納米金表面修飾對(duì)表面等離子體共振放大作用的研究

納米金表面修飾對(duì)表面等離子體共振放大作用的研究

1.金納米薄膜對(duì)spr傳感器信號(hào)放大的影響20世紀(jì)90年代初，表面離子共振（spr）技術(shù)首次被用于生物分子相互作用研究。由于它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，并不需要標(biāo)記和提取樣品，它已成為藥物篩選、臨床診斷、食品、環(huán)境科學(xué)、生物科學(xué)和其他部門的強(qiáng)大分析手段，并取得了顯著進(jìn)展。最近，一些研究人員，如gu和liebermann開發(fā)了增強(qiáng)的光譜增強(qiáng)spr技術(shù)。該表面功能化技術(shù)在多個(gè)級(jí)別上的信號(hào)放大中得到了提高，具有測(cè)量精度的提高[7-11]。然而，引入吸收介質(zhì)膜后，它對(duì)傳感器本身也有一定的影響。在這項(xiàng)工作中，我們根據(jù)分散介質(zhì)的吸收理論，建立了數(shù)學(xué)模型，并分析了金膜表面變化對(duì)spr生物傳感器信號(hào)的放大作用。2.金膜外吸收介質(zhì)對(duì)反射率與共振波長(zhǎng)的影響對(duì)于Kretschmann結(jié)構(gòu)的波長(zhǎng)型SPR生物傳感器,根據(jù)菲涅爾公式,可得P偏振光反射和折射系數(shù)其中膜系特征矩陣M為3,D)為j層Z方向的波矢,kXP=(2π/λ)[εpsin2θ]1/2為棱鏡中X方向的波矢,位于第i層介質(zhì)中,與棱鏡表面距離為z的某點(diǎn)TM波的電磁場(chǎng)強(qiáng)度可由菲涅耳反射和折射系數(shù)表示為其中Δz=z-Σjl=1dj為此點(diǎn)到l/(l-1)界面處的距離,入射TM波的磁場(chǎng)強(qiáng)度Hi=(εp)1/2Ei(Ei為電場(chǎng)強(qiáng)度).一束平行P偏振光以入射角θ照射在棱鏡和金膜(厚度約為48nn)表面,當(dāng)入射角θ大于全反射臨界角時(shí),在棱鏡與金膜界面處產(chǎn)生消逝場(chǎng),其X方向的波矢與表面等離子體波波矢相匹配時(shí),產(chǎn)生表面等離子體共振.由于金膜為吸收介質(zhì),其介電常數(shù)虛部不為零,在共振時(shí)導(dǎo)致能量的損耗.所以,在吸收介質(zhì)(金膜)引起能量損耗的情況下,其反射率也可表示為其中,A為由于吸收引起的損耗率,電場(chǎng)強(qiáng)度〈E2〉=〈E2x〉+〈E2z〉.為提高其探測(cè)靈敏度,通過(guò)表面修飾,在金膜外再引入一層吸收介質(zhì)膜后,金膜導(dǎo)致能量損耗的同時(shí)復(fù)介電常數(shù)的吸收介質(zhì),也會(huì)導(dǎo)致表面等離子體波能量的損耗.因此,此時(shí)的反射率R為對(duì)于表面修飾的納米金復(fù)合膜,當(dāng)納米金顆粒的濃度小于1/3,顆粒形狀近似球形和橢球形,且直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)時(shí),可采用麥克斯韋-噶尼特(Maxwell-Garnett)模型進(jìn)行有效介質(zhì)近似[14—17],其等效介電常數(shù)εe為其中εm為金的介電常數(shù),εi為基體的介電常數(shù),Φ為納米金顆粒的濃度.其他各參數(shù)為棱鏡:εp=2.30;藕聯(lián)層:ε2=2.143,d2=2nm;樣品溶液:εD=1.769.理論仿真結(jié)果:如圖2所示,金膜外無(wú)吸收介質(zhì)時(shí),隨著樣品折射率的增加,共振波長(zhǎng)隨著折射率的增加而發(fā)生紅移,半波寬度、共振峰處的反射率最小值不變;如圖3所示,金膜外修飾納米金薄膜(吸收介質(zhì)薄膜)后,共振波長(zhǎng)在隨著折射率的增加而發(fā)生紅移的同時(shí),半波寬度變大,共振時(shí)的反射率也隨之變大.在無(wú)吸收介質(zhì)薄膜時(shí),能量的吸收是由于金屬膜所產(chǎn)生,折射率的變化,只是引起了共振條件的改變,并未影響到電磁場(chǎng)能量的消耗;而存在納米金薄膜(吸收介質(zhì)薄膜)時(shí),能量的消耗不僅僅發(fā)生于金屬膜內(nèi)部,吸收介質(zhì)膜同樣也會(huì)引起能量的消耗.如圖4所示,當(dāng)金膜外無(wú)納米金薄膜時(shí),棱鏡外金膜和樣品內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布情況,電場(chǎng)強(qiáng)度在金膜與樣品界面處最強(qiáng),并向此界面處的兩側(cè)逐漸衰減,而當(dāng)金膜外吸附納米金層吸收介質(zhì)后,如圖5所示,改變了各層內(nèi)電磁場(chǎng)的分布狀況,金膜內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度由于此納米金薄膜的引入,電場(chǎng)強(qiáng)度減弱,使表面等離子體波電磁場(chǎng)(消逝場(chǎng))一部分能量消耗被吸收介質(zhì)所分擔(dān),樣品內(nèi)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度增加.由于納米金薄膜的作用,金屬膜內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?金屬膜在共振吸收中的作用也就相對(duì)的減弱,從而使半波寬度變大,共振時(shí)的反射率也隨之變大.由上分析可知,當(dāng)金膜表面修飾納米金后,被測(cè)樣品折射率的變化不僅會(huì)導(dǎo)致表面等離子體波共振條件的變化,而且也會(huì)導(dǎo)致納米金吸收介質(zhì)層等效介電常數(shù)的增加,實(shí)際被測(cè)信號(hào)應(yīng)為兩者的疊加,從而對(duì)測(cè)試信號(hào)起到了放大作用.納米金薄膜的引入對(duì)SPR生物傳感器靈敏度的影響,如圖6所示,相同量的折射率變化,有納米金表修飾的吸收介質(zhì)引起共振波長(zhǎng)的變化量大約是無(wú)納米金吸收介質(zhì)的1.6倍,即由于引入了納米金吸收介質(zhì),從物理層面上,對(duì)信號(hào)起到了1.6倍的放大作用.在納米金吸收介質(zhì)引入的同時(shí),也給SPR傳感器自身帶來(lái)一些不利影響,如共振曲線的半波寬度和共振點(diǎn)反射率增加,其原因是棱鏡表面各層電磁場(chǎng)能量分布發(fā)生了變化,所以可以通過(guò)改變金膜的膜厚來(lái)調(diào)整其能量分布.3.膠體金在金膜厚度對(duì)spr活性的影響實(shí)驗(yàn)采用胱胺為偶聯(lián)劑,在金膜表面形成半胱胺SAM,當(dāng)有膠體金溶液通過(guò)時(shí),胱胺另一端的氨基依靠靜電力將納米金進(jìn)行吸附.實(shí)驗(yàn)時(shí)先將金膜表面丙酮超聲10min,去離子水反復(fù)沖洗后用氮?dú)獯蹈?浸入0.02mol/L胱胺鹽酸鹽溶液中,室溫下放置24h,然后去離子水洗去非特異性吸附的胱胺,在芯片的表面組裝成上一層自組裝半胱胺單分子層.實(shí)驗(yàn)1選用厚度為48nm金膜,經(jīng)過(guò)表面修飾,通入10min去離子水,待光譜穩(wěn)定后,再通入膠體金溶液.圖7為金膜厚48nm、膠體金顆粒為10nm掃描電鏡圖及實(shí)驗(yàn)反應(yīng)曲線.實(shí)驗(yàn)2選用厚度為45nm金膜,經(jīng)過(guò)表面修飾,通入10min去離子水,待光譜穩(wěn)定后,再通入膠體金溶液.圖8為金膜厚45nm、膠體金顆粒為10nm掃描電鏡圖及實(shí)驗(yàn)反應(yīng)曲線.通過(guò)以上的兩對(duì)比實(shí)驗(yàn),我們可知,當(dāng)SPR傳感器金膜膜厚為48nm時(shí),如圖7所示,隨著膠體金在金膜表面的吸附,SPR譜線變得越來(lái)越鈍,共振峰處的最小值變大,并且略微產(chǎn)生紅移,這與數(shù)值模擬結(jié)果圖3相一致;但當(dāng)金膜的膜厚小于最佳膜厚時(shí),如圖8所示,隨著膠體金在金膜表面的吸附,SPR譜線并不是變得越來(lái)越鈍,而是變得越來(lái)越尖銳,共振峰處的最小值變小,共振波長(zhǎng)基本上不發(fā)生變化.也就是說(shuō),當(dāng)金膜表面修飾一層吸收介質(zhì)薄膜用來(lái)進(jìn)行測(cè)試時(shí),如金膜膜厚仍按照以前設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì),SPR譜線將會(huì)由于吸收介質(zhì)薄膜的存在而半波帶寬增加,因此最佳膜厚應(yīng)該由于吸收介質(zhì)納米金的引入而減小.金膜厚為48nm和金膜厚45nm、表面修飾膠體金顆粒為10nm兩傳感芯片測(cè)試不同折射率甘油去離子水溶液的測(cè)試曲線如圖9所示,測(cè)試結(jié)果基本上與理論分析相一致,由于納米金的表面修飾,傳感器的折射率靈敏度提高了近1.5倍.4.納米金表面修飾對(duì)spr傳感器的影響為了克服SPR生物傳感器探測(cè)生物小分子(如蛋白質(zhì)片斷、小分子量藥品)靈敏低的缺點(diǎn),常常通過(guò)在金膜表面引入一層吸收介質(zhì)膜,如膠體金SPR、熒光增強(qiáng)SPR等對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大;但是,在吸收介質(zhì)層引入的同時(shí)也會(huì)給對(duì)SPR生物傳感器帶來(lái)一些不利的影響.在色散介質(zhì)的吸收理論基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)納米金表面修飾對(duì)傳感器的影響理論仿真,可以看出:由于對(duì)納米金薄膜的引入,棱鏡表面金屬膜內(nèi)電磁場(chǎng)的能量變化情況,隨著吸收介質(zhì)膜厚的增加金屬膜內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度變?nèi)?金屬膜在共振吸