表面等离子共振

表面等离子共振（精选9篇）

表面等离子共振 第1篇

关键词：等离子体子共振,波长检测,传感器

引言

能够实现各种高灵敏度的分析形式已经是SPR研究关键探究点, 在实现灵敏度优化方面, 探究者主要的工作可以由两个大块来概括, 第一块是对整个研究体系的优化, 关键就是利用优化SPR传感器表面结构还有试样溶液成分组成来实现灵敏度的提升。第二块是对仪器装置的优化, 其中有波导元件和检测器的改进, 还有与目前一些高灵敏度仪器的结合应用。

1 表面等离子体子共振传感器的基本原理

1.1 表面等离子体子

本课题中探究的表面等离子体共振就是物理光学现象, 对于棱镜有光学波导器件的使用效果, 是利用非吸收性的一些光学材料组合而成。底部的棱镜镀层厚度约50 nm金属薄膜具有高反射率的遥感传感器表面。p偏振光从光源与某些角度入射到对应的棱镜, 对于棱镜还有金属之间的界面会有一定折射。在对应的入射角比临界角还要更大的时候, 光线就会产生一个全内反射, 也就是说所有光回到棱镜里面, 再从另一侧棱镜折射出去。在发生全内反射的时候, 电场之间的界面金属还有棱镜不会马上消失不见, 通常来说是金属介质传输指数衰减波振幅的消失。消失的波能和自由电子在金属薄膜上, 让表面变成等离子体, 也就是生产金属表面的电磁波[1]。

1.2 共振实现原理

从电磁场的理论知识可以看出来, 对于相同的波浪频率和波矢, 这两个可以产生共鸣, 消失波和表面等离子体子会发生共振。在共振发生的时候, 棱镜还有金属之间的界面会发生全内反射条件并且被损坏, 就会出现衰减全内反射的情况, 也就是说入射光能量转化为s P的具体能量, 这样会有一个最低反射率。共振的形成还有入射光的相应角度, 对于金属薄膜的介电常数和介质折射率, 不一样的介质共振角度是会发生变化。这里探究的SPR实验方法通常是传感器固定表面上的反应物, 让它变成分子敏感膜, 之后再把包含被测对象的样本以恒定速度经过我们的传感器, 传感芯片可以通过SPR信号来展示分子之间的相互作用的具体变化, 而且可以利用计算机显示并记录整个反应过程[2]。

2 波长检测型表面等离子体子共振传感器

2.1 光纤型SPR传感器

棱镜SPR传感器的体积相对来说比较大, 还无法被应用在遥感测量中。之前已经有人提出了一种非常聪明的概念, 就是通过单多模光纤光学计算机元素, 去掉了之前的光学棱镜, 并且设备更加简单且便宜, 能够被应用在遥感和多路复用过程中。这里出现了两种光纤SPR传感器, 其中一个就是在线传输模式, 利用光纤包层去掉之后, 沉积一层核心较高的反射率的金属薄膜。常见的石英指数光纤的数值孔径0.3步, 光纤内部之间能够透射光角78.5°到90°的范围, 在这个范围角度, 光线在核心和包层界面会产生一种全内反射, 同时在达到某些条件之后渗透界面波的消失会引起金属薄膜表面等离子体发生共振。通过全面的理论计算之后, 可以知道光入射角范围是在78.5°到90°, 如果银薄膜金属薄膜, 另外水是这里的外部介质, 那么能够实现共振的入射光波长在560~620 nm之间。使用表面等离子体共振引起的白光, 在纤维的出口测试输出光强度还有波长分布的这种关系, 因为在光纤传输的角度并非常数, 那么这里出口检测出来的就是所有的入射角光谱[3]。

2.2 光栅型SPR传感器

自从1987年第一次出现利用衍射光栅光来作为光波祸合元件完成SPR传感器的制作依赖, 一个接一个的探究关于通过衍射光栅作为光学祸合元件来实现SPR的报道不断出现。相比于其他的棱镜祸和SPR, 本课题里探究的光栅祸合SPR目前文献出现的还比较少。更多出现的是SPR仪器设备利用棱镜的具体入射光, 一般来说并未用到衍射光栅, 这是因为衍射光栅相对前者来说比较复杂。倘若对于光栅能够正常完成, 那么在光栅生产分析应用也会遇到麻烦的问题, 即必须通过示例解决方案, 倘若样品溶液是没有颜色的, 影响相对来说会更小一些, 不过假如样品溶液是有颜色的, 那么这将吸收光线, 这可能会影响SPR最后的测量。在探究的过程中需要尽可能减少样品池的厚度, 这样可达到适当减低影响[4]。

3 结语

近年来在探究分子水平上已经有了很大的成果, 并且SPR技术已经可以完成实时监控具体的动态过程, 还有生物样品没有标签, 同时具有更高的灵敏度这些特点, SPR技术在用于探究生物大分子作用过程中, 具体每一步反应物分子之间的信息都能够及时被捕捉, 确定动力学常数, 在生物科学探究中有了很大的进步。本课题中探究的SPR新方法, 很好地实现了应用范围的拓广, 并且能够有效简化操作的程序, 当然最为关键的是让SPR方法应用过程中敏感性大大提升。

参考文献

[1]梁博, 张运真.传感器与检测技术技术教学实践中的反思[J].知识经济, 2010 (21) :158.

[2]冯蕾琳.传感器在汽车中的应用现状及发展趋势[J].网络财富, 2010 (22) :229-230;234.

[3]孙颖, 曹彦波, 王兴华, 等.小型波长检测型表面等离子体共振分析仪的设计与研制[J].分析化学, 2011 (10) :1 537-1 542.

表面等离子共振 第2篇

表面等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR)技术是近年来发展起来的测定分子间相互作用的技术,应用最广泛的是Pharmacia公司发展的生物分子相互作用实时分析(Biomolecular interaction analysis,BIA)技术[1～3].它可以实时、原位地测定生物大分子间的相互作用,而反应物无需标记,可以测定反应的动力学常数,这对于进行反应的动力学分析和机理研究,以及进行性质鉴定和筛选应用具有非常重要的意义[4～8].肿瘤坏死因子(Tumor necrosis factor,TNF)是临床上用于肿瘤治疗的非常有效的细胞因子类药物[9].本文报道了利用生物传感器BIAcore进行的.TNF与其单抗间的相互作用的动力学分析.

作 者：杨帆 崔小强 杨秀荣 陈婷 陆军 作者单位：杨帆,崔小强,杨秀荣(中国科学院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室,国家电化学和光谱研究分析中心,长春,130022)

陈婷,陆军(东北师范大学遗传与细胞研究所,长春,130024)

表面等离子共振 第3篇

关键词： 表面等离子体共振； 光纤； 反射率曲线

中图分类号： TN 253； TP 212.14文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.03.019

引言

表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）传感技术因其对外界介质折射率（介电常数）的微小变化极其敏感而广泛应用于物质浓度、含量、温度以及能够引起折射率变化的相关参数等物理量的测量与检测，在生物医学、环境污染、食品安全以及石油化工等方面应用前景广阔[15]。SPR是一种物理光学现象，一般系指P偏振光在玻璃与金属薄膜界面处发生全内反射，消逝波在金属薄膜与介质界面处引起金属表面电子有规律的振荡，激发起表面等离子体波，入射角或波长在某一值时，表面等离子体波与消逝波两者的波矢在金属薄膜与介质界面方向的分量相等，达到波矢匹配，两者发生谐振，入射光通过消逝波与表面等离子体波的耦合，能量被金属表面电子强烈吸收，使反射光能量急剧下降，产生表面等离子体谐振现象。

1968年，Kretschmann和Reather[6]提出了基于衰减全内反射棱镜耦合方式激发SPR，促进了表面等离子体共振传感技术的长足发展。目前，SPR传感器主要分为Kretschmann型棱镜角度调制型和光纤波长调制型两类[7，8]。其中，光纤SPR具有探针体积小、结构紧凑以及可实现远程感测的优势，能够克服棱镜结构型SPR传感器体积大、需配备机械可动部件和不能进行远程传感等缺点[914]。因此，基于表面等离子体共振的光纤传感器引起了人们的广泛关注。已有研究表明，SPR传感特性显著依赖于金属薄膜厚度和金属材质[12]。通常，金（Au）膜因其具有良好的抗腐蚀能力而被用作SPR传感元件，但其传感灵敏度低于银（Ag）膜。探索两种薄膜的结合方式，以提高光纤SPR传感器的灵敏度和抗腐蚀能力具有重要的实际意义。为此，文中利用TFCalc国际薄膜设计软件对基于AuAg复合膜光纤SPR传感器的传感特性进行系统研究，深入阐述薄膜厚度对光纤SPR光谱特性的影响规律。

3结论

利用TFCalc软件仿真研究了Ag膜和AuAg复合膜厚度对光纤SPR传感器反射光谱特性的影响规律，获得主要结论如下：

（1）光纤表面等离子体共振现象吸收峰显著依赖于Ag膜厚度，当Ag膜厚度由40 nm逐渐增加到80 nm时，共振吸收峰的半峰全宽逐渐减小，吸收峰锐化程度增强；

（2）当Ag膜厚度由40 nm逐渐增大到80 nm时，表面等离子体共振吸收峰对应的反射率先减小后增大，其中60 nm厚Ag膜的共振现象最明显；SPR共振波长随Ag膜厚度的增大而减小；

（3）不同厚度AuAg复合膜的SPR共振波长随Au膜厚度的增大而增大，金膜的引入对共振吸收峰反射率的影响不大，各组AuAg复合膜的SPR光谱反射率均低于20%，共振现象明显。

参考文献：

[1]ENGLEBIENNE P，VAN H，VERHAS M.Surface plasmon resonance：principles，methods and applications in biomedical sciences[J].Spectroscopy，2003，17：255-273.

[2]PILIARIK M，HOMOLA J，MANIKOVA Z.Surface plasmon resonance sensor based on a singlemode polarizationmaintaining optical fiber[J].Sersors and Actuators B，2003，90（2）：236-242.

[3]LIN W B.Optical fiber as a whole surface probe for chemical and biological applications[J].Sensors and Actuators B，2001，74（3）：207-211.

[4]WANG T J，TU C W，LIN F K.Surface plasmon resonance waveguide biosensor by bipolarization wavelength interrogation[J].IEEE Photonics Technology Letters，2004，16（7）：1715-1717.

[5]牟海维，王宏瑾，王强，等.表面等离子体共振理论仿真研究[J].光学仪器，2011，33（2）：1-6.

[6]KRETSCHMANN E，RAETHER H.Radiative decay of nonradiative surface plasmon excited by light[J].Naturforsch，1968，23（12）：2135-2136.

[7]李燕，隋成华，许晓军.角度指示型表面等离子共振传感器的研究[J].光学仪器，2008，30（5）：32-34.

[8]LEONARD P，HEARTY S，WYATT G.Development of a surface plasmon resonancebased immunoassay for Listeria monocytogenea[J].Food Prot，2005，68（4）：728-735.

[9]ALAEDINI A，LATOV N.A surface plasmon resonance biosensor assay for measurement of antiGM antibodies in neuropathy[J].Neurology，2001，56（7）：855-860.

[10]FORZANI E S，FOLEY K，WESTERHOFFL P.Detection of arsenic in groundwater using a surface plasmon resonance sensor[J].Sensors and Actuators B，2007，123（1）：82-88.

[11]HOMOLA J，SLAVIK R.Fibreoptic sensor based on surface plasmon resonance[J].Electron Lett，1996，32（5）：480-482.

[12]牟海维，段玉波，张坤，等.光纤表面等离子体共振传感器理论仿真研究[J].光学仪器，2011，33（6）：58-61.

[13]HOMOLA J，SLAVIK R，TYROKY J C.Interaction between fiber modes and surface plasmon waves：spectral properties[J].Opt Lett，1997，22（18）：1403-1405.

[14]MONZON H D，VILLATORO J.High resolution refractive index sensing by means of a multiplepeak surface plasmon resonance optical fiber sensor[J].Sensors and Actuators B，2006，115（1）：227-231.

表面等离子共振 第4篇

关键词：物理光学,表面等离子体共振,光纤传感器,均值估计,线性估计

0 引言

将光学检测技术和生物传感技术相结合来检测大气、水质和土壤中的微量有害有毒物质,因具有安全、不受电磁干扰、重量轻、结构灵活、灵敏度高等优点,日益受到生化及环保领域科技工作者的青睐,已逐渐得到应用。其中,基于光学和生物学科的表面等离子体共振(SPR)技术[1,2]的光纤传感器由于对微小的折射率变化十分敏感,具有很高的检测灵敏度,且易于实现在线实时监测,自上世纪80年代首次用于生物免疫传感领域以来[3,4],得到了深入的研究和广泛的应用。文献[5,6,7,8,9,10,11]报导了基于SPR原理的传感技术在水质检测领域的应用。

1 光纤SPR传感检测系统

1.1 系统工作原理

当光束照射金属薄膜表面产生全反射时,在一定条件下可以引发金属表面自由电子产生表面等离子体波(SPW)。当SPW波矢与入射光在金属切向方向的波矢分量相等时,会发生表面等离子体共振,相应的入射光能量被吸收,从而使该反射光能量下降,表现为反射光强度谱上出现共振峰(即反射光强度最低值)[12]。通常,定义共振峰对应的波长为共振波长,共振峰值定义为共振光强。当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率发生变化时,会导致共振波长发生偏移。光纤SPR传感检测系统正是利用介质折射率与共振波长之间的确定关系,通过测量反射光强度确定共振波长来实现对被测介质的折射率的测量的。

1.2 系统构成

检测系统(图1)采用基于金膜的4层光纤SPR传感器(图2):金膜厚50.1 nm;银层反射镜厚600 nm;铬层厚2.5 nm;探头长15 mm;熔石英光纤芯径600µm;光源为卤钨灯;USB2000光纤光谱分析仪(内含2 048 pixels CCD)。

2 数据分析的模型与算法

2.1 信号模型

根据光纤SPR传感检测系统的构成和测试方式,可得如下信号模型:

式中:X(n,λ)为测量数据;SL(n,λ)为反射光信号;SR(n,λ)为参考光信号;NL(n,λ)为光源噪声;NCCD(n,λ)为CCD噪声;n为采样时刻;λ为波长。

实验中通过设置可以使上式满足max[NCCD(n,λ)+NL(n,λ)]<

式中:S(n,λ)为真实测试信号;N(n,λ)为总体噪声信号。

2.2 高斯分布检验和平均处理

根据式(2)进行噪声分析和信号处理时,由于该模型是一个近似模型,在得到S(n,λ)的估计量Sˆ(n,λ)之后还需要进一步处理。

光纤SPR传感检测系统是通过检测共振波长来确定被测对象信息,因此做噪声分析时只需关心包含共振波长的一小段区域,这样有利于提高数据处理速度,也不会影响检测精度。以蒸馏水为例,在给定检测系统条件下,共振波长应在570 nm附近,但由于噪声的存在,必须取足够宽的范围进行信号处理,本系统考虑的检测范围为555∼595 nm,对应的CCD像素位置为571∼700。

采用偏度-峰度检验对共振区附近的测试数据进行高斯分布检验。取560 nm处的采集数据,对应CCD第600个像素,即X(n,m),其中1n340,m=600,m表示波长对应的像素位置,为来自总体X的样本,数据采样间隔时间为5 s。假设:H0:X为正态总体;显著性水平α=0.1;样本容量N=340。则有:

其中Bk为样本k阶中心矩(k=2,3,4)。

而根据样本计算有:或,因此接受H0,认为数据是来自正态分布的总体,其分布直方图如图3所示。

既然是正态分布,因此可以采用最大似然估计来估计X(n,600)的均值与标准差,分别有:

因为CCD各像素差异不大,因此可以认为其所有像素采集的数据都来自正态分布的总体,图4给出第571到700个像素的偏度g1(m)和峰度g2(m)(“◇”表示偏度,“+”加号表示峰度,粗实线表示Zα/4=1.96),几乎都小于Zα/4,所以上述假定是合适的。图5给出相应的均值(实线)和标准差虚线)。

2.3 线性模型

尽管对实验数据做了均值处理,但整个曲线仍不很光滑,所以准确地确定共振波长仍有困难,需要进一步估计。对于图5中的均值曲线,在环境温度不变的情况下,如果忽略由于被测对象分子振动带来的扰动,应该是一条光滑的曲线。之所以不光滑,一方面是因为采用的是近似模型,另一方面是因为噪声模型是一个统计模型,而非确定模型。因此可以认为理想的检测值是一条光滑曲线,叠加在曲线上的是噪声。同上节,对该噪声采用偏度峰度检验,在显著性水平为0.1时偏度为0.346 7,峰度为0.827 5,小于1.96,因此可视为高斯分布,可采用线性模型进行估计。线性模型表达式为

这里l表示所考虑的起始像素位置,l+m表示终止像素位置,λl+i表示对应于第l+i个CCD像素的波长,0im-1;假定W是零均值白高斯噪声,方差为σW2。

根据图5中均值数据,结合式(3)有

即x(λ)=7342.4-33.642λ+0.050775λ2-2.492e9-.05λ3。

相应的曲线如图6,实线为拟合曲线,“□”表示均值。

根据上述拟合公式获得共振波长为573.6 nm,共振峰值为46.4。

采用同样方法对一组测试数据进行处理:测试环境温度(28±0.2)℃;20 min一组,每3 s采样一次,组间隔8 min,共8组,且检测过程中传感器不离开被测溶液。处理结果如表1所示。

表1中数据表明,经过均值处理和线性模型估计之后,共振波长的偏差小于±0.5 nm,峰值偏差小于0.5%,具有良好的一致性和稳定性。此处测试系统的波长分辨力为1 nm,光强分辨率为0.5%,因此说明采用的估计方法是合理和有效的。

2.4 数据处理速度的优化

前面讨论的方法中,没有考虑数据处理时间问题,显然在实时检测中数据处理速度至关重要。在光纤传感器自动监测系统中有两个问题涉及数据处理速度:1)和共振波长相关的CCD像素数量;2)样本数量。

对于第1个问题的处理较为简单,首先根据任意一个样本X(n,m),n为1到N中的任意整数,1n2048,首先搜索最小值,根据检测信号的方差,考虑最小值对应的CCD位置向后各扩展65个像素,此处为571m700。经过处理,数据处理工作量仅为原先的6.35%。

对于样本容量,考查任意一组样本X(n,m),571m700,1n340,表2给出了n分别为1、5、10、30、50、100、200和340的情况,表明样本容量取100较为合适。这样精度牺牲较小而运算量又可进一步减少为原来的30%。

综合两种情况,运算量可以减小为2%。当然,实际应用时还需要根据检测要求来确定样本容量,如果被测对象变化很快,则需要降低精度而减少样本数量;反之可以增加样本数量。

3 结论

通过数据分析可以看出,利用均值估计和线性估计可以较好的去除系统测量中产生的噪声。由对多组数据的分析处理可以看出,该模型具有良好的一致性和稳定性,较好的满足了实时检测的要求。在优化过程中,由于降低了样本数量,减少了拟合运算次数,使工作量降为原来的2%。

虽然测量噪声可以近似为高斯加性噪声,但均值去噪后数据仍然存在残留跳变(图4、5),仍需对该系统测量噪声的机理和性质做进一步分析和处理,这是后续工作的重点。

参考文献

[1]Otto Andreas.Excitation of nonradiative surface plasma waves in silver by the method of frustrated total reflection[J].Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei(S0939-7922),1968,216(4):398-410.

[2]Kretschmann E.The determination of the optical constants of metals by excitation of surface plasmons[J].Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei(S0939-7922),1971,241(4):313-324.

[3]何星月,刘之景.生物传感器的研究现状及应用[J].传感器世界,2002,8(10):1-6.HE Xing-yue,LIU Zhi-jing.The recent research and application of biosensor[J].Sensor World,2002,8(10):1-6.

[4]于萍,崔小强,杨帆,等.表面等离子体共振技术研究生物膜的进展[J].分析化学,2005,33(4):575-579.YU Ping,CUI Xiao-qiang,YANG Fan,et al.Progress on studying biomembrane by surface plasmon resonance technique[J].Chinese Journal of Analytical Chemistry,2005,33(4):575-579.

[5]Mouvet C,Harris R D,Maciag C,et al.Determination of Simazine in Water Samples by Wavegide surface plasmon resonace[J].Analytica Chimica Acta(S0003-2670),1997,338(1/2):109-117.

[6]Mifumi Shimomuar,Yoko Nomura,ZHANG Wei,et al.Simple and rapid detection method using surface plasmon resonance for dioxins.Polychlorinated biphenylx and atrazine[J].Analytica Chimica Acta(S0003-2670),2001,434(2):223-230.

[7]Chegel V I,Shirshov Yu M,Piletskaya E V,et al.Surface plasmon resonance sensor for pesticide detection[J].Sensors and Actuators(S0924-4247),1988,48(1):456-460.

[8]Trosok S P,Driscoll B T,Luong J H T.Mediated microbial biosensor using a novel yeast strain for wastewater BOD measurement[J].Applied micreobiology and biotechnology(S0175-7598),2001,56(3/4):550-554.

[9]张悦,王建龙,李花子,等.生物传感器快速测定BOD在海洋监测中的应用[J].海洋环境科学,2001,20(1):50-54.ZHANG Yue,WANG Jian-long,LI Hua-zi,et al.Application of microbial BOD sensor for marine monitoring[J].Marine Environmental Science,2001,20(1):50-54.

[10]Yoshida N,McNiven S J,Yoshida A,et al.A compact optical system for multi-determination of biochemical oxygen demand using disposable strips[J].Field analytical chemistry and technology(S1086-900X),2001,5(5):222-227.

[11]Meyer RL,Kjaer T,Revsbech N P.Use of NOx-microsensors to estimate the activity of sediment nitrification and NOx-consumption along an estuarine salinity,nitrate,and light gradient[J].Aquatic microbial ecology(S0948-3055),2001,26(2):181-193.

表面等离子共振 第5篇

铝离子与脱氧核糖核酸作用的共振光散射研究

在pH 2.21的酸性介质中,Al3+与脱氧核糖核酸(DNA)发生静电作用产生以291.0 nm为特征峰的.共振光散射(RLS)增强光谱,即Al3+主要与DNA分子表面的磷酸根结合,但DNA热变性将导致Al3+与DNA的碱基结合,使光散射信号降低.在291.0 nm处的共振光散射(RLS)强度与DNA的浓度呈线性关系,据此建立了用共振光散射测量痕量DNA的新方法.方法的检出限为ng级,用于合成样分析,回收率在91.6%～105.0%.

作 者：杨传孝 李原芳 奉萍 黄承志  作者单位：西南师范大学环境化学研究所,重庆,400715 刊 名：分析化学  ISTIC SCI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF ANALYTICAL CHEMISTRY 年，卷(期)： 30(4) 分类号：O65 关键词：共振光散射   脱氧核糖核酸   铝离子  

表面等离子共振 第6篇

到目前为止,科学家们发展了很多基于酶活性原理定量检测过氧化氢的方法。其中包括色谱法、比色法、滴定法、紫外-可见光谱法、荧光光谱法、化学发光法等[7,8,9],但是这些方法总的来说比较耗时,干扰物质影响大,不能够自动检测。电化学[10]和表面等离子激元共振技术(Surface Plasmon Resonance)实验过程简单,灵敏度高,越来越受到化学工作者的关注。

在本工作中,我们利用SPR通过酶催化沉淀反应实现了H2O2的定量检测。基于巯基十一酸的自组装单分子层将HRP酶固定金膜表面,流动注射四氯萘酚(4-CN)和双氧水,固定在金膜表面的酶能够催化氧化,从而产生沉淀。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

主要仪器:实验采用BI-SPR1000,美国Biosensing Instrument公司;仪结合流动注射装置(每次实验前,4-氯萘酚(4-CN)和H2O2的混合液预先用微量注射器注入100 μL样品环中),美国Fisher公司。Genie Plus注射泵(当进样时,样品通过六通阀被载液推动,进入检测池反应,并被实时检测),美国Kent Scientific公司。

主要试剂:11-巯基十一酸(MUA),磷酸缓冲液 (PBS),辣根过氧化物酶(HRP),1-(3-二甲氨丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC),N-羟基硫代琥珀酰亚胺(NHS),4-氯萘酚(CN),磷酸氢二钾KH2PO4,磷酸二氢钾K2HPO4,氯化钠均购自 Sigma公司,使用前不需进一步纯化。30%双氧水(H2O2)购自上海桃浦化工厂,分析纯无水乙醇购自宿州安特生物化学有限公司。

1.2 溶液的配置

磷酸缓冲液(PBS)由10.0 mM K2HPO4和10.0 mM KH2PO4 调节pH 至7.0,其中含10 mM NaCl。0.2 mg/mL HRP溶解在PBS中。NHS/EDC混合溶液是由25 mmol/L NHS 和 75 mmol/L EDC的PBS溶液组成。四氯萘酚(4-CN)最初溶解在酒精里,然后以PBS稀释,和不同浓度H2O2形成混合溶液,酒精与PBS的体积比为1%,其中4-CN的浓度为1 mmol/L。10 mmol/L MUA溶于乙醇中。除非特别说明,所有的实验都在室温下进行。

1.3 实验过程

将BK7 盖玻片(美国fisher公司)先用水虎鱼(双氧水:浓硫酸=3:7,体积比)在80 ℃条件下煮约30 min,随后用二次去离子水清洗干净玻片上的浓硫酸,放到氨水中(水:浓氨水:双氧水=5:1:1,体积比),超声20 min,然后用二次去离子水冲洗干净,N2 吹干。处理干净后的玻片放到高频溅射镀膜机上进行喷镀,先在玻片的表面镀一层2 nm 厚的铬,由于金不能很好地直接跟玻璃结合,先在玻片表面镀一层粘附层,随后在玻片表面镀一层50 nm 左右的金,组装修饰芯片时先把表面处理干净,可用氢火焰进行退火,以便除去金膜表面的杂质和附着物。

将金膜放入装有4 mmol/L MUA的乙醇溶液的泡膜池中,放置12 h,然后金膜用大量的水冲洗并用氮气吹干。安装于检测池中准备实验。注射泵推动缓冲溶液流经金膜表面,同时记录SPR信号。调整流速为0.02 mL/min,分别注入NHS/EDC混合溶液,HRP溶液,最后将现配现用的1 mmol/L CN和不同浓度的H2O2混合溶液注入到100 μL的样品管中,由于酶HRP的催化作用,使得4-CN迅速被H2O2氧化成相应的不溶产物,形成的沉淀覆盖在金膜上,使得金/溶液界面的折射率发生巨大的变化,从而SPR信号被放大。

2 结果与讨论

如图1所示,首先金膜表面覆盖一层MUA自组装膜,然后流动注射NHS/EDC,活化金膜表面,接着通过羧基与氨基的交联反应把带有氨基的HRP固定在金膜表面。注射4-CN/H2O2混合液, HRP催化H2O2氧化4-CN生成相应沉淀,从而被SPR检测。这一酶催化沉淀反应所生成的沉淀厚度与H2O2数量成比例相关,以此来检测H2O2。

(a)EDC/NHS;(b)HRP;(c)4-CN和H2O2

图2所示为典型的SPR信号图。我们将进样前后,SPR基线的差值定义为“SPR角度变化值”。其中,流动注射EDC/NHS和HRP产生的SPR角度变化值分别为92.04 mDeg和117.98 mDeg。注射1 mmol/L CN和0.2 mmol/L的H2O2后产生206.80 mDeg的强烈信号,说明基于“酶-沉淀”放大体系在双氧水中的应用是切实有效的。

图3为在流动注射不同浓度H2O2时产生的相应SPR图象,曲线A～F代表的浓度分别为200 μmol/L,20 μmol/L,2 μmol/L,1 μmol/L,0.5 μmol/L,0.2 μmol/L。曲线G代表未修饰HRP金膜表面注射1 mmol/L CN和0.2 mmol/L的H2O2的控制实验。随着H2O2浓度的增大,SPR信号逐渐变大。

如图4所示,图中主要有两个不同区域,在低浓度区(0.2～2 μmol/L),曲线非常陡,而高浓度曲(2～200 μmol/L),曲线趋于平缓。低浓度和高浓度区间内曲线灵敏度的变化主要与不同H2O2的浓度有关。在低浓度区间,由于注射的4-氯萘酚混合溶液是相对过量的,沉淀量随着H2O2浓度的增加而增加,SPR信号也随之增大。而一旦H2O2浓度超过2 μmol/L,芯片表面的HRP催化能力趋进饱和。H2O2浓度继续增大,生成的沉淀量增加缓慢,浓度曲线达到平台。

3 结 论

本文中,“酶-沉淀”体系被成功地应用于双氧水检测中,利用FI-SPR将检测信号进行放大。这种放大源于传感片上的酶HRP催化H2O2氧化4-氯萘酚生成沉淀,导致额外的高折射率分子层的形成,从而引起SPR信号产生较大变化。实验操作方便,组装程序简单,极大的扩充了SPR的实用范围,为SPR传感器的发展作出了贡献。

摘要：表面等离子体激元共振技术是一种通过观察芯片金属薄膜表面厚度变化产生信号的光学技术,具有实时、灵敏度高、免标记等优点,本文通过辣根过氧化物酶的酶催化作用对过氧化氢进行实时快速检测。信号强度与过氧化氢浓度呈线性关系,辣根过氧化物酶共价结合至金膜表面保持了酶的活性。和其它方法相比较,该方法为过氧化氢的检测提供了一种选择。

关键词：表面等离子体共振,过氧化氢,辣根过氧化物酶

参考文献

[1]Anglada,J.M.,P.Aplincourt,J.M.Bofill,et al.Atmospheric forma-tion of OH radicals and H2O2 from alkene ozonolysis under humid con-ditions[J].ChemPhysChem,2002,3(2):215-221.

[2] Ohshima, H., M. Tatemichi, T. Sawa.Chemical basis of inflammation-induced carcinogenesis[J].Archives of biochemistry and biophysics,2003,417(1):3-11.

[3]Shah,A.,K.Channon.Free radicals and redox signalling in cardio-vascular disease[J].Heart,2004,90(5):486-487.

[4]Barnham,K.J.,C.L.Masters,A.I.Bush.Neurodegenerative disea-ses and oxidative stress[J].Nature Reviews Drug Discovery,2004,3(3):205-214.

[5] Wood, Z.A., L.B. Poole, P.A. Karplus.Peroxiredoxin evolution and the regulation of hydrogen peroxide signaling[J].Science's STKE,2003,300(5619):650.

[6]Wu,M.,Z.Lin,M.Schferling,et al.Fluorescence imaging of theactivity of glucose oxidase using a hydrogen-peroxide-sensitive euro-pium probe[J].Analytical biochemistry,2005,340(1):66-73.

[7] Chai, X.S., Q. Hou, Q. Luo, et al.Rapid determination of hydrogen peroxide in the wood pulp bleaching streams by a dual-wavelength spectroscopic method[J].Analytica chimica acta,2004,507(2):281-284.

[8]Wei,H.,E.Wang.Fe3O4 magnetic nanoparticles as peroxidase mi-metics and their applications in H2O2 and glucose detection[J].Analyt-ical chemistry,2008,80(6):2250-2254.

[9]Wolfbeis,O.S.,A.Dürkop,M.Wu,et al.A Europium‐Ion‐Based Luminescent Sensing Probe for Hydrogen Peroxide[J].Ange-wandte Chemie International Edition,2002,41(23):4495-4498.

表面等离子共振 第7篇

自德国物理学者Otto提出了表面等离子体共振(SPR)效应以来,SPR传感器已经取得了较大进展[1,2]。SRR效应是一种发生在金属与电介质分界面的物理光学现象,它对环境液体介质折射率的变化非常敏感。SPR传感器常见的耦合基体有棱镜型、光纤型、光栅型等。近年来,光纤SPR传感技术发展迅速[3,4],各种性能先进的传感器不断涌现,为光纤SPR传感器的应用带来了广阔前景。

本文主要介绍光纤SPR传感器的工作原理;分别介绍了光纤光栅SPR传感器、光子晶体光纤SPR传感器和分布式光纤SPR传感器,并提出了今后的发展方向。

1 光纤SPR传感器的工作原理与结构

光纤SPR工作原理如图1所示。光从光密介质入射光疏介质时会在两种介质的界面处发生全反射,此时光波的电磁场强度在分界面处并不立即减小为零,而是随入射深度呈指数衰减,形成消逝波。

消逝波的有效深度一般为100~200nm[5],由于光纤SPR传感器金属膜厚度小于消逝波的深度,在金属膜与溶液或空气界面处,消逝波仍起作用。消逝波波矢Κx为:

同时在金属膜与样品的界面处,金属表面的自由电子被激发,形成表面等离子体波。根据麦克斯韦方程组和金属的复介电性,可得表面等离子体波的波矢Ksp为[6]:

式中c为真空中的光速,ω为入射光的角频率,θ为入射光的入射角,ε0为光纤的介电常数,为一实数;ε1为金属膜的介电常数;ε2为金属膜表面样品的介电常数。

当Κx=Ksp时,反射光强度最小,此时光纤SPR传感器性能最好,故可得到共振角θsp为:

因为ε0,ε1为常量,式(3)可以简化为关于金属膜表面样品的折射率n和入射光波长λ的函数,即:

光纤SPR传感器入射角与反射率的关系如图2所示,不同入射角分别对应着不同的传播模式,同时这些传播模式在光纤中的能量分布是不均匀的,类似于高斯分布。当入射角为共振角时,光纤SPR传感器发生表面等离子体共振,形成表面等离子体共振波谷。

在光纤SPR传感器中,由于入射光往往不是单色的,而且传感器探头有一定长度,其反射率计算极为复杂,但是可以给出其反射率R与各参数的关系[7]:

式中N为传感区域内近轴光线反射次数,t为金属膜厚度,θ为入射角,d为纤芯直径,l为传感段光纤长度,λ为光波长。由εi=ni2可知,当传感探头固定时,光纤SPR传感器反射率与金属膜表面样品介电常数存在确定的对应关系。

光纤SPR传感器有两种形式,一种是终端反射式[8],另一种是在线传输式[9,10],如图3所示。传感探头都是由敏感层、金属薄膜和纤芯构成。不同之处在于终端反射式光纤SPR传感器的传感探头位于光纤尾端,同时在光纤尾端需要增设反射镜,光源发出的光和尾端反射镜反射回来的光都将发生共振,最后对返回的光强度进行定量分析。而在线传输式光纤SPR传感器的传感探头位于光纤中间位置,尾端不需要增设反射镜,在光纤尾端对输出光强度和波长的关系进行定量分析。

光纤SPR传感器调制方法主要有波长调制[11]、角度调制[12]、相位调制[13]、光强调制[14]。波长调制的待测参数为共振波长,采用波长调制方法的光纤SPR传感器测定的折射率动态线性范围较宽;角度调制的待测参数为共振入射角,一般多模光纤SPR传感器才会采用这种调制方式;相位调制的待测参数为反射光的归一化相位,这种调制方法易于实现传感器的小型化和集成化;光强调制的待测参数为反射光强随外界折射率的变化,是采用较早、较熟练的调制方法。

2 光纤光栅SPR传感器

光纤光栅具有抗电磁干扰、耐腐蚀、重量轻等优点。自从光纤光栅应用于传感技术以来,光纤光栅传感技术获得了飞速发展。相比于光纤SPR传感器,光纤光栅SPR振传感器具有更高的的相位匹配效率。

Spackov等人在2009年运用耦合模理论对光纤光栅SPR传感器进行了严谨的理论分析,所提出的光纤光栅SPR传感器的结构如图4所示[15]。在普通单模阶跃折射率分布光纤的纤芯中写入光纤光栅,传感探头的金属薄膜采用化学稳定性良好的金为原料,并将传感探头置于液体环境中,该传感器的分辨率高达210-6RIU。

参考通道在生物监测中必不可少,Spackov等人于2009年提出一种多通道光纤光栅SPR传感器,其结构图5所示[16],它由标准单模光纤、金薄膜、不同周期的光纤光栅构成。其中一个光纤光栅作为参考通道,另一个光纤光栅作为测量通道。通过包层模与表面等离子体模之间的耦合,对折射率的变化进行测量。在对这一结构进行优化之后,传感器的灵敏度为200nm/RIU,当波长分辨率为1pm时,传感器的分辨率高达510-6RIU,这可以和最优良的光纤SPR传感器相媲美。

3 光子晶体光纤SPR传感技术

光子晶体光纤以其非常灵活的结构设计和众多的优良特性,在传感器方面也得到了高度的重视和广泛的研究。2006年,A.Hassani等人提出基于光子晶体光纤SPR传感器,其结构如图6所示[17],其中d1,dc为空气孔的直径,d2为镀有金薄膜孔的直径。采用幅度探测法测量时,灵敏度可以达到520dB/RIU,在1%光强变化可以被可靠检测的假设下,传感器的分辨率约为810-5RIU。通过在纤芯区域引入气孔,纤芯模与表面等离子体模之间相位匹配可以得到增强。大尺寸的包层气孔为微流体样品提供了高效的通道,并且可以通过纤芯区域的气孔灵活控制有效折射率,容易实现相位匹配,并具有良好的单模特性,基于这种结构的高灵敏度SPR传感器非常具有吸引力。

2010年,Xia Yu等人提出了基于光子晶体光纤和选择性气孔镀膜SPR传感器的设计理念,并设计出了相应的传感器模型,如图7所示[18]。与全部气孔镀膜的结构相比,选择性气孔镀膜的传感结构可以得到更窄、较深的共振谱峰,从而具有更高的分辨率和信噪比。优化的光子晶体光纤SPR传感器的性能更加优异,采用光谱探测法可以将灵敏度提高到5 500nm/RIU。

4 分布式光纤SPR传感器

2003年曹振新等人利用SPR效应,根据不同金属膜厚度对应着不同的共振波长设计出分布式光纤SPR传感器。该结构通过共振波长的偏移来计算外界折射率的变化,且要求共振波长的偏移小于不同传感器共振波长的间隔。

2007年,曾捷等人提出一种基于波分复用原理的准分布式光纤SPR传感器,其结构如图8所示[19]。对蒸镀不同调制层的SPR传感器的效果进行了数值模拟和实验分析,并给出了设计的一般步骤和实验原则。实验结果表明,通过增加Ta2O5薄膜的厚度,可以使共振波长依次红移。当增加Ta2O5薄膜的厚度,光纤SPR传感器的波长灵敏度有所提高。在此基础上,通过在一个传感探头加工两个表面等离子体共振区域,可以获得两个共振光谱。

5 总结与展望

表面等离子共振 第8篇

食品安全问题是关系到人民健康和国计民生的重大问题。近年来,因食品中有毒有害化学品(如瘦肉精、农药、兽药、生物毒素等)含量超标引发的食品安全事故屡见不鲜。已引起国家有关部门的高度重视,加强食品安全的监督管理成为各级政府的重要任务之一,但食品中有毒有害物质的检测面临诸如:检测样品的基体极为复杂、需要检测的有毒有害物质的种类和组分繁多、以及需要检测的目的物含量很低等难题。气相色谱、液相色谱等传统的检测仪器价格昂贵、样品处理步骤复杂、检测周期长、成本高,难满足现场快速检测的要求[1,2,3]。

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感器具有免标记、实时动态检测、灵敏度高、监测范围广等特点,容易满足现场快速检测的要求,被广泛应用于生物学、医学、化学、药物筛选以及环境监测、食品安全等领域[4,5,6,7,8]。由于SPR生物传感器检测技术的优越性能,近年国外少数几家公司已有生产和商用[4,5],如瑞典Biacore AB公司生产的BIAcore系列,但BIAcore系列仪器多为全自动操作,具有较贵的价格(20多万美金)和较庞大的体积(例如BIAcore 2000的体积为760 mm350 mm610 mm,净重50kg);美国Texas Instruments公司生产出了主机部分只有手掌大小,价格较低的便携式仪器;英国WindsorScientific公司推出了价格较低的SPR仪器,硬件部分相对比较紧凑、小巧、坚固,系统建立在对入射光进行角度扫描的基础上,为了保证紧凑的体积,可变化的角度范围仅为6°。这些价格较低的仪器,在测量范围或灵敏度或自动化程度方面都非常有限,只能作为检测少数样品的专用仪器。国内尚没有被广泛使用的商品化SPR仪器。

本文详细介绍了我们研制的用于食品安全现场快速检测的便携式SPR生物传感器系统,包括光学系统、硬件电路及软件设计,并对盐酸克伦特罗(瘦肉精的一种)进行了实验检测,以验证该表面等离子体共振生物传感器的可行性。

1 表面等离子体共振生物传感器原理

表面等离子体共振效应是在金属和电介质界面处入射光在适当的条件下引发金属表面的自由电子共振振荡的一种物理现象[9,10,11,12,13]。表面等离子体共振效应对附着在贵金属膜表面上的电介质的折射率变化非常敏感,而折射率是所有材料的固有特征,使得基于表面等离子体共振效应的生化分析技术不需要对样品标记, 就可通过探测样品折射率的微小变化,实现对样品的生化分析。表面等离子体共振传感器按光信号探测方式来分,主要有共振角探测方式和共振波长探测方式。共振角探测方式相对共振波长探测方式结构简单、稳定可靠。

为了保证光束在样品上的入射点在角度旋转过程中不漂移,检测共振角方式的单点角度扫描式表面等离子体共振传感器一般采用半圆柱镜耦合方式[14],如图1所示。P偏振光源进行角度扫描,在角度扫描过程中通过光电探测器(Photoelectricity Detector,PD)实时检测出射光的光强,若样品上发生表面等离子体共振效应,则反射光强呈现强弱变化,从而得到SPR曲线,如图2所示。图2中光强最低点所对应的角度值则反映了待测介质的折射率信息[15]。

2 便携式表面等离子体共振生物传感器的设计与组成

2.1 系统硬件的组成与设计

便携式意味着要经常移动,为了保证使用,坚固、紧凑的系统设计是非常必要的。系统的硬件包括光路和电路两部分,系统结构如图3所示。

2.1.1 紧凑光路设计

为了保证装置简单、仪器紧凑,同时具有大的检测折射率范围,本文采用共振角光信号的探测方式。如图3所示,激光经偏振片后以P偏振光入射到振镜,振镜通过旋转来改变反射光线的角度,通过设置透镜组对反射光线进行会聚,根据透镜成像关系,将振镜(旋转中心)置于透镜的物方2L处,则其像将在像方2L′处会聚。在L′处放置反射镜,同时,将棱镜中心置于像方2L′相对于反射镜的共轭位置2L″处,使入射光能通过半球柱棱镜,保证光束通过棱镜中心。只要棱镜入射角大于临界角,则可发生全反射。在棱镜中心位置表面镀上金膜,样品池紧压置于金膜上,待测样品可通过微量泵添加到样品池。振镜作角度扫描时, 若发生表面等离子体共振效应,出射到光电探测器上的光线则会呈现强弱变化,从而得到SPR共振曲线。

其中光源为波长635 nm的半导体激光器;振镜分辨力可达0.001°,扫描范围±12.5°。由于被测样品折射率多与蒸馏水(20℃时约1.333)相近,为了能对大部分生物样品溶液检测,系统要求获得折射率测量范围为1.24?1.37,即振镜扫描角度范围为±5°,金膜入射角度为64°到84°;透镜组由3个透镜组成;反射镜处安装调节旋钮,用于微调角度及上下位置;棱镜参数为:n =1.516 3(K9玻璃),外形为半球柱。

2.1.2 电路组成

电路由光电探测器、光电转换电路、微量泵驱动电路、振镜驱动电路和数据采集卡等部分组成。为了使设备便携, 整个光路和电路系统都集成在统一的机械框架中(见图4), 尺寸为550 mm200 mm330 mm,远小于BIAcore2000(760 mm350 mm610 mm)。

1) 光电探测器采用2CR91型硅光电池,光谱响应范围为400~1 100 nm;

2) 光电转换电路为以集成运放芯片为核心的光电流-电压转换电路,并对电压信号放大;

3) 微量泵及驱动电路与直线电机、样品池等构成流路系统,其中微量泵驱动电路以Sst89E58RD2单片机为核心,通过直线电机对微量泵进行控制,实现液体(样品)泵入与泵出;

4) 振镜驱动电路采用与振镜匹配的驱动板,并配上散热器,确保在正常工作中温度不超过45℃,位置信号输入比例系数0.5 V/°;

5) 数据采集卡为电路部分的核心部分,完成光电池信号的采集、微量泵的控制及振镜的控制等功能。本文采用美国NI(National Instruments)公司的USB6221数据采集卡,具有16路模拟输入(16位,250 KS/s)、2路模拟输出(16位,833 KS/s)和24路数字I/O(其中8路时钟同步)。系统采用了一路模拟差分输入采集测量信号;一路模拟输出对振镜驱动电路进行控制、两路数字I/O与微量泵双向通信,实现对微量泵的控制和泵当前状态的采集。

2.2 软件设计

软件部分采用NI公司开发的集成化图形编程环境LabVIEW设计。软件平台主要包括进样控制、免疫检测和数据处理等3个功能模块。

进样控制:该功能模块主要实现对流路的控制。通过LabVIEW对数据采集卡的写操作,根据制订的通信协议,向下位机(微量泵驱动电路)发送控制指令,实现上位机对下位机的控制;通过对数据采集卡的读操作,实现对微量泵当前状态的采集。

免疫检测:该功能模块主要实现待测样品SPR曲线扫描和免疫反应的动力学过程测量,实时监测抗原与抗体反应过程对共振角度的影响,绘制免疫反应曲线。由于采集卡具有高达250 KS/s的采样率,为了降低噪声的干扰,SPR曲线扫描时可对每个采样点多次采样取平均。同时,可以通过设定扫描角度的间隔, 来控制扫描测量的精度,它决定了样品共振角的测量精度。免疫反应曲线测量时,首先按照设置的“零点”、“扫描范围”、“扫描步长”等参数进行预扫描,确定扫描所需要的时间。根据采集次数进行多次扫描,扫描得到的共振角度为Y,设置的“延时时间”与预扫描得到时间之和为X,实时绘制Y-X曲线,扫描过程中, 为了减少扫描时间以增加测量点数,可根据预扫描的共振峰位置适当减少扫描范围,扫描时间会相应改变。

数据处理:该功能模块主要实现数据的拟合、存储和回放等。数据拟合主要用于标准曲线的绘制;SPR共振曲线和免疫反应曲线的数据都能以Excel文件存储;存储的数据也可回放显示以便观察和分析。

3 系统测试

本系统的测量误差受电信号噪声、温度漂移、角度扫描系统和光电检测器件的测量精度等因素影响, 但主要是由角度扫描系统的精度决定。角度扫描系统为电压控制型振镜,振镜角度分辨力可达0.001°,对应棱镜入射角度分辨力为0.002°。整个系统的精度约可以达到0.002°,角度分辨精度对应样品的折射率测量分辨力在64°~84°范围内约为1.810-5~4.210-6。

为了进一步验证系统的可行性,利用该系统进行生物分子免疫反应检测实验。预扫描设置参数为:扫描零点为-2°,扫描范围为4°,扫描步长为0.01°。实验过程如下:将经过HS(CH2)10COOH(巯基十一酸)和HS(CH2)6OH(巯基己酸)的乙醇溶液进行自组装的生物传感芯片固定在仪器圆柱棱镜处,安装流路系统。通入PBS缓冲液清洗,开始记录SPR响应值,此时PBS的SPR共振曲线如图5所示,以此时PBS的共振角度作为基准,图6中阶段1所示。待稳定基线后加入EDC-NHS溶液活化芯片,15~20 min,通入PBS清洗, 这时的基线比活化前略有升高,如图6中阶段2所示,活化后的传感芯片可固定蛋白质。然后固定生物探针(克伦特罗抗原)约30 min后PBS冲洗,响应值只有小幅下降(比固定前明显升高),说明探针固定效果很好,如图6中的阶段4~5。用pH8.5的乙醇胺封闭灭活7 min,如图6中阶段6所示,PBS冲洗后,如图6中阶段7所示,生物芯片制备完成。

在生物芯片表面固定生物探针后,抗体浓度分别为2 mg/L,4 mg/L,8 mg/L,16 mg/L和32 mg/L的溶液依次通过生物芯片表面所得到的连续检测曲线分别如图6中8~12段所示;平台期对应通入PBS后抗体从芯片表面解离的过程,可以看到PBS清洗后曲线并无明显下降,说明抗原与抗体已经结合,结合力较强,解离速度较慢;图6中13段为用SDS-HCL溶液洗脱过程。由图6中8~11段可见,随样品中抗体浓度升高,免疫反应速度增快,最终逐步趋于饱和,依次加大抗体浓度,免疫反应速度放缓(见图6中12段), 原因是反应一段时间后,传感器表面的抗原已经部分被消耗。该方法可用于抗体筛选,适用于大量样品的连续快速检测,节省时间,降低成本,不需要标记、染色等步骤,减少了有毒有害试剂的使用,有推广价值。

①,③,⑤,⑦: PBS; ② 活化; ④ 固定生物探针; ⑥ 灭活; ⑧ 2 mg/L 抗体; ⑨ 4 mg/L 抗体; ⑩ 8 mg/L 抗体; 11 16 mg/L 抗体; 12 32 mg/L 抗体; 13 洗脱

浓度为2 mg/L和4 mg/L抗体与抗原免疫反应过程的回放曲线如图7所示,为了便于分析比对,曲线回放时将不同浓度反应曲线的基线调整为一致。由图7可见,不同浓度盐酸克伦特罗的抗体与抗原的免疫反应速度都为先快后慢,逐渐趋于饱和,反应过程呈近似对数关系,符合免疫反应规律[16,17]。浓度为4 mg/L的抗体与抗原反应速度整体高于2 mg/L的抗体与抗原反应速度。通过减小振镜扫描步长可进一步提高系统分辨力,但会增加每次扫描的时间,减少测量的数据点。因此根据实际需要,本实验采用扫描范围为4°, 扫描步长为0.01°。

4 结 论

本文提出了一种基于柱面棱镜耦合的用于食品安全检测的角度扫描型便携式表面等离子体共振生物传感器。详细介绍了光机电系统设计及软件开发,通过盐酸克伦特罗样品检测实验证明了该装置的可行性。实验中对浓度分别为2 mg/L,4 mg/L,8 mg/L,16 mg/L和32 mg/L的抗体做了连续检测,结果符合免疫反应规律。该装置在食品安全检测中具有很好的应用价值。

摘要：针对食品安全检测,构建了一种角度扫描型便携式表面等离子体共振生物传感器。详细介绍了光学系统、硬件电路及软件设计。并以盐酸克伦特罗(瘦肉精的一种)为检测样品,通过在传感器芯片固定生物探针,对浓度分别为2 mg/L、4 mg/L、8 mg/L、16 mg/L和32 mg/L的盐酸克伦特罗抗体进行了连续检测实验。实验结果符合生物分子免疫反应规律,证明了该装置的可行性。该装置便携、易操作,在食品安全检测领域具有广泛应用前景。

等离子束表面冶金技术的探讨 第9篇

等离子束表面冶金技术是以等离子弧为热源, 采用同步送粉方式, 在基体材料表面获得一层均匀致密、结合牢固的冶金涂层, 实现涂层与金属基体的冶金结合, 具有表面冶金层厚、成分可调范围大、不需要前处理、效率高、成本低、冶金层质量好等优点, 适合于处理一些既耐冲击又需要耐磨、耐腐蚀的金属零件, 是一种极有发展前途的金属表面改性处理新技术。

2 等离子束表面冶金过程的特点

等离子束表面冶金的反应区主要分为2个反应区:熔滴反应区和熔池反应区。熔池反应区熔滴进入熔池后, 同微熔的基体表面混合或接触, 与此同时各相问进一步发生物理化学反应, 直至金属凝固, 形成熔覆层。首先, 熔池反应区的物理条件与熔滴反应区不同, 熔池平均温度低一些, 反应时间长一些。熔池的突出特点之一就是温度分布极不均匀, 因而各处的反应方向可以不同, 甚至是向相反的方向进行。再者, 熔池反应区的化学条件与熔滴反应区也有所不同。熔池阶段系统中反应物浓度与平衡浓度之差比熔滴区要小, 所以在其余条件相同的情况下, 熔池中反应速度比熔滴中要小。熔滴反应区有以下特点:在该区的反应时间短, 温度很高, 比表面积大, 并有强烈的混合作用, 冶金反应最剧烈, 一些反应可以进行到终了的程度, 因而该区反应对冶金层的成分影响最大。

3 等离子束表面冶金工艺

工艺参数:

3.1 当等离子弧的能量一定时, 如果送粉量过大, 就会导致粉末熔化不足, 飞粉量增大, 造成粉末在冶金层上面堆积。

送粉量的变化还会引起稀释率的波动, 导致冶金层性能不稳定。

3.2 电流是影响冶金层质量的最主要因素, 所以是等离子束表面冶金技术最主要的工艺参数。

当离子气一定时, 电流就决定了等离子弧功率的大小, 电流和等离子炬的扫描速度共同决定冶金层的稀释率。

3.3 喷嘴到基体的距离影响着等离子弧的有效功率。

由文献可知, 等离子弧的热损失随着电弧的增长而增大。如果喷嘴到基体间的距离过大, 会使等离子弧变长, 导致热损失增加, 其结果是基体加热不足, 冶金层与基体间的结合力减弱, 甚至冶金层从基体上脱落。如果此距离过小, 又会使稀释率增加。

4 材料的选择

4.1 金属陶瓷具有硬度高、耐腐蚀性及抗氧化性等优点, 常被用作耐磨涂层的增强相。

固溶的以复合材料涂层, 可望具有优异耐磨损性能。合金化处理后的涂层致密, 大量合金元素的固溶体具有良好的塑性、韧度及较高的强度, 以金属陶瓷作为增强相, 以固溶体作为基体有些许空隙, 没有裂纹并且成分分布均匀, 合金化层与基体形成了很好的冶金结合;随着扫描速度的增加, 合金化层中的残余奥氏体相呈增加的趋势, 涂层的显微组织结构进一步细化, 耐摩擦磨损性能增强, 其耐磨损性能甚至能够增强到基材的7.8倍;合金化层耐摩擦磨损性能的提高缘于细晶强化、固溶强化、奥氏体非平衡凝固形成的位错强化、Cr7C3、Fe3C等合金碳化物弥散分布形成的强化以及马氏体等因素的共同作用。熔覆层的形成使涂层与基体的结合呈残余圆周应力, 这是由热影响区内的马氏体转变造成的;摩擦过程改变了近表层的残余应力状态, 使之变成拉应力;对熔覆过程以及摩擦的模拟证明了熔覆层内残余应力的情况对熔覆层抗疲劳性能的影响比预计的要大。

4.2 颗粒增强金属基复合材料具有类多价廉、制备成本低、性能

各向同性、易于二次加工等优点, 近年来得到快速地发展。颗粒增强金属基复合材料按增强体的加入方式可分为外加颗粒增强基复合材料和原位析出颗粒增强金属基复合材料。其优点是, 生成的碳化物颗粒硬质相中, 棱角状碳化物与周围基体几乎无交互作用, 界面结合薄弱, 而且尖角的外型更易引起较大的应力集中。而等离子束表面快速非平衡冶金条件下, 冶金层中部的碳化物颗粒强化相大部分成团块状且棱角较小, 所以在一定程度上能提高涂层强韧性。另外, 等离子束表面冶金过程的快速加热和凝固, 导致了晶粒细化, 也提高了涂层的强韧性。

5 等离子束表面冶金设备

5.1 高镍铬无限冷硬铸铁是一种十分优异的表面冶金材料, 能够满足热轧辊若干关键使用要求。

然而由于其显微组织粗大, 成分不均匀, 碳化物粗大且不均匀分布, 在高温下剧烈的热疲劳、热磨损状况下容易产生各种失效, 极大地缩短了其使用寿命。因而对其进行等离子束表面强化以期有效地提高辊材的使用性能。

5.2 激光束表面合金化技术也有不小的缺陷, 运行成本高昂、对工作场地的要求以及热利用率不高等缺点都限制了其应用前景。

在我国, 等离子束表面热处理以双辉离子渗金属技术研究得较早, 但是其对设备的真空度要求极高, 并不适用于诸如轧辊这样大型工件的表面强化处理。

5.3 等离子炬的结构特点是在等离子炬喷嘴孔周围增加了一个

与之同心的环状狭缝, 氩气由进气管进入到均气环槽均压后, 通过环状狭缝高速向下吹出, 形成高速流动的圆环状气套, 将处于中心的等离子束与周围的大气隔绝, 更重要的是产生了中心负压区。在隔绝了大气的负压环境中, 等离子束流会沿径向自动扩展, 其结果是改变了等离子束流截面的功率密度分布, 将原来高度压缩内外温差剧烈的弧柱, 变为适当扩束且沿弧柱径向温度分布较为平缓的柔性等离子束, 负压环境也减小了弧柱放电电压, 从而提高了等离子束的稳定性。

6 结论