LSPR传感器的研究.docx
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LSPR传感器的研究
南开大学
本科生毕业论文(设计)
中文题目:
LSPR生物传感器的研究
外文题目:
TheResearchoftheLSPRBiosensor
学号:
0410496
姓名:
孙晓雪
年级:
2004级
学院:
信息技术科学学院
系别:
电子科学与技术系
专业:
电子科学与技术
完成日期:
2008年5月12日
指导教师:
刘国华教授
南开大学本科毕业论文(设计)诚信声明
本人郑重声明:
所呈交的毕业论文(设计),题目《LSPR生物传感器的研究》是本人在指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。
除此之外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
本人完全意识到本声明的法律结果。
毕业论文(设计)作者签名:
日期:
年月日
LSPR生物传感器的研究
摘要
目前,基于局域表面等离子体共振(LSPR)现象的传感研究是一个热点方向,这种方法在器件开发和相关应用上均有很大的潜力。
LSPR传感器具有一些优于传统SPR传感器的特性,在物理、化学和生物方面的特性测量分析上应用方便,效果显著,有很高的开发潜力。
这篇文章是一个综述性的文章,首先介绍了LSPR技术目前的发展状况,对LSPR技术的原理和特点进行了归纳,并总结了目前已经成型的几种LSPR传感部件和系统的制作方法和技术要素,以及在实验中的应用领域。
同时,它对基于LSPR的传感器传感芯片的未来发展趋势和商业化前景也作出了讨论。
关键词局域表面等离子体共振(LSPR);纳米粒子;生物传感器
TheResearchoftheLSPRBiosensor
Abstract
Recently,theresearchofthelocalizedsurfaceplasmonresonance(LSPR)isahotspot.ALSPR-basedmethodhasahighpotentialindevelopmentsofdevicesandrelatedapplications.ALSPR-basedsensorhassomecharacterswhicharebetterthanatraditionalSPR-basedsensor.Itcanbeusedconvenientlytodetectandanalyzethecharactersofphysics,chemistryandbiology,andalsocangiveveryusefulandpotentresults.Thispaperisareview.Firstly,itintroducestherecentstatusoftheLSPR-basedtechnologiesandconcludestheproducingmethodsandtechnicalpointsofsomerecentLSPR-basedsensingsystems.Italsoinvolvestheattemptsintheexperiments.Meanwhile,itdiscussesthefuturedevelopmentsandcommercialviewsofLSPR-basedsensorsandchips.
KeyWordsLocalizedSurfacePlasmonResonance(LSPR);Nanoparticle;Biosensor
目录
摘要0
1.简介1
2.LSPR定义2
3.LSPR与SPR的区别4
4.DDA算法6
5.LSPR传感系统的基本构造7
5.1基于光纤的生物传感系统7
5.2基于反射的光纤(RFO)传感系统8
6.LSPR传感器的构造9
7.LSPR传感器制作工艺10
7.1基于电光调制的LSPR生物传感器的制作10
7.2在玻璃表面固定金纳米棒11
7.3金纳米线表面结合自组装分子11
7.3.1金纳米线阵列芯片的制作11
7.3.2自组装分子层结合12
7.4利用NSL技术制作Ag纳米微粒12
7.5银纳米结构薄膜13
7.6金纳米井芯片的制作13
8.LSPR传感技术的工艺方法14
8.1光学系统的材料和技术14
8.1.1一种匹配生物传感器的光纤探针的制作14
8.1.2金纳米粒子修饰的光学纤维的制备14
8.2材料表面图案加工工艺15
8.2.1纳米刻蚀图案过程15
8.2.2利用NSL拓展技术制作纳米孔阵16
8.2.3利用μCP技术在纳米粒子层表面形成图案17
9.LSPR传感器的应用实例18
9.1LSPR传感器应用于测量物理量18
9.1.1金纳米线阵列表面结合自组装分子的LSPR光谱测量方法18
9.1.2纳米粒子表面典型消光光谱的测量19
9.2LSPR传感器在化学传感领域的应用20
9.2.1基于纳米Ag粒子的表面等离子体共振光谱测定CN-的测定方法20
9.2.2利用LSPR传感器检测有机磷杀虫剂20
9.3LSPR传感器在生物传感领域的应用21
9.3.1以氯金酸氧化还原反应为基础的蛋白质病人血清样本中的葡萄糖LSPR传感探测21
9.3.2使用基于LSPR的纳米芯片蛋白质的无标记监测21
9.3.3使用LSPR的重组细胞蛋白质表达分析22
10.LSPR传感器技术的商业化23
11.LSPR传感器的未来发展趋势24
12.总结25
参考文献26
致谢31
一、简介
近年来,纳米材料由于其独特的光学、电磁学和力学特性而得到了研究人员的广泛关注。
贵金属纳米粒子显示了很强的紫外-可见光吸收带特性,绝大多数金属中都没有这种性质[1-8]。
科学研究表明,贵金属纳米粒子悬浮液的这种特有性质取决于它们同光的强烈作用,而对纳米粒子光学领域的研究又使得对于材料的成分,尺寸,形状,以及局部绝缘环境和金属悬浮液的测色等等之间的关系有了更深层次的理解。
对贵金属纳米粒子的光学性质的研究在理论和实践上都具有重要的意义。
从理论上说,它对于系统研究纳米量级结构和引起光学性质变化的局部环境因素,以及预测结构的变化等起到了十分重要的作用。
从实践上说,如果纳米结构的光学性质可调试,则它可以应用于表面增强光谱[9-13],光学滤波器[14,15],等离子体设备[16-19]和传感器等领域。
目前局域表面等离子体共振(LSPR)的形成以及它载体上的金和银纳米粒子的光学特性都具有很大的吸引力[20,21]。
金和银纳米粒子在各种纳米光学的应用,如生物芯片[22-25],以及纳米尺度[26]方面都得到了广泛的重视和研究。
被测溶液和固定在衬底表面的粒子之间的反应能够引起的生物分子层厚度的变化,而基于LSPR的检测方法就能够对这种即时变化进行检测[27,28]。
我们知道,纳米粒子,如金和银,在可见光区域有强吸收作用,这就是通常所说的LSPR吸收。
这种LSPR现象发生时,入射光子频率同金属纳米粒子或金属岛传导电子的整体振动相匹配。
纳米量级的粒子在紫外-可见光区域表现出独特的光学响应[29,30],它们的吸光率随着光子能量的减少呈指数衰减(被称为Mie散射),在这个区域会出现LSPR带,对于粒子材料来说,它是叠加而成的。
研究显示,表面等离子体能量和强度对粒子结构和周围环境媒介等很多因素敏感[31-36]。
贵金属纳米粒子由于其独特的光学特性,即它们有在普通金属的光谱中不存在的强烈等离子体共振光谱吸收带[37],同时,基于LSPR的设备还能够与简单光学系统同时建立,这也使得对贵金属纳米粒子基于LSPR派生的各种传感器的技术研究十分热门。
由于纳米材料与生物高分子、蛋白质、核酸等在尺寸大小上具有相同的量级,所以在生物医学领域,基于LSPR的各种传感器技术的研究和优化的工作也在进行之中。
生物领域中的药物研究、生物传感、细胞标记、定点诊断、分子动力学研究以及载体治疗等方面的应用,都是以生物分子和纳米材料之间的相互作用为基础的。
LSPR纳米传感器在检测生物分子方面应用很广泛[22,38,39]。
生物传感技术被应用于大蛋白和抗体的检测。
以通过NSL技术(纳米球光刻术)制得的银纳米粒子为例,当增加被吸附物层的密度和厚度时,会产生连续波长的红移。
纳米粒子表面的分子的大小和密度决定波长的移动响应,表面结合的配体和溶液中的目标分子共同决定系统的检测能力。
因为系统显示没有非特异性结合[22],所以整个反应归因于分子间的配对选择。
LSPR纳米传感器的性能优化可通过调整纳米粒子的大小和形状实现[32,40]。
理论计算表明,纳米粒子角上的电磁场强度放大区域[40]以及整个可调传感区域,与环绕在纳米粒子周围的平均感生电磁场有关[32]。
于是,随着进一步的研究成果,我们可以将纳米传感器应用于相关生物系统中来进行诊断操作,如老年痴呆症的诊断。
基于LSPR技术的无标记光学生物传感器在继承了很多传统SPR传感器的优良特性的基础上,实时无标记监测分子动力学相互作用的能力也得到了进一步的发展。
这种生物传感器容易制造,使用方便,只需要紫外-可见光分光计或者平板扫描仪辅助。
值得注意的是,无标记光学生物传感器在基于阵列的形式下,能够方便并多元化实现高度检测生物分子之间的相互作用。
二、LSPR定义
LSPR现象是仅限于金属纳米粒子(有时被当作金属簇)和金属纳米结构中的传导电子共振现象[41-45]。
它发生在金属纳米结构中,如纳米粒子,纳米三角形[46],纳米岛[42]等。
当光子跟金属纳米粒子中的传导电子振动相匹配时,就会产生LSPR现象。
用入射波长能够激发共振的电场激励LSPR,会产生强光散射,出现强表面等离子体吸收带,同时局部电磁场增强。
纳米粒子在紫外光区域表现出唯一的光学响应[30],吸光率随着光能的减少呈指数衰减(Mie理论),出现LSPR带。
表面等离子吸收带的频率、最大吸收波长和强度高度取决于材料的化学成分(金,银,铂等贵金属),纳米粒子的尺寸,分布和纳米结构形状,以及它们周围的环境[31,32,36,47]。
LSPR器件制作十分容易,它不需要特殊的系统结构,如衰减全反射(ATR)光学或波导耦合器件,它可以通过利用NSL等技术达到很高的小型化程度。
这些性能使基于LSPR的传感器得到了高度的关注。
当入射光子频率与金属纳米粒子中的自由电子的集体振动发生共振时,会产生LSPR现象。
最简单的纳米粒子光学响应模型是Mie理论,它描述长波长段球形金属颗粒的消光量。
具体形式如下[37]:
其中,E(λ)为消光量,即吸收和散射光量的总和;NA是纳米粒子的局部密度;a是金属纳米球体的半径;εm是金属纳米球体周围介质的介电常数(假设为正实数,且与波长不相关);λ是入射光波长,εi是金属纳米球体介电常数的虚部;εr是金属纳米球体介电常数的实部。
容易看出,当分母中的共振项(εr+2εm)2接近零时,即达到了LSPR的共振条件。
从这个最原始的模型中可以看出,掩埋于周围介电环境中的金属纳米球体颗粒的LSPR光谱特性取决于以下几个方面:
纳米粒子的半径a、纳米粒子材料(εi和εr)以及纳米粒子周围介质的介电常数εm。
进一步研究表明,在实际情况中,即纳米粒子不是球体时,吸收光谱将取决于纳米粒子的直径、高度和形状。
在这种情况下,分母中的共振项应写作
其中χ是形状因子项[11],用来描述纳米粒子形貌比例。
5:
1的纳米粒子形貌比率所对应的χ的值从2(对于球体来说)最大可增加至17。
此外,很多样品为沉积在衬底表面的纳米粒子集合。
因此,LSPR还取决于粒子间距和表面绝缘常数。
LSPR消光导致波长的选择性吸收并伴有极大的摩尔消光系数,大概~3×1011L/(M·cm)[48],效率相当于106个荧光分子[51]产生的共振瑞利散射[49,50],以及在纳米粒子表面增强的局部电磁场,这是在所有表面增强光谱中观测到强烈信号的原因,如表面增强拉曼散射(SERS)和表面增强荧光[31,32]。
由式
(1)还可以看出,贵金属纳米粒子的最大消光位置高度取决于周围环境的电介质性质,并且纳米粒子最大消光波长的移动能够被用于检测纳米粒子周围由分子引起的变化。
因此,至少有4种不同的基于纳米粒子的传感机理,它们均取决于LSPR消光变化或者LSPRλmax散射强度变化。
这些机理分别是:
(1)来自类似于荧光染料标记的纳米粒子标记中的共振瑞利散射[39,50,51,52-57],
(2)纳米粒子聚合[58-63],(3)纳米粒子表面电荷转移的相互作用[46,64-68],(4)局部折射率变化[22,28,32,38,46,69-75]。
三、LSPR与SPR的区别
多项研究表明,基于LSPR的纳米传感器的传导机理与平面传感器的传导机理一致,是SPR传感器的拓展和延续。
在近20年来,SPR传感器,利用折射率的原理来探测接合在金属表面[76]上或其附近的分析物,并且被广泛的用于检测一系列的分析物的表面接合相互作用,包括小分子的吸收[77,79,80],配体受体结合[77,81-83],蛋白质在自组装单层膜上面的吸收[84-86],抗体抗原结合[87],DNA和RNA杂交[88-91]以及蛋白质DNA的相互作用[92]。
就SPR技术来说,它有三个明显的缺点:
(1)SPR的共振角和共振波长的移动检测模式需要大量的光学阵列来实现[87,93,94];
(2)局限于一些平方微米量级的信号传感元的尺寸,特别典型的是10μm×10μm[95];(3)实时性不强。
比较SPR和LSPR传感器,它们非常明显的区别是折射率的灵敏度和特征电磁场的衰变波长。
由于SPR传感器具有大折射率灵敏度(≈2×106nm/RIU)[79],所以,SPR响应经常通过单位折射率的变化来体现。
LSPR纳米传感器,从另一方面上说,折射率灵敏度则逊色一些(≈2×102nm/RIU)[46]。
可以看出LSPR纳米传感器在这方面上比SPR传感器低了4个量级,表面上SPR传感器在灵敏度上要比LSPR传感器高10,000倍,但事实并不如此。
就现阶段应用研究中所需要的灵敏度来说,两个传感器都可以很好的满足要求。
特征电磁场的短的可调的衰变长度ld,可以使LSPR纳米传感器的灵敏度提高[31,32]。
LSPR纳米传感器的ld大概在5-15nm或者光波长的1-3%,并且取决于尺寸,形状,以及纳米粒子的成分;SPR传感器的衰变长度大约在200-300nm或是光的波长的15-25%的。
由此可见,二者在这方面具有很大的区别[79]。
SPR和LSPR的最小足纹也是不同的。
在实际中,SPR传感器需要至少10×10μm2的区域进行传感实验。
对于LSPR传感器,这个尺寸可以通过单一纳米粒子技术最小化为大量独立的传感元件(1010个纳米粒子在一个2mm2点位上,纳米球直径=400nm)或纳米粒子(直径约为20nm)[57]。
这种纳米粒子方法能够达到和SPR传感器一样的效果,由此它的像素尺寸可以减小到100nm2以下。
由于更低的折射率灵敏度,LSPR纳米传感器不需要温度控制,而SPR传感器(大折射率灵敏度)需要。
另外,LSPR和SPR传感器之间最值得关注的区别就是造价。
已经投入商业使用的SPR设备的造价在150,000到300,000美元之间,而处于实验阶段的便携式LSPR系统的造价则少于5,000美元。
由于LSPR中的消光现象是由纳米粒子对光的吸收和散射造成的,因此LSPR的实现不需要表面等离子体共振(SPR)那样庞大的实验装置。
LSPR技术可以制作出体积小、系统设置简单的生物传感器,较传统的SPR生物传感器有很大的差别。
但是,这两种传感器之间存在着一个相同的关系。
它们的全响应都能够通过如下等式来描述[79]:
这里Δλmax是波长移位响应,m是折射率灵敏度,Δn是折射率由吸收引起的折射率变化量,d是有效吸收层的厚度,ld是特征电磁场的衰变长度。
值得注意的是,对于平面LSPR传感器,这个等式在数值上说明了传感器上吸附物的影响。
当用于LSPR纳米传感器的时候,这个指数方程不仅近似于吸收物层的响应,还对它的响应在数值上作了详细的解释[31,32]。
同SPR传感器类似,LSPR纳米传感器的灵敏度取决于距离,而距离取决于来自纳米粒子表面电场的平均诱发区域。
为了清晰的说明,列表总结LSPR技术与SPR技术的比较如下(表1):
表1LSPR传感器与SPR传感器的比较
特性
SPR
LSPR
无标记检测
可以[78,80,89,100]
可以[22,38,46,57]
距离影响
~1000nm[79]
~30nm(尺寸可调)[31,32]
折射率灵敏度
2×106nm/RIU[77,79,81,97]
2×102nm/RIU[31,46]
模式
角位差[94],波长差,成像
消光[22],散射[39,57],成像[39,57]
温控要求
需要
不需要
化学识别
SPR-Raman
LSPR-SERS
场移植
不可以
可以
商业应用
开始
尚未
造价
$150,000-$300,000
$5,000(多粒子),$50,000(单粒子)
空间分辨率
~10×10μm[95,101]
1个纳米粒子[39,57,96]
非特定约束
最小(取决于表面化学成分和清洗)[77,97,98,100,102]
最小(取决于表面化学成分和清洗)[22]
实时测量
时间范围=10-1-103s,平面扩散[77,80,98,99,103]
时间范围=10-1-103s,幅射扩散[57]
多通道能力
可以[93,104]
可以并有研发潜力
小分子灵敏性
好[77]
更好[31]
微流体兼容性
有
有研发潜力
四、DDA算法
离散偶极近似算法(DDA)是近年发展起来的一种数值方法,原则上对任意形状及尺寸的纳米颗粒的吸收、散射及消光等光学特性进行计算。
DDA算法与实验测得的紫外-可见吸收光谱的结合已成为认识纳米颗粒的结构特点及光学性质的重要手段之一,在计算光与金属纳米颗粒的相互作用方面具有较强的优势。
为计算任意大小及形状的纳米颗粒的光学性质,DDA算法首先将该颗粒视为N个立方单元构成的集合体,再把每个立方单元视为电偶极子来处理[105]。
任一个电偶极子与局域场的相互作用表示为(忽略频率因子eiwt)
式中
表示单个偶极子的极化率;
由入射光场和其他偶极子在该处所形成的偶极场两者组成,即
式中,E0为入射光电场的振幅,k为波矢,相互作用矩阵如下:
在这个公式中有如下关系:
将式(5)与(6)代入式(4)并整理可得到:
再将此式写作矩阵形式:
对于包含N个电偶极子的体系来说,P和E都是3N维矢量,A’为3N×3N的对称矩阵。
解此3N复线性方程可求得极化矢量
,从而消光系数(包括吸收与散射两部分)可由以下方程求得[106]:
以螺旋银纳米结构为例,通过DDA计算,我们可以发现这种结构可以很好的实现等离子体峰调制和电场分布排列。
随着螺旋体半径的增加,主要的等离子体峰受到s偏振,右旋圆偏振,以及左旋圆偏振入射的影响而发生红移。
即使不改变结构,通过把入射光从左旋圆偏振改变为右旋圆偏振,等离子体峰也能够实现可调。
除此之外,最大电场的空间分布可以通过改变入射光的偏振方向来调节:
对于位于主要的等离子体峰波长的s偏振光来说,最大电场分布在螺旋横截面附近,或者接近螺旋中轴线,这是由于强耦合作用形成的;而对于圆偏振光,根据入射方向,最大电场会位于螺旋的顶端或者底部。
所以,对于传感和分析领域来说,通过使用不同的入射偏振,我们可以从空间上断定被分析物在螺旋中的位置。
因此,我们可以获得空间分辨的被分析物信息。
在实际中,它可以在亚微米量级内判定被分析物的空间分布情况。
5.LSPR传感系统的基本构造
5.1基于光纤的生物传感系统
如图1所示这个系统包括一个激光器(HitachiHL6320Glaserdiode,635nm,10mW;ThorlabsLDC500laserdiodecontroller;ThorlabsTEC2000temperaturecontroller;ThorlabsTCLDM9lasermount),一个斩波器(StanfordResearchSR540),一个光纤耦合器,一条传感光纤,一个样液池(10mL),一个光接收器(ThorlabsPDA55),一个锁相放大器(StanfordResearchSR830)。
将乙酰胆碱(ACh)溶液放入样液池中,并使LSPR传感器水平放置。
在达到平衡后,在容器中放入特定量的对氧磷,60秒后会产生一个新的稳定响应,它们之间的反应可在2到4分钟内测量。
图1LSPR生物传感器系统的示意图
5.2基于反射的光纤(RFO)传感系统
RFO对于高压的构造如图2所示。
这个系统由一个激光器(HitachiHL6320Glaserdiode,635nm,10mW;ThorlabsLDC500laserdiodecontroller;ThorlabsTEC2000temperaturecontroller;ThorlabsTCLDM9lasermount),一个斩波器(StanfordResearchSR540),一个分光器,一个锁相放大器(StanfordResearchSR830),以及一个图片接收器(ThorlabsPDA55)组成。
图2的放大部表示没有覆盖的光纤穿过一个1/16英寸的PEEKTM联合管套筒。
PEEKTM联合接线至一个热控制的高压室中,接线管为1/4英尺长,0.065英尺厚的不绣钢高压管,在450K下可以承受高达70MPa。
高压室的温度通过循环水浴(Wisdom,modelLC-06)保持误差在±0.05K内。
在高压室中使用镍镉-镍铝热电偶(ThermocoaxeTypeK)测量待测液样温度,热电偶通过铂温度计(Guildline,model9540)校准。
温度测量的精确度在±0.01K之内。
压力测量使用仪器为精确度在±0.05MPa内的50.4MPa的压力变换器(Sensotec,modelAG-300)。
高压源容器用来供给超临界二氧化碳(SCCO2),高压液体泵(ShimadzuLC-8A)把被分析溶液压入高压室。
每个测量至少重复5次。
测量受体单位浓度时,归一化强度会发生变化,从而可以确定金纳米粒子修饰的LSPR光纤传感器的灵敏度。
图2高压条件下基于反射的光纤传感系统示意图
6.LSPR传感器的构造
目前出现的各种新型的,把生物识别反应转换成放大的光电信号的设备的基础是纳米金和银粒子所产生的局域表面等离子体共振光谱及其电学性质。
T.Schalkhammer[107]曾详细地论证了1个金属镜面上能够结合聚合物隔离层、生物反应层和与生物识别相结合的纳米金属簇,借助于簇与镜面偶极分子之间的相互作用(连接或解离),通过产生的共振增强光谱从而转换成清晰可检测的光学信号,如图3所示。
图3放大了的金属簇光学生物传感器组成
图4所示的是基于电光调制的LSPR生物传感器,左上图为该生物传感器的实物照片,右上图为该生物传感器的截面示意图。
这种LSPR生物传感器的
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