基于馬赫澤德結(jié)構(gòu)的差分干涉SPR傳感系統(tǒng)與生物醫(yī)學檢測應用研究.pdf

1、表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)傳感器是一種用于探測傳感芯片表面折射率變化的傳感器，它主要適用于對大分子結(jié)合反應的實時測量，自從上世紀80年代開始，SPR傳感器已經(jīng)廣泛應用于生物醫(yī)學領(lǐng)域，并有一系列商用傳感器面世。SPR傳感器最重要的性能指標是分辨率和動態(tài)范圍，在SPR的四種檢測方式（強度、角度、波長、相位）之中，相位檢測方法具有最高的靈敏度，但由于其光路復雜、易受環(huán)境噪聲影響以及動態(tài)范圍較

2、窄，限制了它的使用。本研究搭建的基于馬赫澤德結(jié)構(gòu)的差分干涉型SPR傳感系統(tǒng)是一種新型的相位調(diào)制型SPR系統(tǒng)，它在擁有高靈敏度優(yōu)點的同時，可大幅降低環(huán)境噪聲，從而達到很高的分辨率，并且由于該系統(tǒng)從時間軸提取相位信息，在進行SPR成像傳感時不損失空間分辨率，與傳統(tǒng)的相位調(diào)制型SPR成像技術(shù)相比具有很大優(yōu)勢。
　　本文首先介紹了SPR技術(shù)的基本理論，并在該理論基礎(chǔ)上分析了影響相位調(diào)制型SPR傳感器靈敏度和動態(tài)范圍的四大因素:金屬介電常數(shù)

3、、入射光波長、金膜厚度和入射角度，其中金膜厚度是一個易于調(diào)節(jié)的因素，可以在動態(tài)范圍滿足測量要求的基礎(chǔ)上盡可能提高靈敏度，并進行了實驗驗證。
　　搭建了基于馬赫澤德結(jié)構(gòu)的差分干涉型SPR傳感器，介紹了本系統(tǒng)提取相位信息的方法和差分干涉降低噪聲的原理，編寫了相位提取程序，在程序中使用非線性擬合及取平均的方法降低了系統(tǒng)噪聲。制作了微流控系統(tǒng)，使用輪廓儀測量高真空鍍膜機蒸鍍所得金膜的厚度，從而選取厚度為45nm左右的金膜進行傳感芯片的制作

4、，將使用模塑法制作的PDMS基片和傳感芯片進行氧離子鍵合以制成微流槽。通過精確調(diào)節(jié)入射角，盡可能減小入射角與SPR角的誤差以發(fā)揮相位調(diào)制SPR傳感器高靈敏度的優(yōu)勢，確定系統(tǒng)達到最高分辨率所需測量次數(shù)為15次，通過測量一系列折射率的NaCl溶液，確定了系統(tǒng)的分辨率為10-5折射率單位。
　　進行了基于馬赫澤德結(jié)構(gòu)的差分干涉SPR成像傳感器的研究工作，雖然差分干涉SPR傳感器提取相位的方式不損失空間分辨率，但該方法需要將p光和s光兩幅

5、干涉圖進行對準后提取相位，本研究使用光闌增加參考光圖樣的相似性，并進行互相關(guān)運算來優(yōu)化對準效果。由于硬件性能的限制，系統(tǒng)中使用CCD采集圖像數(shù)據(jù)的頻率為30幀/s，在程序中采取局部多項式最小二乘曲線擬合法盡量減小由采集頻率較低造成的誤差。調(diào)節(jié)壓電陶瓷的移動速度至0.6μm/s，以彌補較低采集頻率帶來的誤差，程序計算所得相變值的誤差為±0.65°，通過測量一系列折射率的NaCl溶液，確定了系統(tǒng)的分辨率為10-4折射率單位，系統(tǒng)的空間分辨率

6、為9.77μ m×15.63μ m。
　　將本系統(tǒng)應用于生物醫(yī)學檢測的研究工作包括:傳感芯片表面的活化、實時檢測牛血清白蛋白與抗體的結(jié)合反應、檢測低濃度乙肝表面抗原溶液、實時檢測結(jié)腸癌細胞系與表皮生長因子的反應。本系統(tǒng)使用以硫醇體系為基礎(chǔ)的自組裝膜技術(shù)活化傳感芯片，可以使生物分子定向結(jié)合在芯片表面。通過實驗驗證，本系統(tǒng)可以實時檢測牛血清白蛋白與特異性抗體的結(jié)合反應，在整個測量過程中，一共增加了2.5×10-3折射率單位，對應IgG

7、免疫球蛋白結(jié)合密度為160個/μm2。從血清中檢測乙肝表面抗原是否存在是判斷乙肝感染的指標，因此使用高靈敏度的檢測手段，進行準確的定性測量是具有重要意義的，使用本系統(tǒng)能夠在30分鐘之內(nèi)測量出1-10ng/ml濃度的乙肝表面抗原，在檢測分辨率上相當于目前常用的ELISA和RIA檢測方法，而檢測時間則短于上述兩種方法。對三種具有不同表皮生長因子受體表達水平的結(jié)腸癌細胞系與表皮生長因子的結(jié)合過程以及接下來的信號轉(zhuǎn)導過程進行了實時檢測，結(jié)果表明