm的铝膜, 可进一步提高三聚氰胺的检测灵敏度 (约190 nm/mol) 。

局域表面等离子共振 (Located surface plasmon resonance, LSPR) 是将金属纳米颗粒修饰在传统SPR传感器的检测面, 以提高SPR传感器的检测分辨率。该现象的产生需满足特定条件, 即金属结构和尺度要小于入射光波长。与传统SPR传感器相比, LSPR传感器的探测范围较小, 但对小范围内折射率变化的敏感度更高。

韩国檀国大学Lee等[43]在光纤端面上通过自组装单分子层方式连接球形金纳米颗粒, 构建了光纤LSPR传感器, 并将其用于检测干扰素-γ和前列腺特异性抗原, 其检出限分别低至2.0 pg/m L和1.0pg/m L。该制备方法具有过程简单、成本低、光学设备简单、可实时检测等优点。

Rithesh等[13]利用千日菊提取物还原制备Ag纳米颗粒, 利用该纳米颗粒制备了银膜-银纳米颗粒的光纤LSPR传感器, 可定量检测多巴胺。其检测原理为多巴胺浓度的增加使得小银簇或未反应的银离子形成了较大尺寸的银纳米粒子, 使得LSPR共振波长发生变化。

本课题组[44]在裸光纤表面沉积一层APTMS, 再连接柠檬酸钠还原法制得的银纳米粒子, 获得银基光纤LSPR传感器, 灵敏度可达387 nm/RIU。此外, 还采用多巴胺连接金纳米粒子的方式, 优化了多巴胺连接时间、金纳米粒子连接时间, 制备了金基光纤LSPR传感器, 灵敏度为522.8 nm/RIU[45]。

近年来, 许多学者开发了多种用于光纤SPR传感器的膜材料, 包括金属氧化物膜、聚合物膜、复合膜 (表1) 。其中, 氧化铟锡 (ITO) 是一种铟氧化物和锡氧化物的混合物, 将其与Ag膜进行联用, 可制作高性能的光纤SPR传感器。Gupta等[14]构建了Ag膜和ITO-Ni O混合膜的双层膜光纤SPR传感器检测硫化氢气体, 发现ITO-Ni O混合膜会与硫化氢气体发生反应, 生成[ITO-Ni O]S和水的复合物, 导致混合膜的介电常数发生极大变化, 引起的共振波长偏移较大。该传感器检测10~100 ppm的硫化氢气体时, 共振波长偏移可达104 nm, 灵敏度极高。

Mishra等[15]进一步对Ag-ITO光纤SPR传感器进行了系统的模拟研究, 当Ag厚度为40 nm、ITO厚度为80 nm时, 检测精度和品质因数最高。

近年来, 光纤SPR传感器因操作简单、易于遥感检测和抗电磁干扰等优点, 受到了人们的广泛关注与研究。本文分别梳理了光纤SPR传感器结构和膜材料两方面的内容, 汇总了当前光纤SPR传感器最前沿的研究工作和百富策略白菜网进展, 展现了其在抗原抗体特异性结合、DNA分子杂交等检测过程中无需标记、定量快速的优点。目前, 棱镜SPR谱仪已实现大规模商业化生产与百富策略白菜网, 但尚无商业化的光纤SPR谱仪。其中, 光纤SPR传感器的开发是核心瓶颈。为实现光纤SPR传感器的市场化及商业化, 对传感器的实际百富策略白菜网尚需深入细致的探索, 需进一步提高其机械强度、信号重复性、生产标准化和规模化, 以进一步降低传感器表面的非特异性吸附。根据其在生物医学、环境监测及食品检测等领域的不同要求不断发展, 并最终实现快速准确的检测。