基于偏振态调制的等离激元生物传感器、装置及使用方法

基于偏振态调制的等离激元生物传感器、装置及使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及等离激元生物传感器、装置及使用方法，具体为基于偏振态调制的等离激元生物传感器、装置及使用方法。
【背景技术】
[0002]近年来，基于金属纳米结构的局域表面等离激元共振(LSPR)生物传感得到快速的发展，局域表面等离激元共振生物传感是一种光学传感技术，利用光与金属纳米结构中自由电子耦合所产生的表面等离激元作为光学探针，高灵敏度地检测金属纳米结构表面的微小折射率变化。通过传感器芯片实时、原位和动态测量各种生物分子如多肽、蛋白质，以及病毒、细菌、细胞、小分子化合物之间的相互作用过程。在药物筛选、临床诊断、食品及环境监控和膜生物学等领域中的应用日益扩大，并且有望成为生命科学和制药研究中一种重要的生物检测工具。LSPR的传感原理在于通过监测LSPR消光谱、反射谱或透射谱上共振峰的波长变化，确定结构外部环境(对应特定的折射率)的变化Aa相同条件下共振峰对应的波长变化越大，该微纳结构的传感性越好。折射率灵敏度尤是用来定量表征共振峰变化大小的物理量，即免匕i/Δ/?，其中，Δ i是共振峰位的变化量。影响传感器传感特性的另一个量是共振谱的宽度，光谱越精细越有利于分辨更加微小的峰位偏移，为了表达共振谱宽度对传感器灵敏度的影响，引入品质因数(figure of merit, FoM)作为评价参考指标。FoM可表示为折射率灵敏度S与共振谱半高宽FWHM的比值，即有FoM= 5/FWHM。
[0003]与其它生物传感方法相比，局域表面等离激元共振生物传感器具有更好的特性。具体表现在以下三方面，第一，局域表面等离激元共振对于环境折射率的微小变化非常敏感；第二，与液态介质相互作用的金属表面处理工艺简单，任何附在金属表面的物质都可引起很强的信号变化，使得该装置非常适合于测量任何目标生物分子样品之间的亲和性结合反应；第三，局域表面等离激元共振属于衰逝场，具有背景噪声小的优势。
[0004]现有的研究中，进行生物分子检测有以下几种方法:
利用电化学式生物传感技术，它通常使用一些酶素作为探针。但是这传感信号低，灵敏度不高，而且操作复杂，因此限制了该技术的普及。
[0005]有研究用荧光分子标记进行检测，提高了检测的灵敏度和准确性，但这种技术在检测大分子时需要进行外部标记，步骤复杂繁琐且容易破坏分子结构，存在检测灵敏度受限、结构不稳定等缺点。
[0006]利用局域表面等离激元共振技术对生物分子进行检测，与传统的电化学式、荧光法等相比，它具有实时检测、无需标记、耗样少、可实现对局域环境检测等特点。然而由于局域表面等离激元结构存在较大的辐射及无辐射损耗，造成局域表面等离激元共振光谱线宽很大，使得基于局域表面等离激元共振生物传感器品质因数FoM普遍不高(FoM〈50)。非专利文南犬 Nicolo Maccaferri, Keith E.Gregorczykl, Thales V.A.G.de Oliveiral etal.Nature Communicat1ns, 2015, 6: 6150 DO1: 10.1038nco_s7150 提出最新的检测技术是利用磁性纳米天线对光场偏振态的调控进行生物分子检测。这种技术很大程度上提高了传感器的品质因数FoM (FoM?150)。但也存在一些缺点和不足，例如，纳米天线必须是铁磁性材料，材料性能不稳定，在空气中易被氧化；与贵金属相比，铁磁性材料对光的吸收损耗更大，限制了局域场的增强，不利于折射率灵敏度施]提高；同时这一方法基于磁光效应实现光场偏振态的调制，需要外加很大的磁场，传感装置更加复杂，这些缺点一定程度上限制了它在传感方面的应用。因此，研究一种结构稳定、灵敏度高、装置简单的等离激元生物传感器及使用方法是十分有必要的。

【发明内容】

[0007]本发明解决现有基于光场偏振态调制的磁性纳米天线生物传感器材料性能不稳定、易被氧化、受外界磁场影响大、传感装置复杂的问题，提供一种基于偏振态调制的等离激元生物传感器、装置及使用方法。
[0008]本发明是通过以下技术方案实现的:基于偏振态调制的等离激元生物传感器，包括玻璃基底，所述玻璃基底上同向排列由同种贵金属纳米颗粒构成的尺寸在纳米级的二维结构，所述二维结构的对称性属于CsS C 2V或C ? v或C 1或D 1或D ? 群中的一种。例如枝杈形结构属于Cs点群，其两枝杈尺寸在纳米级，二者之间夹角不等于0°山形结构属于C2v点群，其两臂尺寸在纳米级；火柴棒形结构属于C ? v点群，其一端头为纳米级圆盘，另一端为沿圆盘径向延伸出的纳米级直臂；X形结构属于C2h点群，两纳米级直臂夹角不等于0° ;哑铃型结构属于D2h点群，其中部为纳米级直臂，直臂两端分别连接由两根倾斜臂构成的V字形纳米级折臂，所述两端的V字形纳米级折臂沿中部直臂的长度、宽度方向中垂线对称；纳米级直臂结构属于Drah点群。当线偏振光垂直照射介质时，选定一个坐标轴，总可以将入射电场分解为X、y两个方向的分量，如附图1所示，选定坐标轴使偏振角Θ= 45°，此时两个方向分量振幅相等，相位差为0，Θ= 135°时相位差为:当通过传感芯片，使得上述两个方向电场分量振幅比例、相位差发生改变，即实现光场偏振态调制。若仅振幅比例发生变化，仍为线偏振，但偏振角改变；当相位差不为O或π，线偏振变化为椭圆偏振。利用金属纳米颗粒实现光场偏振态的调制时，与入射线偏振光类似，亦可选定相同的坐标轴，将金属纳米颗粒看作x、y方向两部分，当两部分对称完全相同时，x、y两个方向的电场分量的振幅及相位具有相同的变化，则输出光场偏振态不变；当结构两部分不同时，金属纳米颗粒对X、y两个方向的电场分量的振幅及相位调制作用不同，则输出光场偏振态发生变化。上述提到的D? h，C? v，Cs, C2v, C2h, D2h点群结构的共同特征是:没有高次轴(即轴次高于2次的对称轴)，这一特征使得具有上述对称性结构可实现偏振态调制，即结构在坐标系中分解后X和y方向不对称。另外，为实现偏振调制，入射光偏振方向应该偏离结构的对称轴或对称面，此为本领域技术人员公知的常识。上述单个纳米颗粒的尺寸在几十至上千纳米之间，而由纳米颗粒排列构成的二维结构尺寸则在几微米至几百微米之间，其具体尺寸应满足椭偏仪对探测信号强度的要求，而纳米颗粒的排列可以是周期或非周期排列，但各纳米颗粒应保证相同的取向(即同向排列)，纳米颗粒间隔则保持在几十至上千纳米之间，以实现对光场偏振态的调制，此为本领域技术人员所公知的常识，在此不再赘述。
[0009]基于偏振态调制的等离激元生物传感器装置，包括宽谱光源，所述宽谱光源的发射端依次连接有偏振片和Y型光纤，所述Y型光纤的分叉端一端连接宽谱光源的发射端，分叉端的另一端连接有椭偏仪，所述Y型光纤的共同端连接有光纤耦合器，光纤耦合器的一端与Y型光纤的共同端连接，光纤耦合器的另一端连接有光纤探头；生物传感器装置还包括样品池，所述样品池底部设有基于偏振态调制的等离激元生物传感器。宽谱光源为测试提供固定波长范围的稳定连续光。偏振片将光源的非偏振光转化为线偏振光，且偏振方向偏离传感器二维结构的对称轴或对称面。Y型光纤连接宽谱光源、椭偏仪和光纤親合器。光纤耦合器将光信号在Y型光纤内进行分配或组合。光纤探头发出和接收光信号。样品池用于盛放待测试的样品溶液。局域表面等离激元生物传感器上的贵金属纳米结构中的自由电子在光纤探头发出的激发光场的作用下，产生集体振荡，从而激发起局域表面等离激元，并出现电荷转移效应，使得光场偏振态发生改变，产生椭圆偏振(设椭圆率为ε )的透射和反射光，其中椭圆率ε受局域表面等离激元共振(即激发光波长)的调制。
[0010]基于偏振态调制的等离激元生物传感器装置使用方法，包括以下操作步骤:
a、开启宽谱光源，将光纤探头固定于样品池上方，令光纤探头发出的光线垂直照射于样品池底部的局域表面等离激元生物传感器表面；
b、光纤探头发出的光经等离激元生物传感器反射后再接收，并传导至椭偏仪内，通过椭偏仪对光谱进行分析后得到椭偏率ε随激发光场波长变化的光谱，进一步计算可得椭圆率倒数I/ ε随激发光场波长变化的光谱；
C、在样品池内引入待测样品溶液，重复步骤b，得到光源经待测溶液折射后照射到等离激元生物传感器表面产生的对应的偏振态光谱I/ ε ’ ；
d、计算前后两种偏振态光谱I/ ε与I/ ε ’峰位的偏移量，由偏移量的大小即可推算出引入待测样品溶液造成的折射率变化，进而可分析得出引入待测样品溶液的特性(如待测样品溶液的浓度、生物分子类型等)。
[0011]宽谱光源发出连续光，经偏振片后转化为线偏振光，线偏振光由Y型光纤的一端进入光纤，经过光纤耦合器、光纤探头后垂直照射于表面等离激元生物传感器表面(以下简称传感器)。传感器上的贵金属纳米结构中的自由电子在光纤探头发出的激发光场的作用下，产生集体振荡，从而激发起局域表面等离激元，并出现电荷转移效应，使得光场偏振态发生改变，产生椭圆偏振的反射和透射光(若要接收透射光，则在样品池底面与上方光纤探头相对位置也固定一枚光纤探头)。椭偏仪可对椭圆偏振的反射或透射光进行光谱分析处理，得到椭圆率