基于色相算法的表面等離子體共振成像傳感器對苯并芘的敏感特性

范智博 龔曉慶 逯丹鳳 高 然 祁志美,2,*

(1中國科學院電子學研究所，傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室，北京100190；

2國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京102205；3中國科學院大學，北京100049)

基于色相算法的表面等離子體共振成像傳感器對苯并芘的敏感特性

范智博1,3龔曉慶1,3逯丹鳳1高 然1祁志美1,2,*

(1中國科學院電子學研究所，傳感技術(shù)聯(lián)合國家重點實驗室，北京100190；

2國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京102205；3中國科學院大學，北京100049)

報道了一種用于原位探測水中苯并芘的彩色表面等離子體共振成像(SPRI)傳感器，該傳感器既能提供直觀的圖像信息，又能借助色相算法定量分析待測物質(zhì)的濃度及其吸附/脫附過程。首先利用自制的波長-圖像同步檢測型SPR傳感器測試了裸金薄膜芯片在不同入射角下的共振波長和共振圖像，然后利用色相算法建立了SPR共振波長與圖像色相的依賴關(guān)系，基于該依賴關(guān)系獲得了SPR傳感器最佳色相靈敏度對應的起始共振波長約為650 nm；另一方面，制備了聚四氟乙烯涂覆的SPR傳感芯片，基于聚四氟乙烯膜對水中苯并芘的可逆富集作用實現(xiàn)了苯并芘的原位快速探測。實驗取得以下4個結(jié)果：(1)在20－100 nmol·L－1濃度范圍內(nèi)彩色SPR圖像的平均色相值隨著苯并芘濃度的升高線性減??；(2)對100 nmol·L－1的苯并芘的響應和恢復時間分別約為7和5 s；(3)由于聚四氟乙烯膜的厚度大于SPR消逝場穿透深度，檢測結(jié)果不受溶液折射率影響；(4)在聚四氟乙烯敏感膜厚度較小且不均勻的情況下，傳感器容許獲取敏感膜的不同厚度區(qū)域?qū)Ρ讲④诺纳囔`敏度。實驗結(jié)果有力地證明了這種彩色SPR圖像傳感器在生化物質(zhì)檢測中具有良好的應用前景。

彩色表面等離子體共振成像；色相；苯并芘；聚四氟乙烯富集層；原位檢測

1 引言

苯并芘(benzo[a]pyrene，BaP)是多環(huán)芳烴中極具代表性的一種物質(zhì)，因其具有致癌性、生物累積性、致畸性和致突變性而引起研究者的廣泛關(guān)注1－4。一般來說，苯并芘主要在燃料的不完全燃燒、食品的高溫加工等過程中產(chǎn)生5,6，對食品、空氣、土壤、水體等均會產(chǎn)生一定的污染。因此苯并芘的定量檢測對生態(tài)環(huán)境、食品安全、人體健康等方面均有著重要的意義。常規(guī)的苯并芘檢測方法主要有熒光分光光度法、氣相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法、高效液相色譜法、表面增強拉曼光譜法等7－11。但現(xiàn)有的檢測方法，大都存在樣品的預處理方法和富集濃縮過程較為復雜、檢測步驟較為繁瑣、儀器設備昂貴等缺點。這些缺點不僅會造成檢測時間和成本的增加，更會對檢測精確度的造成一定的影響。

表面等離子體共振成像(surface plasmon resonance imaging，SPRI)技術(shù)作為一種免標記、可實時監(jiān)測、高靈敏度的光學檢測技術(shù)12，近年來被廣泛應用于表界面物理化學反應的分析中13－16。常規(guī)的SPRI裝置主要由單色光源、棱鏡、電荷耦合元件(CCD)相機等構(gòu)成，并通過分析表面等離子體共振(SPR)圖像的灰度來得到外界折射率的定量信息17,18，但此類裝置通常需要對角度進行掃描檢測，存在著裝置穩(wěn)定性相對較低、時間分辨率差等諸多缺點。Knobloch等19于1996年首次提出將寬帶的白光作為SPRI的光源，對彩色SPR圖像進行采集。與常規(guī)的灰度SPR圖像采集裝置相比，彩色SPR圖像的采集裝置有著更好的穩(wěn)定性和時間分辨率20－22；并且灰度圖像只包含明和暗兩種狀態(tài)，而彩色SPR圖像則會出現(xiàn)多種顏色，包含了更多的波長變化信息23,24。

本文使用自制的波長/圖像同步檢測型SPR傳感器采集彩色SPR圖像，并利用色相算法對SPR圖像的波長信息進行提取和定量分析。實驗首先通過改變?nèi)肷浣嵌龋杉寺憬鸨∧ば酒诓煌嵌认碌腟PR圖像，并利用色相算法對其二維色相分布和平均色相進行計算，建立起共振波長與平均色相的依賴關(guān)系，通過該依賴關(guān)系對起始共振波長的選取進行討論和優(yōu)化。隨后在傳統(tǒng)的SPR芯片上涂布聚四氟乙烯疏水膜，制作苯并芘富集層，對苯并芘分子進行吸附，并選取650 nm作為起始共振波長，對不同濃度的苯并芘水溶液進行檢測，建立起圖像平均色相與苯并芘濃度、吸附脫附時間的關(guān)系。最后實驗使用不均勻的聚四氟乙烯薄膜對苯并芘進行吸附，通過彩色SPR圖像傳感器可得到局部區(qū)域的平均色相變化情況，從而有力地體現(xiàn)了SPR成像傳感器相比于常規(guī)SPR傳感器的優(yōu)勢。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

LS-1鹵鎢燈(美國Ocean Optics公司)；玻璃片(厚度為1 mm，633 nm波長處折射率為1.522，日本Matsunamia株式會社)；45°/45°/90°玻璃棱鏡(633 nm波長處折射率為1.799，北京北東光電自動化開發(fā)公司)；光纖準直器、線性偏振片(北京大恒光電技術(shù)公司)；多模石英光纖(浙江雷疇科技有限公司)；USB2000+可見光波段光譜分析儀(美國Ocean Optics公司)；彩色CCD相機(深圳顯盛儀器有限公司)；箱式馬弗爐(合肥科晶材料技術(shù)有限公司)；蠕動泵(保定蘭格恒流泵有限公司)。

苯并芘標準樣品溶液(4.95μg·mL－1，中國計量科學研究院)；聚四氟乙烯(PTFE,AF2400，美國杜邦公司)；實驗用水為去離子水(Milli-Q純凈水機制備)。

2.2 實驗裝置

2.2.1 實驗所用SPR傳感芯片制備

首先將玻璃基片用依次用丙酮、酒精、去離子水超聲、清洗并烘干后待用。在潔凈的玻璃基片上依次濺射3 nm鉻和50 nm金，制作SPR芯片。在共振波長與平均色相關(guān)系的確定實驗中，直接使用制得的SPR芯片。

苯并芘原位吸附實驗中使用的傳感芯片，在制得的SPR芯片上涂布600μL聚四氟乙烯；不均勻薄膜對苯并芘吸附實驗中使用的傳感芯片，在制得的SPR芯片上涂布100μL聚四氟乙烯，以得到不同厚度的聚四氟乙烯富集層。隨后將傳感芯片置于馬弗爐中進行煅燒，在120 min內(nèi)，由室溫加熱到200°C，高溫煅燒300 min，以去除富集層中的溶劑，從而形成富集層的多孔結(jié)構(gòu)，然后經(jīng)120 min勻速降溫至100°C，最后自然冷卻至室溫。

2.2.2 實驗裝置搭建

如圖1所示，實驗搭建了基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的波長/圖像同步檢測型SPR傳感裝置示意圖，將傳感芯片用高折射率耦合液緊密貼合于棱鏡上，并將樣品槽固定在傳感芯片表面，使芯片的敏感部分暴露在樣品槽內(nèi)。由鹵鎢燈發(fā)出的白光經(jīng)多模光纖和光纖準直器后變?yōu)橐皇鴾手毙暂^好的平行光束，經(jīng)過線性偏振片后，該平行光束變?yōu)閜-偏振光。入射光經(jīng)高折射率棱鏡以一定角度入射到金/聚四氟乙烯界面并發(fā)生全反射，當入射光波矢與金/聚四氟乙烯界面的等離子波矢發(fā)生匹配時，即可發(fā)生表面等離子體共振效應，隨即引發(fā)能量耦合。反射光經(jīng)棱鏡進入彩色CCD相機的鏡筒中，經(jīng)過鏡筒中的半透半反鏡后，一部分反射光通過匯聚透鏡和傳光光纖進入可見光光譜儀，另一部分反射光則進入彩色CCD相機進行成像。

由于在金/聚四氟乙烯界面處發(fā)生了表面等離子體共振，所以通過光譜儀可以觀察到反射光光譜在共振波長處有一個低谷。同時，伴隨著一定波長的光被吸收，SPR圖像會呈現(xiàn)一定的顏色，且該顏色為被吸收光的波長所對應顏色的補色。當聚四氟乙烯膜的折射率發(fā)生變化時，共振波長隨之改變，而彩色SPR圖像的顏色也會發(fā)生改變，通過對SPR圖像顏色的定量分析即可獲得外界折射率的定量變化信息。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram ofexperimentalsetup CCD:charge-coupled device;SPR:surface plasmon resonance

2.3 色相算法

圖像的R、G、B(三元色)值同時包括了光的波長信息和強度信息，因此對圖像的顏色進行定量分析時，需要將R、G、B值中的波長信息進行單獨提取，來獲得顏色與外界折射率的定量關(guān)系。1978年Smith25根據(jù)顏色的直觀特性創(chuàng)建了HSV(色相Hue、飽和度Saturation、明度Value)色彩空間，該色彩空間中的色相值(Hue)只與決定該顏色的光的波長有關(guān)，并且可利用圖像的R、G、B值進行直接的轉(zhuǎn)換計算。其具體計算方法如下：

首先提取一個像素的R、G、B中的最大值和最小值，如公式(1)、(2)所示：

當最大值為R時，色相H的計算公式如公式(3)所示：

當最大值為G時，色相H的計算公式如公式(4)所示：

當最大值為B時，色相H的計算公式如公式(5)所示：

由公式(3)、(4)、(5)可知，在計算過程中色相值將R、G、B值中所含的光強信息均進行了歸一化處理，使得所得色相值只含有決定顏色的波長信息。通過色相算法既可對SPR圖像的二維色相分布進行計算，將圖像中所有像素點的色相進行平均，建立起平均色相與共振波長和外界折射率的定量關(guān)系；進而可對SPR圖像中某一局部區(qū)域的色相進行定量分析，得到局部區(qū)域的色相變化，從而克服了共振光譜無法獲取局部區(qū)域的信息這一缺點。

2.4 實驗方法

在建立共振波長與平均色相關(guān)系的實驗中，將SPR芯片用高折射率耦合液與棱鏡貼合，通過旋轉(zhuǎn)棱鏡下的旋轉(zhuǎn)臺來使得共振波長處于600 nm左右，采集此時的共振光譜和SPR圖像。隨后繼續(xù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺改變?nèi)肷浣嵌龋沟霉舱癫ㄩL每次紅移10 nm左右，采集對應的共振光譜和SPR圖像。

在苯并芘原位吸附檢測中，首先將購買的苯并芘標準溶液用去離子水稀釋至20、40、60、80、100 nmol·L－1。將傳感芯片與棱鏡貼合，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺，調(diào)節(jié)入射角度，使得起始共振波長為650 nm左右，采集初始狀態(tài)下的SPR圖像，保持該角度不變，將不同濃度的苯并芘水溶液由低濃度到高濃度，依次用蠕動泵泵入樣品槽中。每泵入一個濃度的溶液后，需靜置一段時間，直至共振光譜及SPR圖像顏色不再改變，對SPR圖像進行采集。每檢測一個濃度的苯并芘溶液后，將樣品泵出至廢液池中，并向樣品槽中泵入去離子水對傳感芯片進行清洗，直至共振光譜和SPR圖像顏色與初始狀態(tài)一致，以排除上次實驗的干擾。在吸附時間的測試中，向樣品槽中一次性加滿100 nmol·L－1的苯并芘水溶液，每隔1 s對SPR圖像進行一次采集，直至圖像顏色不再變化為止；在脫附時間的測試中，將樣品槽中的苯并芘溶液泵出，一次性向樣品槽中加滿去離子水，每隔1 s對SPR圖像進行一次采集，直至圖像顏色不再變化為止。

在不均勻薄膜吸附苯并芘的實驗中，使用厚度不均勻的傳感芯片，首先調(diào)節(jié)入射角度，使得不同厚度的區(qū)域出現(xiàn)明顯的顏色差，采集此時的共振光譜和SPR圖像，保持該角度不變，將100 nmol·L－1的苯并芘水溶液泵入樣品槽，靜置直至圖像顏色和共振光譜均不再發(fā)生變化后將溶液泵出，對共振光譜和SPR圖像進行采集。若無特殊說明，本文所選取的SPR圖像大小均為300×300像素。

圖2 (a)不同入射角度下的共振光譜；(b)不同共振光譜對應的SPR圖像；(c)不同SPR圖像對應的二維色相分布；(d)平均色相與共振波長的關(guān)系Fig.2(a)Resonance spectra measured at different incident angles;(b)SPRimages corresponding to different resonance spectra;(c)two-dimensional(2D)hue profiles corresponding to different SPR images; (d)average hue versus resonance wavelength

3 結(jié)果與討論

3.1 共振波長與平均色相關(guān)系

由于SPR圖像的顏色與共振波長存在依賴關(guān)系，所以共振波長靈敏度在一定程度上決定了色相靈敏度。通常波長調(diào)制型SPR傳感器的靈敏度隨起始共振波長的增大而增大26，在同時考慮共振波長的動態(tài)變化范圍的情況下，實驗中選取的起始共振波長為600 nm左右，對平均色相和共振波長的關(guān)系進行確定。圖2(a)為在不同入射角下測得的共振光譜，共振波長的范圍為605.92－696.66 nm。圖2(b)為在不同的共振光譜所對應的SPR圖像，當共振波長較小時，SPR圖像為綠色，隨著共振波長的不斷紅移，對應的SPR圖像顏色逐漸由綠色變?yōu)辄S色。

對SPR圖像的二維色相分布進行計算，結(jié)果如圖2(c)所示，隨著SPR圖像顏色由綠色變?yōu)辄S色，其二維色相分布也逐漸發(fā)生變化，呈逐漸下降的趨勢。將所選區(qū)域的所有像素的色相值進行平均，如圖2(d)所示，在共振波長不斷紅移的過程中，對應的SPR圖像的平均色相由78.2下降至45.6，并且在646.99－666.42 nm區(qū)間內(nèi)其變化量為22.4，變化量為所有區(qū)間中最大值，所以可確定該區(qū)間為色相敏感區(qū)間。綜上所述，在實驗中可選擇650 nm作為起始共振波長，以獲得較高的色相靈敏度。

3.2 苯并芘原位吸附檢測

圖3(a)、3(b)分別為外界環(huán)境為空氣和水所對應的SPR圖像和共振光譜。由圖中的實驗結(jié)果可知，當外界環(huán)境由空氣變?yōu)樗?，無論是共振光譜還是SPR圖像及其二維色相分布均未發(fā)生改變，這說明該傳感芯片對外界折射率并不敏感，所以苯并芘水溶液所引起的SPR圖像顏色的改變是由于苯并芘分子吸附在富集層內(nèi)，改變了富集層折射率的結(jié)果。

圖3 (a)外界環(huán)境分別為空氣和水所對應的SPR圖像及其二維色相分布；(b)外界環(huán)境分別為空氣和水所對應的共振光譜Fig.3(a)SPRimages and the corresponding 2Dhue profiles measured in air and water; (b)resonance spectra measured in air and water claddings

圖4(a)不同濃度苯并芘水溶液所對應的SPR圖像及其二維色相分布；(b)平均色相與苯并芘水溶液濃度的關(guān)系Fig.4(a)SPR images recorded with aqueous BaP solutions of different concentrations and the corresponding 2D hue profiles;(b)average hue versus BaP concentration

圖4 (a)是不同濃度的苯并芘水溶液所對應的SPR圖像及其二維色相分布。與初始狀態(tài)下的SPR圖像相比，當富集層吸附了苯并芘后，SPR圖像的顏色會發(fā)生改變，并且隨著苯并芘濃度的增大，富集層中的苯并芘分子逐漸增多，SPR圖像的顏色由綠色變?yōu)辄S綠色，最終變?yōu)辄S色。通過其二維色相分布可知其色相值呈逐漸下降的趨勢。

圖4(b)顯示了SPR圖像的平均色相與苯并芘濃度的依賴關(guān)系。圖像的平均色相隨著苯并芘水溶液濃度的增大而下降，且二者呈線性關(guān)系，其擬合方程為：y=67.407－0.156x，斜率為ΔHue/ΔC=－0.156 L·nmol－1，即苯并芘的濃度每改變10 nmol·L－1，SPR圖像的平均色相下降1.56，擬合度為R2=0.988。實驗結(jié)果表明，通過對SPR圖像的平均色相進行定量分析，可對20－100 nmol·L－1的苯并芘水溶液進行有效的定量檢測，且濃度與平均色相的線性關(guān)系良好。

圖5 (a)不同吸附時間對應的SPR圖像及其二維色相分布；(b)平均色相與吸附時間的關(guān)系Fig.5(a)SPRimages recorded at different adsorption time and the corresponding 2D hue profiles; (b)average hue versus adsorption time

圖6(a)不同脫附時間對應的SPR圖像及其二維色相分布；(b)平均色相與脫附時間的關(guān)系Fig.6(a)SPR images recorded at different desorption time and the corresponding 2D hue profiles; (b)average hue versus desorption time

圖5 (a)是向樣品槽中加入100 nmol·L－1的苯并芘水溶液后，不同吸附時間所對應的SPR圖像及其二維色相分布，隨著吸附時間的推移，苯并芘分子在富集層內(nèi)的吸附量逐漸增加，富集層的折射率隨之增大，相應的SPR圖像逐漸由綠色變?yōu)辄S色，其色相也隨之下降。

如圖5(b)所示，SPR圖像的平均色相與吸附時間呈指數(shù)下降的關(guān)系，并且隨著吸附時間的推移，平均色相由67.1下降至51.1。其擬合方程為：y=16.940exp(－x/2.230)+50.373，擬合度為：R2= 0.998。通過對平均色相的分析可知，在7 s時圖像的平均色相不再發(fā)生變化，吸附達到飽和。

圖6(a)是向樣品槽中加入去離子水后，不同脫附時間下所對應的彩色SPR圖像及其二維色相分布，隨著清洗脫附時間的增加，苯并芘分子在富集層內(nèi)的吸附量逐漸下降，富集層的折射率降低，相應的SPR圖像的顏色逐漸由黃色變?yōu)榫G色，其平均色相也逐漸增大。

通過計算圖像平均色相，如圖6(b)所示，可知SPR圖像的平均色相逐漸由50.2上升至68.3，并且與脫附時間呈指數(shù)上升的關(guān)系，其擬合方程為：y=－18.904exp(－x/1.605)+69.018，擬合度為：R2=0.998。通過對SPR圖像平均色相的計算，可知在5 s時，其平均色相不再發(fā)生變化，達到完全脫附的狀態(tài)。

通過苯并芘水溶液的原位吸附實驗，可以說明涂布有聚四氟乙烯疏水膜的傳感芯片可對苯并芘分子進行有效吸附，通過色相算法可對20－100 nmol·L－1的苯并芘水溶液進行定量檢測，并可以測得傳感芯片對100 nmol·L－1的苯并芘水溶液的吸附、脫附時間分別為7和5 s。綜上所述，使用該方法對苯并芘進行檢測，具有免標記、靈敏度高、可重復測試等特點。

3.3 不均勻薄膜對苯并芘的吸附

為了體現(xiàn)SPR圖像相對于SPR光譜的優(yōu)勢，實驗利用厚度不均勻的聚四氟乙烯薄膜對苯并芘進行吸附測試，由于此時的聚四氟乙烯膜較薄，芯片對外界折射率敏感，所以實驗采用離位測試的方法。圖7(a)為吸附苯并芘前SPR圖像及其二維色相分布，由于聚四氟乙烯薄膜的厚度較薄且并不均勻，所以在固定角度下，SPR圖像的顏色呈綠色和黃色相間分布。綜合圖像所對應的二維色相分布和上文3.1中的實驗結(jié)果可知，色相值較高的區(qū)域其共振波長較小，該區(qū)域聚四氟乙烯膜的厚度也就越薄，反之亦然。

圖7 (a)吸附苯并芘前所對應的SPR圖像及其二維色相分布；(b)吸附苯并芘后所對應的SPR圖像及其二維色相分布(插圖：所選區(qū)域的放大圖)Fig.7(a)and(b)SPR images and the corresponding 2D hue profiles measured before and after adsorption insets:magnified view of the selected regions

圖8(a)吸附苯并芘前后對應的共振光譜；(b)所選不同區(qū)域的平均色相變化的對比(共振波長變化同樣在圖中給出)Fig.8(a)Resonance spectra measured before and after adsorption;(b)comparison of the hue changes for two selected regions(ΔλRfor the area of spot was also shown)

圖7 (b)為傳感芯片吸附苯并芘之后的SPR圖像及其二維色相分布，與吸附之前相比，由于聚四氟乙烯富集層的折射率增大，從SPR圖像可直觀看出綠色區(qū)域變?yōu)辄S色，而黃色區(qū)域的顏色在吸附前后的變化均不明顯。通過計算可知圖7(a)中區(qū)域1、2(5×5個像素)的平均色相分別為33.7、74.8。而吸附了苯并芘后，如圖7(b)所示，兩個區(qū)域的平均色相分別下降為33.1、53.4，其變化量分別為0.6、21.4。此時區(qū)域1有著更高的色相靈敏度，這是由于在該入射角度下，不同厚度的區(qū)域的起始共振波長會出現(xiàn)明顯的差距，并且區(qū)域1的起始共振波長恰好處于色相敏感區(qū)間內(nèi)；而區(qū)域2由于薄膜較厚，在同一角度下，其起始共振波長相較區(qū)域1會發(fā)生一定量的紅移，從而處于色相的非敏感區(qū)間內(nèi)。

吸附苯并芘前后對應的共振光譜如圖8(a)所示，由于富集層吸附了苯并芘分子，共振波長由661.58 nm紅移至670.56 nm，改變量為8.98 nm。如圖8(b)所示，通過對共振波長偏移量與局域平均色相變化量進行比較，可知共振光譜的偏移量大小處于區(qū)域1和區(qū)域2的平均色相變化量之間。共振光譜的偏移量反映的是反射光斑(直徑約為5 mm)的集體行為，是不同局部區(qū)域平均后的結(jié)果。一般來說，采集局部區(qū)域的共振光譜難以實現(xiàn)，而通過SPR圖像和二維色相分布的計算則可獲得局部區(qū)域的色相大小，對該區(qū)域的共振波長的判斷起到一定的指導性作用。綜上所述，與傳統(tǒng)SPR傳感器相比，彩色SPR成像傳感器可以得到某一局部區(qū)域的對苯并芘的吸附情況，從而克服了共振光譜只能對反射光集體行為進行探測這一缺點。

4 結(jié)論

本文報道了基于色相算法的表面等離子體共振成像傳感器對苯并芘的敏感特性，該方法既可以通過彩色SPR圖像對苯并芘在富集層中的吸附進行直接觀測，又可以利用色相算法對苯并芘水溶液濃度和吸附、脫附時間進行定量分析。實驗首先通過改變?nèi)肷浣嵌?，采集不同共振波長所對應的彩色SPR圖像，通過對其二維色相分布及平均色相的計算，建立了平均色相與共振波長的關(guān)系。根據(jù)該依賴關(guān)系，對傳感器在用于苯并芘檢測時的起始共振波長進行了進一步的討論和優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，圖像的平均色相在646.99－666.42 nm區(qū)間內(nèi)變化量為22.4，所以可以取650 nm作為起始共振波長。隨后使用涂布有聚四氟乙烯疏水膜的SPR芯片作為傳感芯片，對苯并芘水溶液進行吸附檢測，實驗結(jié)果表明該方法可對20－100 nmol·L－1的苯并芘水溶液進行有效的定量檢測。實驗通過對100 nmol·L－1的苯并芘水溶液進行吸附、脫附時間測試，結(jié)果表明傳感芯片對100 nmol·L－1的苯并芘水溶液響應時間約為7 s，恢復時間約為5 s。最后，為了體現(xiàn)SPR圖像傳感器相對于傳統(tǒng)SPR傳感器的優(yōu)勢，實驗利用厚度不均勻的聚四氟乙烯膜對100 nmol·L－1的苯并芘水溶液進行離位吸附檢測，通過對其二維色相分布進行計算，可知所選的兩個大小為5×5像素的局部區(qū)域的平均色相在吸附苯并芘前后的變化量分別為0.6、21.4，而此時共振波長的偏移量為8.98 nm，由此可知共振光譜為反射光集體行為的平均結(jié)果。彩色SPR圖像傳感器不僅能夠給出整幅圖像的平均色相對待測物質(zhì)的靈敏度，還容許獲取圖像的不同局部區(qū)域的色相對待測物質(zhì)的響應量，與常規(guī)SPR傳感器相比具有明顯優(yōu)勢。

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Benzo[a]pyrene Sensing Properties of Surface Plasmon Resonance Imaging Sensor Based on the Hue Algorithm

FAN Zhi-Bo1,3GONG Xiao-Qing1,3LU Dan-Feng1GAORan1QIZhi-Mei1,2,*
(1State Key Laboratory ofTransducer Technology,Institute of Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100190,P.R.China;2State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian,Beijing 102205,P.R.China;3University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,P.R.China)

A colorfulsurface plasmon resonance imaging sensor for the in-situ detection ofbenzopyrene(BaP) in water is presented in this paper.The sensor can provide intuitive image information and can also quantitatively analyze the concentration and adsorption/desorption processes ofthe analyte by combining the hue algorithm. Both the resonance wavelengths and resonance images for a bare gold film chip were obtained atdifferent incident angles using a home-made surface plasmon resonance(SPR)sensor thatpossesses wavelengthinterrogating and imaging capabilities.The relationship between the resonance wavelength and the average hue ofthe color image was established based on the hue algorithm.From this relationship,the initialresonance wavelength at which the SPR sensor can provide optimalhue sensitivity was derived,which was～650 nm. Polytetrafluoroethylene(PTFE)-coated SPR sensor chips were prepared for the in-situ rapid detection of BaP in water based on the reversible enrichmentof BaP molecules in the PTFE film.The results showed that:(1) the average hue ofthe SPR colorimage decreases linearly as BaPconcentration increases from 20 to 100 nmol·L－1;(2)both the response time and recovery times ofthe SPR sensor for 100 nmol·L－1BaP are 7 and 5 s, respectively;(3)since the thickness ofthe PTFE film is greater than the penetration depth ofthe surface plasmon field,the BaP detection is notaffected by the refractive index ofthe solution sample;and(4)in the case ofa non-uniform PTFE film,the sensor allows to determine the hue sensitivities for equal-thickness microscale areas ofthe sensing film.The experimentalresults show thatthis type ofcolorfulSPR imaging sensor has widespread applicability for chemicaland biologicaldetection.

Colorsurface plasmon resonance imaging;Hue;Benzo[a]pyrene;PTFE sensing film; In-situ detection

O647；TP212.14

Klimisch,H.J.Anal.Chem.2002,45(11),210.

10.1021/ ac60333a053

doi:10.3866/PKU.WHXB201701131

Received:December 1,2016;Revised:January 13,2017;Published online:January 13,2017.

*Corresponding author.Email:zhimei-qi@mail.ie.ac.cn;Tel:+86-10-58887196.

The projectwas supported by the National Key Basic Research Program of China(973)(2015CB352100),National Natural Science Foundation of China(61377064,61675203)and Research Equipment Development Projectof Chinese Academy of Sciences(YZ201508).

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目(973)(2015CB352100),國家自然科學基金(61377064,61675203)及中科院科研裝備研制項目(YZ201508)資助?Editorialoffice ofActa Physico-Chimica Sinica