本文主要介紹了表面等離子體共振(SPR)技術(shù)在毒品檢測領(lǐng)域的應(yīng)用，并給出了強度型SPR傳感器毒品檢測系統(tǒng)的設(shè)計方案。
一、表面等離子體共振
表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一種高靈敏、無需標(biāo)記的光學(xué)檢測技術(shù)。要想弄清楚它的含義，首先要弄清楚另一個概念——表面等離子體波。表面等離子體波(Surface Plasmon Wave，SPW)是由于在兩種介電常數(shù)符號相反的介質(zhì)(入射光為可見光，這種情況下的金屬與電介質(zhì))分界面上的電荷密度波動而產(chǎn)生并傳播的一種橫磁波(Transverse Magnetic mode, TM模式)，它局限于界面，只沿界面方向傳播，在界面法向上振幅呈指數(shù)衰減。由Maxwell電磁理論可以得到SPW的色散關(guān)系，入射的體電磁波與SPW同時滿足動量守恒和能量守恒。滿足這一條件時，將發(fā)生能量從空間體電磁波向SPW的共振轉(zhuǎn)移，我們稱之為表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance)，簡稱SPR。
自從上個世紀(jì)八十年代Nylander等人首次將SPR技術(shù)用于氣體檢測和生物傳感，三十多年來該技術(shù)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了廣泛使用在物理、化學(xué)、生物等領(lǐng)域的各式各樣的SPR傳感器。SPR傳感技術(shù)具有檢測靈敏度高、無需標(biāo)記、檢測通量大等優(yōu)點，目前已經(jīng)有關(guān)于使用SPR技術(shù)檢測各種毒品的報道。相比傳統(tǒng)免疫試劑盒方法，SPR方法檢測通量高，能夠同時進行檢測大量特性，可有效降低假陽性的概率，避免其中的干擾;與同樣搞檢測通量的熒光技術(shù)相比，SPR方法具有無需標(biāo)記的優(yōu)點，減少了樣品的準(zhǔn)備步驟和熒光標(biāo)記的限制，使原位測量成為可能。
圖1：表面等離子體共振(SPR)原理圖
常見的棱鏡型SPR傳感器可分為強度型、相位型、光譜型和角度譜型。如圖2，當(dāng)入射角、入射波長和被探測折射率 匹配時，會發(fā)生SPR現(xiàn)象，表現(xiàn)為反射率振幅達到最小，偏離共振時，反射率振幅增大。保持入射角 、入射波長 不變，使用探測器直接測量反射光的強度，利用如圖2中反射率——折射率關(guān)系曲線來得到對應(yīng)的折射率，基于這種原理的SPR傳感器叫做“強度型SPR傳感器” 。強度型SPR傳感器是最早出現(xiàn)的SPR傳感器，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，并且很容易同時檢測二維區(qū)域而實現(xiàn)高通量檢測，另外，強度型SPR傳感器結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，但是靈敏度相對較差，分辨率較低，且具有線性范圍小的缺點;相位型SPR傳感器具有較高的靈敏度，能夠得到很高的分辨率，但是具有裝置復(fù)雜，線性范圍更小的缺點;光譜型和角度譜型SPR傳感器的靈敏度介于強度型和相位型之間。
圖2：強度型表面等離子共振(SPR)反射光強隨折射率變化圖
二、SPR方法毒品檢測系統(tǒng)
我們以高通量強度型SPR傳感器為例，將其應(yīng)用于毒品檢測領(lǐng)域，主要由以下三個子系統(tǒng)組成(如圖3所示)。
圖3：SPR方法毒品檢測系統(tǒng)組成示意圖
1、光源光路子系統(tǒng)
光源光路子系統(tǒng)由光源、物鏡、小孔光闌、準(zhǔn)直透鏡、窄帶濾光片、Wollaston棱鏡、光具座等組成。光源采用中心波長為632.8nm附近、功耗為3W的LED。SPR激發(fā)裝置需要單色較好且p偏振的平行光。由于LED發(fā)光譜線范圍較寬，且發(fā)散角較大、通常并不是線偏振光，我們需要對LED發(fā)出的光進行處理。
物鏡的作用是將LED發(fā)出的光會聚在小孔上，可將經(jīng)小孔(需要將小孔的尺度控制在足夠小且又不至于發(fā)生衍射)后的光近似為點光源，再經(jīng)準(zhǔn)直透鏡產(chǎn)生平行光。下一步采用通帶中心波長632.8nm，帶寬約10nm的窄帶濾光片進行濾光得到單色性較好的光源。最后，經(jīng)Wollaston棱鏡后產(chǎn)生電場矢量方向與入射面平行的p偏振的線偏振光。
2、SPR激發(fā)子系統(tǒng)
由棱鏡、Au膜、功能膜、流通池組成，功能膜是用來吸附各類毒品溶液分子的，即傳感芯片，功能膜需滿足與毒品溶液分子容易結(jié)合在一起，同時又有較好的可逆性，容易用水或其他液體進行離解，以便于多次重復(fù)進行試驗。通常為避免因假陽性而出現(xiàn)誤判，多數(shù)采用針對毒品或毒品代謝物分子的部分特征而設(shè)計的抗體分子。SPR使用的傳感芯片上成陣列排布著許多組不同的抗體分子，每組抗體分子對應(yīng)不同毒品成分的一種特征，這樣幾組不同的抗體分子對應(yīng)的幾種特征就能夠確定一種特定的毒品分子。整個傳感芯片上很多組抗體分子，能夠同時測量多種不同毒品。每組有幾個到幾十個同樣的抗體分子共同測量，以排除偶然性。
3、探測接收子系統(tǒng)
探測接收子系統(tǒng)由面陣CCD，圖像采集卡，上位計算機等組成。CCD可通過制冷方式將芯片溫度控制到低于室溫20°C 左右以降低噪聲。采用強度型SPR傳感器檢測毒品分子時(如圖2所示)，需要通過調(diào)整入射光入射角度，使折射率與反射光強曲線落在和 范圍內(nèi)，即折射率與反射光強關(guān)系曲線斜率最大的范圍內(nèi)。當(dāng)毒品分子在功能膜上有效吸附后導(dǎo)致折射率改變，由此產(chǎn)生傳感芯片的表面反射光強度隨之發(fā)生明顯改變，可在上位計算機顯示傳感芯片中各個點位的光強變化，判斷哪些抗體發(fā)生了反應(yīng)，再通過這些抗體的組合判斷有哪些毒品。
以上為我們提出的基于強度型SPR傳感器的毒品檢測系統(tǒng)的技術(shù)方案，目前，構(gòu)成該系統(tǒng)的各子系統(tǒng)中包括SPR激發(fā)裝置、窄帶濾光片、LED光源等已經(jīng)是較為成熟的器件，這就為今后該方案的具體實施創(chuàng)造了前提條件，同時，本方案也為下一步對采用SPR傳感器進行毒品探測的實驗研究提供了理論基礎(chǔ)。
三、結(jié)論與展望
本文給出了基于強度型SPR傳感器構(gòu)建毒品檢測系統(tǒng)的方案，對SPR方法應(yīng)用于毒品檢測領(lǐng)域做了一點嘗試性的思考和探索。當(dāng)前和今后一個時期內(nèi)，有關(guān)適用于各種毒品檢測的傳感芯片等技術(shù)有可能成為一個研究重點，希望本文能對SPR毒品檢測系統(tǒng)領(lǐng)域的研究起到拋磚引玉的作用。
