基于2S2G棱鏡的新型反向表面等離子共振生物傳感器

李文超，孟曉云，樸瑞琦，趙晶晶，李志全*，童 凱，顧而丹

1. 燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004 2. 東北大學(xué)秦皇島分校控制工程學(xué)院, 河北 秦皇島 066004

基于2S2G棱鏡的新型反向表面等離子共振生物傳感器

李文超2，孟曉云1，樸瑞琦1，趙晶晶1，李志全1*，童 凱1，顧而丹1

1. 燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 秦皇島 066004 2. 東北大學(xué)秦皇島分?？刂乒こ虒W(xué)院, 河北 秦皇島 066004

提出了一種基于反向表面等離子體共振原理，由Ge20Ga5Sb10S65-鈀-石墨烯分子-生物分子四層結(jié)構(gòu)構(gòu)成的新型生物傳感器。當(dāng)生物分子之間發(fā)生相互作用時，引起生物分子層折射率的變化，從而導(dǎo)致反向表面等離子體共振角的偏移。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)傳輸矩陣法推導(dǎo)了傳感器的輸出光譜，重點討論了本文提出的傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比，在靈敏度、分辨率、動態(tài)檢測范圍以及檢測信號信噪比方面取得的進展。另外，通過對比研究，深入分析了輔助介質(zhì)層石墨烯厚度對傳感器性能的影響。最后，利用近紅外光作為提出的傳感器的入射光，分析了在近紅外區(qū)域傳感器性能的改善。研究結(jié)果表明： 單層石墨烯分子使傳感器性能達到最佳； 反向表面等離子共振峰強度約為入射光強的80%～90%，使傳感器的輸出信號具有較大的信噪比； 在可見光區(qū)域，當(dāng)入射光波長為632.8 nm時，提出的反向表面等離子共振生物傳感器的分辨率是基于SiO2棱鏡耦合反向表面等離子共振生物傳感器的1.9倍，是傳統(tǒng)表面等離子共振生物傳感器的3.5倍，提出的傳感器的動態(tài)檢測范圍約是現(xiàn)有傳感器的2倍； 利用Ge20Ga5Sb10S65棱鏡可使反向表面等離子共振生物傳感器檢測光波長由可見光區(qū)域擴展到近紅外區(qū)域，當(dāng)入射光為1 000 nm時，傳感器的分辨率是可見光區(qū)域的3～4倍。該研究對基于反向表面等離子體共振原理生物傳感器的實現(xiàn)與發(fā)展具有重要意義。

反向表面等離子體共振； 生物傳感； 分辨率； 靈敏度； 信噪比

引 言

表面等離子體共振(surface plasmon resonance, SPR)是在P偏振光激勵下，金屬與電介質(zhì)交界面處發(fā)生電荷密度集體振蕩從而影響電磁波傳播的一種物理現(xiàn)象。SPR技術(shù)因其對介質(zhì)折射率的高靈敏特性成為近年來傳感領(lǐng)域的熱點研究課題，特別是在藥品研制、臨床診斷、基因工程等領(lǐng)域[1-2]，SPR傳感技術(shù)由于其高靈敏度、實時響應(yīng)和免標記等特性得到極大發(fā)展與應(yīng)用[3-4]。

目前SPR傳感器主要是基于Kretschmann全內(nèi)反射結(jié)構(gòu)制作，在貴金屬薄膜(通常為金和銀)的兩面分別粘附耦合棱鏡和敏感介質(zhì)層(生物分子)，P偏振光射入棱鏡，在棱鏡與金屬的交界面處發(fā)生全內(nèi)反射，產(chǎn)生SPR現(xiàn)象時，反射譜中的反射光強快速降低，記作Rmin，約接近于零[5]，對應(yīng)的入射角稱為等離子共振角。當(dāng)生物分子發(fā)生相互作用時，引起分子層折射率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致共振角偏移，通過監(jiān)測共振角的偏移可以實時檢測生物分子間的相互作用。然而光源強度的波動和檢測電路中的噪聲勢必會影響對Rmin的準確測量。早在1993年，Printz等學(xué)者在激發(fā)SPR波時觀察到反向表面等離子體共振(inverted surface plasmon resonance, ISPR)現(xiàn)象[6]，即在反射光譜中反射強度出現(xiàn)顯著的最大值峰，記為Rmax，之后Kohns[7]、Logachenva[8]等研究者相繼研究了基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的ISPR。相比于傳統(tǒng)SPR傳感器對Rmin的測量，ISPR傳感器對Rmax進行測量，提高了信號檢測的信噪比和準確性。但是目前在ISPR傳感器研究中主要使用SiO2棱鏡，入射光被限制在可見光范圍內(nèi)，意大利學(xué)者Pradeep等提出了基于硫?qū)倩衔?Ge20Ga5Sb10S65, 2S2G)耦合產(chǎn)生SPR的研究，使入射光范圍擴展到近紅外區(qū)域，SPR技術(shù)在近紅外區(qū)域有更高的檢測深度[9]。

基于以上研究基礎(chǔ)，本文提出了基于2S2G-鈀-石墨烯分子層-生物分子四層結(jié)構(gòu)的ISPR生物傳感模型，以提高ISPR傳感器的檢測信號信噪比、靈敏度、分辨率以及動態(tài)檢測范圍?，F(xiàn)行文獻大量報道，使用單分子層石墨烯作為輔助介質(zhì)層既可以提高傳感器對生物分子的親和力，而且能保護傳感器中的金屬薄膜不被氧化，本文所提出的設(shè)計結(jié)構(gòu)，充分利用了石墨烯的這一特性來改善傳感器性能。

1 原理和方法

1.1 理論研究

利用2S2G高折射率棱鏡作為耦合棱鏡，2S2G棱鏡是硫族化物棱鏡的一種，其折射率與波長的關(guān)系如式(1)所示[10]

(1)

式(1)中，波長λ的單位為μm。鈀的折射率n2根據(jù)文獻[11]得出，石墨烯的復(fù)折射率可用式(2)表示

(2)

其中，波長單位為μm,C=5.446 μm-1為常數(shù)，石墨烯單層厚度d=0.34 nm，L層石墨烯的厚度為d3=L×0.34 nm。生物分子層折射率n4的最小值為1.33(約等于水的折射率)。

1.2 傳輸矩陣法

使用傳輸矩陣法求入射光為TM波時的的反射光強度[12]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在Z方向包括N層。第j層介質(zhì)的厚度為dj，介電常數(shù)為εj，折射率為nj，入射角是θ。式(3)和式(4)表示N層介質(zhì)Fresnel全反射振幅r，全反射系數(shù)為R。

(3)

(4)

其中，M是系統(tǒng)的特征矩陣，

(5)

(6)

(7)

1.3 傳感器性能指標

ISPR傳感器設(shè)計中需要考慮靈敏度、共振半峰寬度、動態(tài)檢測范圍等性能指標。傳感器的動態(tài)檢測范圍越大，適用范圍越廣。在角度掃描傳感器系統(tǒng)中，反射強度達到Rmax時對應(yīng)的入射角叫做反向共振角θIres，生物分子發(fā)生相互作用時引起折射率n4變化，從而引起θIres發(fā)生偏移，傳感器的靈敏度定義為

(8)

傳感器分辨率定義如式(9)，D與共振半峰寬度(full width at half maximum, FWHM)有關(guān)，F(xiàn)WHM越小，分辨率越高，對θIres的測量誤差就越小。

(9)

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，棱鏡右側(cè)的光譜檢測儀通過檢測反射峰Rmax的偏移來檢測生物分子之間的相互作用。

Fig.1 Schematic of biosensor based on ISPR

2 結(jié)果與討論

圖2給出了運用有限元方法基于Comsol Multiphysics軟件模擬產(chǎn)生SPR和ISPR時的磁場分布情況，從圖2(a)可以看出，產(chǎn)生SPR時，入射光能量在金屬和生物分子交界面處幾乎全部消耗，致使反射光強接近于零，反射譜中出現(xiàn)Rmin。圖2(b)是ISPR磁場分布圖，磁場能量主要分布在棱鏡以及金屬-生物分子交界面處，表明產(chǎn)生ISPR時反射譜出現(xiàn)Rmax。

Fig.2 Magnetic field distribution of (a) SPR and (b) ISPR

2.1 所提出的ISPR與傳統(tǒng)ISPR對比

本文提出的ISPR傳感模型和已有的參考ISPR傳感模型中分別使用了2S2G棱鏡和SiO2棱鏡作為耦合棱鏡，其他層所用材料相同。各模型的計算條件如表1計算參數(shù)所示。以下研究中，對基于金膜的SPR傳感器記為Ⅰ型傳感器，基于SiO2棱鏡的ISPR傳感器記為Ⅱ型傳感器，本文提出的基于2S2G棱鏡的ISPR傳感器記為Ⅲ型傳感器。

Table 1 Parameters for calculation

圖3中曲線表示Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ傳感器反射光譜中R與θ的關(guān)系。SPR反射譜中的Rmin≈0，由于Rmin值低于噪聲水平，難以對Rmin進行精確地檢測，從而影響傳感器測量的準確性。ISPR傳感器是檢測反射譜中出現(xiàn)的Rmax，被檢測信號具有較大的信噪比，能夠提高檢測準確度。

Fig.3 The reflectance spectrum of different sensors

改變生物分子層折射率，Ⅱ和Ⅲ型傳感器反射譜與θ關(guān)系如圖4所示，由圖4可以看出，當(dāng)生物分子層折射率從1.33 RIU變?yōu)?.34 RIU時，Ⅲ型傳感器的共振角偏移0.34°，Ⅱ型傳感器共振角偏移0.42°，但Ⅲ型傳感器反射譜的FWHM是2.01°，小于Ⅱ型傳感器反射譜的FWHM=3.62°。

Fig.4 The relationship between the reflectivity and angle of incidence

傳感器分辨率與反射譜的FWHM緊密相關(guān)，圖5給出了不同傳感器FWHM隨被測介質(zhì)層的折射率變化的特性曲線圖，可以看出： 當(dāng)n4從1.33 RIU增加到1.60 RIU時，Ⅰ型傳感器的FWHM從5.50°增加到10.09°，Ⅱ型傳感器的FWHM從3.53°增加到5.93°，根據(jù)分辨率式(9)可以得出，后者的分辨率大約是前者分辨率的1.7倍。在相同的n4變化范圍內(nèi)，Ⅲ型傳感器分辨率大約是Ⅰ型傳感器的3.5倍，是Ⅱ型傳感器的1.9倍。綜上分析得出本文提出的基于2S2G高折射率棱鏡耦合的ISPR傳感器具有優(yōu)越的分辨性能。

Fig.5 The relationship between n4 and FWHM in different sensors

ISPR傳感器中n4的變化對Rmax的影響如圖6所示，隨著n4的逐漸增大，Rmax都呈下降趨勢，但是Ⅲ型傳感器中Rmax下降相對較慢。當(dāng)n4<1.45 RIU時，Ⅱ型傳感器反射譜中的Rmax略大于同條件下Ⅲ型傳感器反射譜中的Rmax； 當(dāng)n4=1.45 RIU時，兩者相等； 當(dāng)n4>1.45 RIU時，Ⅲ型傳感器反射譜中Rmax顯著地高于Ⅱ型傳感器反射譜中的Rmax。結(jié)果表明基于2S2G的ISPR傳感器具有較高的反射峰值，能夠提高對輸出信號檢測的準確性。

Fig.6 The relationship between Rmax andn4 in different sensors

從圖4、圖5和圖6可以得出，當(dāng)n4變化范圍為1.60～1.90 RIU時，基于2S2G的ISPR傳感器依然保持較窄的FWHM和較高的反射峰值，表明該傳感器具有較大的動態(tài)檢測范圍，約為現(xiàn)有傳感器動態(tài)檢測范圍(1.33～1.5 RIU)的2倍。

2.2 石墨烯分子層數(shù)對傳感器性能的影響

石墨烯分子層具有非常高的比表面積(2 630 m2·g-1)，對于分子具有很好的吸附性，另外，其較強的惰性可以保護金屬不被腐蝕，提高傳感器整體性能和使用壽命。為了深入了解輔助介質(zhì)層石墨烯厚度對傳感器靈敏度、分辨率及Rmax的影響，進行了詳細的仿真實驗。初始值設(shè)置按照表1中ISPR列所示，但是改變L數(shù)值。圖7給出了n4分別為1.33，1.60和1.90 RIU，L分別為1，10和20時傳感器的反射光譜圖，結(jié)果表明當(dāng)L相同時，改變石墨烯分子層的厚度不會對共振峰位置產(chǎn)生影響，所以改變石墨烯分子層數(shù)對ISPR傳感器的靈敏度沒有影響。石墨烯分子層數(shù)對反射譜FWHM，Rmax的影響如圖8和圖9所示。從圖8中可以看出，當(dāng)L一定時，隨著n4的增加，Rmax逐漸減??； 當(dāng)n4不變時，Rmax隨著L的增大而線性減少。圖9給出了L對FWHM的影響，當(dāng)n4一定時，隨著L的增大，F(xiàn)WHM逐漸增大，當(dāng)L<10時，F(xiàn)WHM的變化趨勢十分緩慢，當(dāng)L>10時，隨著L的增大，反射譜FWHM變化較快。綜合以上分析可得，基于石墨烯單分子層的ISPR具有明顯的優(yōu)勢。

Fig.7 The influence of L on reflectance spectrum

Fig.8 The influence of L and n4 on the Rmax

Fig.9 The influence of L and n4 on the FWHM

2.3 ISPR傳感器在近紅外區(qū)域的性能研究

由于檢測環(huán)境與檢測安全的要求，以及使用近紅外光可以提高ISPR傳感器的探測深度等原因，研制近紅外ISPR傳感器就具有十分重要的意義，但基于SiO2棱鏡耦合的ISPR傳感器僅適用于可見光范圍內(nèi)，本文使用2S2G高折射率棱鏡作為耦合棱鏡，使傳感器具有較寬的波長適用范圍，不僅能在可見光，還可以在近紅外區(qū)域內(nèi)對生物分子之間的相互作用進行檢測。

2.3.1 近紅外區(qū)域傳感器靈敏度的研究

當(dāng)入射波長分別為632.8和1 000 nm，n4分別為1.33和1.50 RIU時，ISPR傳感器的反射譜如圖10所示，其中，λ=1 000 nm，相對應(yīng)的計算參數(shù)見表2。從圖10的仿真結(jié)果可以看出入射光在近紅外區(qū)域時使得ISPR反射峰值整體右移。當(dāng)λ=1 000 nm，n4>1.6時，ISPR反射廣譜出現(xiàn)兩個共振峰，會影響檢測裝置的準確測量，因此我們把使用近紅外光檢測的ISPR傳感器動態(tài)檢測范圍限定在1.33～1.50 RIU之內(nèi)，圖11給出了波長分別為632.8和1 000 nm時，n4變化對θIres的影響, 根據(jù)式(8)可得，當(dāng)檢測光波長改變時，ISPR傳感器的靈敏度不變，且θIres偏移量與n4的變化呈線性關(guān)系。

Table 2 Parameters for calculation

Fig.10 The relationship between the reflectivity and angle of incidence under different wavelength

Fig.11 The influence of different incident wavelengths on the θIres

Fig.12 The influence of different incident wavelengths on the FWHM

Fig.13 The influence of different incident wavelengths on Rmax

2.3.2 近紅外區(qū)域傳感器分辨率的研究

圖12給出了傳感器在可見光和近紅外光檢測條件下反射譜的FWHM，由式(9)得，該ISPR傳感器的分辨率在近紅外區(qū)域大約是可見光區(qū)域的3～4倍，是基于SiO2棱鏡ISPR傳感器的6～8倍，是傳統(tǒng)SPR傳感器的10～14倍。

2.3.3 近紅外區(qū)域傳感器Rmax的研究

圖13是傳感器在可見光和近紅外光檢測條件下的反射譜Rmax隨n4的變化曲線圖，在近紅外區(qū)域，ISPR反射譜具有較大的Rmax，當(dāng)n4改變時Rmax保持在0.9附近，強于在可見光區(qū)域的反射譜的Rmax≈0.8。

3 結(jié) 論

提出了一種基于2S2G棱鏡-鈀薄膜-石墨烯分子層-生物分子四層結(jié)構(gòu)的反向表面等離子體共振(ISPR)生物傳感器結(jié)構(gòu)，對最大反射光強的檢測，提高了傳感器的檢測準確性。給出了SPR和ISPR磁場分布示意圖。研究和分析表明，相對基于SiO2棱鏡的ISPR傳感器，高折射率2S2G棱鏡的使用，使傳感器的分辨率在入射波長為λ=632.8 nm時提高了0.9倍，動態(tài)檢測范圍提高了1倍。2S2G棱鏡的使用可使檢測光由可見光擴展到近紅外光，在近紅外區(qū)域λ=1 000 nm，ISPR傳感器的分辨率是利用可見光檢測分辨率的3～4倍，約是基于SiO2棱鏡ISPR傳感器分辨率的6～8倍，是傳統(tǒng)SPR傳感器的10～14倍，本文提出的ISPR傳感器，在可見光區(qū)域λ=632.8 nm和近紅外區(qū)域λ=1 000 nm時靈敏度不變； 石墨烯分子層為單層時，傳感器性能最佳。

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*Corresponding author

Brand-New Ge20Ga5Sb10S65Prism Biosensor Based on Inverted SPR

LI Wen-chao2, MENG Xiao-yun1, PIAO Rui-qi1, ZHAO Jing-jing1, LI Zhi-quan1*, TONG Kai1, GU Er-dan1

1. College of Electrical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China 2. College of Control Engineering, Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China

Based on inverted surface plasmon resonance (ISPR) a novel biosensor consisting of Ge20Ga5Sb10S65-palladium-graphene layer-biomolecule layer is proposed. The refractive index of biomolecule layer alters as biomolecule experience interactions, thus leading to a shift of ISPR angle. On this basis, the spectrum output of sensor is derived by transfer matrix method. The sensitivity, the resolution, the dynamic detection range and the signal to noise ratio of the presented sensor are discussed and compared with the performance of traditional sensors. Moreover, the influences of grapheme layer thickness on sensors are analyzed with comparative study. Finally, near infrared is used as the incident light of the presented sensor. The results show that, the best thickness of grapheme layer is monolayer; the peak intensity of the ISPR reflection is about 80%～90% of intensity of incident light, guaranteeing a high signal to noise ratio; In the visible light, whenλ=632.8 nm, the presented sensor is 1.9 times the resolution of the sensor based on SiO2coupling inverted surface plasmon resonance, is 3.5 times the resolution of the sensor based on surface plasmon resonance(SPR), and is 2 times the dynamic detection range of pre-existing biosensor based on SPR. The application of Ge20Ga5Sb10S65prism extends the detection light wavelength from the visible region to the near infrared region. Whenλ=1 000 nm, the sensor is 3～4 times of the sensor in visible region. The research greatly contributes to the realization and application of biosensor based on inverted surface plasmon resonance.

Inverted surface plasmon resonance; Biosensor; Resolution; Sensitivity; Signal to noise ratio

Feb. 26, 2015; accepted May 19, 2015)

2015-02-26，

2015-05-19

國家自然科學(xué)基金項目(61172044)，河北省百人計劃項目(4570018)和河北省自然科學(xué)基金項目(F2014501150)資助

李文超，1979年生，東北大學(xué)秦皇島分?？刂乒こ虒W(xué)院講師 e-mail: chao121328@sohu.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: lzq54@ysu.edu.cn

O433

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0571-06