[发明专利]一种基于外场调制的SPR检测系统的检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器及传感技术领域，具体地说，本发明涉及一种基于可调谐表面等离子体共振传感器的检测方法。

背景技术

表面等离子共振传感器是一种可以检测金属界面附近区域折射率变化的光学传感技术。从20世纪80年代开始，SPR生物传感器由于其突出的免标记，快速灵敏以及实时检测的优势而得到飞速发展并得到广泛的应用。目前已经应用于蛋白质相互作用，核酸相互作用，食品安全，农药残留，环境安全以及药物筛选，传染病快速灵敏检测等领域。

可调谐SPR生物传感器是基于棱镜和波导两种耦合方式结合激发的表面等离子体共振，具体原理可参考文献“J.Homola,Surface plasmon resonance sensors for detection of chemical and biological species,Chem.Rev.,(2008)108:462-493”。由于可调谐SPR生物传感器对耦合条件的要求更为苛刻，使得可调谐SPR反射率曲线(SPR芯片表面反射率随入射角度变化的曲线)更为尖锐，因此具有更高的灵敏度。目前，基于可调谐SPR生物传感器的检测方法主要有角度扫描法和强度检测法。其中，角度扫描法需要通过机械结构对光路进行改变，操作难度较大，容易人为引入误差。强度检测法是固定入射光的角度，测量经SPR芯片表面反射的反射光的强度，由于入射光的强度已知，因此可以算出SPR芯片表面的反射率，并进而获得待检测物质的折射率等特性。这种方法能够避免通过机械结构对光路进行改变，操作简单，误差相对较小。强度检测一般是先选定一定强度的入射光，固定入射光的入射角度，然后在SPR芯片表面通入待检测物质后测量反射光的强度，根据反射光强度计算出待检测物质的折射率以及其它性质。其原理如下：检测表面（指结合了待测溶液中物质的SPR芯片表面）折射率的改变会引起SPR反射率曲线位置的移动，图1（a）示出了一个强度检测法下反射率曲线移动的例子，由于实际检测中反射率对应于所检测到的反射光强度，图中以反射光强度代替反射率不会改变反射率曲线的形状。参考图1（a），图中实线是原始SPR芯片表面的反射率曲线，虚线是结合了待测溶液的SPR芯片表面的反射率曲线。可以看出，SPR芯片表面通入待测溶液后，SPR芯片表面折射率增大，反射率曲线向右移动。在某个固定的角度对反射率进行检测，当表面折射率发生变化时，检测到的反射率发生变化。折射率增大引起反射率曲线向右移动，在固定的入射角度下，检测到的反射率信号增大。当固定的入射角度选择在合适的位置，且检测的折射率变化控制在一定的范围时，待测溶液折射率和SPR传感器芯片表面的反射率变化成线性关系，如图1(b)。图中的线段可以用函数Y=A+B*X表示，其中B为强度灵敏度，单位为RU或RIU。这样就可以根据反射率变化换算出待检测物质表面折射率，从而得到检测物质浓度、亲和性等参数。在定量分析过程中，图1(b)中的线段必须保持良好的线性，这就要求图1(a)中的入射角度及SPR反射率曲线的移动范围满足一定的条件：即无论反射率曲线出现在怎样的位置，入射角度都应该在它的线性区域当中，满足上述条件的检测范围就是该入射角度所对应的动态范围。对于原始SPR芯片表面的反射率曲线（实际上就是反射光强随入射角度变化的扫描曲线）而言，其中的线性区域一般在曲线最低点与最高点之间的20%～80%的范围内当通入待测溶液后，结合了待测溶液中物质的SPR芯片表面的折射率变大，会引起SPR曲线沿X轴（X轴表示入射角度）方向向右平移，SPR反射率曲线的线性区域也随之向右平移，当待测溶液的折射率过大时，这个平移可能导致原先的入射光角度在SPR反射率曲线的线性区域之外，即超出了在原角度下的强度检测的动态范围。对于可调谐SPR生物传感器来说，其SPR芯片表面的原始SPR反射率曲线本身就较为尖锐，这样，所允许的SPR反射率曲线平移的范围就较小，导致其强度检测的动态范围较小，不利于实际使用。

在传统强度检测方法中，当检测信号超出了动态检测范围时，需要移动SPR扫描角度，再继续进行检测。这一方案需要通过机械结构对光路进行改变，往往会影响实验的准确性和一致性，并且还需要中断实验，并对SPR曲线进行重新扫描和校准。

因此，较小的动态范围严重的影响了可调谐SPR这一新型SPR传感器的实用性，当前迫切需要一种具有较大动态范围的基于可调谐SPR生物传感器的检测方案。

发明内容

本发明提出了一种具有较大动态范围的基于可调谐SPR生物传感器的检测方案。