2024, Vol. 46
Issue (4): 1-13
2. 山东深大光学科技有限公司，山东 烟台 264000
2. Shandong Shenda Optical Technology Co., Ltd., Yantai 264000, China
众所周知，重金属离子（如汞、铅、镉等）是生物体内的有害物质，这些重金属离子具有高毒性、累积性和持久性，对人体的神经系统、心血管系统以及各种器官都会造成损害。同时，微量元素（如铜和铁等）对于人体的正常生理功能是必需的，但摄入过量或不足都会产生负面影响。人们研究了许多检测这些离子含量的方法。传统的离子检测技术有电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometry , ICP-MS）[1]、原子吸收/发射光谱法（atomic absorption/emission spectrometry , AAS/ AES）[2-3] 、微波诱导等离子体原子发射光谱法（microwave induced plasma atomic emission spectroscopy, MIP-AES）、X射线荧光法（X-ray fluorescence, XRF）等，这些检测技术均涉及昂贵的仪器。它们操作复杂且不可移动，必须正确维护和经常校准，特别是在检测相同的复杂混合物时，它们难以分析或区分特定形态的元素。为此，研究者们又提出了电化学法、荧光光谱、比色法。与上述传统的检测方法相比，它们的检测灵敏度更高，具有良好的特异性或可以进行多元素分析，而且所需仪器体积小，操作较为方便；但它们耗时、昂贵，需要样品制备和特殊的操作培训。1990年，Biacore AB公司研制出世界上第一台商业表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）分析仪器。随着纳米科技的发展，人们研制出了一系列基于SPR的检测技术。该方法具有成本低，免标记，检测速度快等特点，并且对重金属离子具有优异的检测灵敏度和特异性。本文概述了SPR技术在离子检测中的应用，特别介绍了从SPR传感材料和SPR传感结构等方面提高检测灵敏度、动态范围和特异性等指标的技术进展。
1 用于重金属离子的SPR检测技术原理和结构 1.1 SPR检测原理SPR技术有灵敏度高，所需样本量少，待分析物无需标记，可实时动态监测等优点，是一种常用于生物分子相互作用研究和离子检测的方法。SPR是一种物理学现象，当光束从光密介质入射到光疏介质，且入射角大于临界角时，会发生全反射，产生的倏逝波透入光疏介质约一个波长的深度。当横向磁场（transverse magnetic, TM）偏振态的平行入射的偏振光以特定角度照射到金属–介质界面上时，产生的倏逝波使得金属表面的自由电子被激发形成表面等离子体波（surface plasmon wave，SPW）。当入射光的角度等参数满足特定的波矢适配条件时，倏逝波与SPW发生共振。当有离子存在时，它们会改变金属表面附近的介电常数，从而影响SPW的传播。这种影响可以通过监测反射光的强度或角度等参数来测量。通过测量这些参数的变化，可以获得离子吸附到金属表面上的信息，进而实现离子的检测和分析。
1.2 SPR产生结构在实际操作中，光波需要在特定介质中传播，再入射到金属膜表面，才能实现与SPW的波矢匹配。为了满足这个要求，Kretschmann提出了棱镜耦合结构[4-5]，如图1所示。利用光密介质的全反射使倏逝波的波矢提高，实现倏逝波的波矢和SPW波矢匹配，产生SPR现象。Kretschmann耦合结构简单，易于实现，已经成为目前应用最广泛的SPR耦合结构。
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图 1 Kretschmann耦合结构 Figure 1 Kretschmann coupling structure |
与Kretschmann耦合结构类似，Otto耦合结构是另一种衰减全反射结构，如图2（a）所示。它的特点是样品位于棱镜和金属薄膜之间，而非直接覆盖在金属薄膜上。这样的排列方式导致样品与金属薄膜之间的间距通常非常小。由于难以精确控制这个小的间距，实际应用中很少采用Otto结构。
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图 2 3种耦合结构 Figure 2 Three coupling structures |
除了衰减全反射耦合结构外，SPW的激发还可以通过光栅耦合[6-7]和光纤耦合[8-9]来实现。光栅耦合结构如图2（b）所示，它是一种利用光栅衍射作用激发SPW的结构。在光栅耦合结构中，先将金属膜镀在光栅上，当入射光照射到光栅表面时，由于光栅的衍射作用，会产生以不同反射角度反射的光。其中，沿光栅平面方向的波矢量增加的光会激发SPW。当入射光的波矢与SPW波矢匹配时，会发生SPR现象，该波长的反射光能量会显著降低。然而，光栅耦合结构中要求被检测样品有一定的透明度，因为入射光要通过检测样品透射到光栅表面。但并不是所有样品都具备足够的透明性，所以这种结构的实际应用受到一定的限制。
随着光纤技术的发展，光纤SPR传感技术不断走进人们的视野。光纤耦合技术是一种常用的光学传感器方法，它通过去除光纤的包层并把金属层镀到纤芯上，借助内部的导波结构，可以有效激发SPW，光纤结构如图2（c）所示。这种光纤耦合结构具有许多优势，如成本低、灵敏度高。此外，光纤具有高度的灵活性，这使得光纤SPR传感器易于实现小型化设计和远程遥控检测。另外，光纤本身具有绝缘和屏蔽功能，使得光纤具有出色的抗噪性能。为了实现离子的特异性选择，需要选择合适的SPR传感膜的金属材料，同时在金属表面引入特定的功能分子或生物分子。
2 SPR检测离子的技术进展SPR传感器的性能受许多因素的影响，如传感材料和传感器的结构。传感材料对金属离子的检测灵敏度和特异性至关重要，是SPR重金属离子传感器设计的首要任务。下面着重从这两方面进行综述。
2.1 Kretschmann结构与薄膜的结合石墨烯基材料，如氧化石墨烯（GO），由于其更大的表面积和更高的π共轭结构，已被用于提高SPR传感器的灵敏度。此外，氧化石墨烯在可见光范围内能够促进或增强表面等离激元的存在和传播，其平面片状结构为SPR传感器提供了额外的保护[10-12]。
2018年，Mukhtar 等[13]研究了纳米复合膜的厚度对检测Pb2+的SPR传感性能的影响。研究表明，复合膜的厚度影响SPR传感器的灵敏度。传感Ag膜厚度tAg = 48 nm时，传感器的最佳灵敏度为0.452°/RIU，偏角移动0.905º。2018年，Alwahib等[14]报道了一种还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）/磁赤铁矿沉积的棱镜型SPR传感器，用于检测水中的Pb2+。其SPR光路结构如图3所示。在装置中采用样品循环设计，成功地将检测限提高至0.3 μg/L。
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图 3 SPR实验配置结构 Figure 3 SPR experiment configuration structure |
2018年，Daniyal等[15]将SPR光谱调制结构与十六烷基三甲基溴化铵修饰的纳米晶纤维素和氧化石墨烯复合材料（CTA-NCC/GO）薄膜相结合，对Cu2+进行传感。与裸金薄膜相比，CTA-NCC/GO的存在增强了SPR传感器对Cu2+的传感能力。采用SPR光谱法对Cu2+在CTA-NCC/GO薄膜上的结合进行了监测，检测范围为0.01～0.5 mg/L，并达到饱和值。当Cu2+浓度在0.01～0.1 mg/L时，灵敏度达到3.271°/（mg·L−1）。2019年，Roshidi等[16]通过旋涂法制备了氧化石墨烯/聚氨基胺（ GO/PAMAM）树枝状复合物薄膜，用于Hg2+的电位检测。傅里叶变换红外光谱分析结果证实了GO和PAMAM之间的相互作用，GO/PAMAM薄膜与SPR光谱的结合产生了对不同Hg2+质量浓度的正响应，在较低（<10 mg/L）时灵敏度为
壳聚糖对重金属离子具有良好的导电性和吸附性，被用作吸收金属离子的络合剂。2016年Kamaruddin等[17]在壳聚糖–氧化石墨烯（chitosan-graphene oxide，CS-GO）SPR传感器中采用金–银–金纳米结构的多金属层来增强信号，用于Pb2+检测。金–银–金多金属层可以有效地提高铯–镓SPR传感器检测铅离子溶液的线性范围和饱和点，线性范围为0.1～5 mg/L，在0.1～1 mg/L范围内的线性回归系数为0.98，灵敏度为2.05°/（mg·L−1）。使用三金属层的CS-GO SPR传感器可以分辨出10−5的折射率变化，且提高了SPR角度的偏移量。2017年，Kamaruddin等[18]首次利用金/银/金/壳聚糖–氧化石墨烯（Au/Ag/Au/CS-GO）SPR传感器，在0.1～5 mg/L的浓度范围内，实验计算出Pb2+和Hg2+离子的结合亲和常数K，从而证实了这种传感器在重金属监测中的优异性能。具体光路如图4所示，采用Kretschmann结构，研究了传感器的灵敏度、线性范围、重复性和信噪比（SNR）等的传感性能。Pb2+和Hg2+在传感器上的吸附数据符合朗缪尔等温线模型，利用该模型计算了Pb2+和Hg2+离子的K值分别是7×105（mol/L）−1和4×105（mol/L）−1。结果表明：Pb2+对该传感器的亲和力明显高于Hg2+，在低浓度和高浓度区域，Pb2+的灵敏度分别为2.05°/（mg·L−1）和0.29°/（mg·L−1），而对Hg2+的灵敏度分别为1.66°/（mg·L−1）和0.20°/（mg·L−1）。
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图 4 基于Kretschmann结构的SPR光谱仪 Figure 4 SPR spectroscopy based on the Kretschmann configuration |
2020年，Fauzi等[19]用旋涂技术成功制备了壳聚糖/磁赤铁矿（CS/Fe2O3）薄膜，其系统结构如图5所示。以去离子水作为对照来确定SPR角，利用CS/Fe2O3薄膜进行实验，结果证明该薄膜对Hg2+的检测限低至0.01 mg/L（49.9 nmol/L）。
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图 5 SPR光谱系统 Figure 5 SPR spectral system |
2019年，Wang等[20]采用优化的银/金/改性壳聚糖（modified-chitosan, MCS）复合膜，提高了传感器的灵敏度，并使薄膜的结构更加稳定。其Kretschmann结构有4层，如图6所示，从上到下依次为蓝宝石棱镜、折射率匹配液、蓝宝石衬底（棱镜、匹配液和衬底视为一层），银膜、金膜、MCS膜。利用EDTA溶液洗脱后，传感器的检测范围为1～5 mg/L，其检测灵敏度为0.727 1 mg/L，该传感器的检测限为18 μg/L。
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图 6 4层Kretschmann结构 Figure 6 Four-layer Kretschmann structure |
量子点材料是近年来出现的一种新型材料，石墨烯量子点（GQDs）是QDs家族的一员。2019年，Anas等[21]研究壳聚糖/羟基功能化石墨烯量子点（Cs/HGQDs）薄膜的光学特性，并利用SPR技术对Fe3+进行传感。研究表明，带羟基的GQDs的功能化将使其具有新的或更好的光学性能。线性回归分析表明，Fe3+质量浓度在0～1 mg/L和1～10 mg/L范围内的斜率分别为0.113 96°/（mg·L−1）和0.002 48°/（mg·L−1），因此，Cs/HGQDs薄膜能够检测低至0.5 mg/L的Fe3+，灵敏度为0.113 96°/（mg·L−1）。2018年，Sharma等[22]利用二维蓝色磷烯/二硫化钼（即BlueP/MoS2）异质结构作为与分析物的相互作用层来提高SPR传感器的灵敏度。层数（L）和波长（λ）对灵敏度和衰减有耦合效应，随着L的增加，灵敏度增加，这种增加在较短的波长下更加显著。当L = 4时，λ = 662 nm，最高灵敏度为355.525°/RIU。2019年，Xue等[23]开发了以超结构二硫化钼（MoS2）纳米片作为传感层材料的Hg2+的SPR传感器。模拟和结构表征如图7所示。结果显示，MoS2超结构中较大的层间距和足够的不饱和键促进了Hg2+的传输和吸附，提高了传感器的灵敏度。其SPR传感器的Hg2+检测限低至1.0 pmol/L，仅为传统Hg2+传感器的1/200。7层MoS2薄膜的灵敏度最高，达到190°/RIU。
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图 7 基于MoS2的SPR传感器与传统技术在Hg2+检测中的比较 Figure 7 Comparison of MoS2-based SPR sensor and traditional techniques in Hg2+ detection |
2016年，Raj等[24]开发了光纤SPR Hg2+检测传感器。用柠檬酸盐包覆的金纳米粒子聚乙烯醇杂化物作为Hg2+的传感材料。利用共振波长调制技术来监测Hg2+浓度，传感器显示Hg2+浓度在0～25 µmol/L范围内有线性响应。随着Hg2+浓度的增加，共振波长向更高的波长区域移动，传感器的检测极限达到了10−6 mol/L。2018年，Shrivastav等[25]设计并制作了多通道光纤SPR传感器。该传感器利用离子印迹纳米粒子同时检测Pb2+和Cu2+。通过从光纤的两个分离良好的区域去除包层，并分别涂覆两种不同的金属，在单根光纤上制造通道，铜层和银层分别涂有Pb2+和Cu2+印迹纳米粒子层。使用波长调制方法表征探针，同时Pb2+和Cu2+的可测浓度范围分别为0～1 000 µg/L和0～1 000 mg/L。该传感器可检测到的Pb2+和Cu2+质量浓度分别为4.06 × 10−12 g/L和8.18 × 10−10 g/L。在低浓度区域，通道Ⅰ和通道Ⅱ的灵敏度分别为8.19×104 nm/（µg·L−1）和4.07×105 nm/（mg·L−1）。2019年，Yuan等[26]利用4–巯基吡啶（4-mercaptopyridine, 4MPY）功能化金纳米颗粒（Au NPs/4-MPY）作为信号放大标签，开发了用于Hg2+检测的光纤SPR传感器。基于吡啶部分中Hg2+和氮的配位，通过自组装4MPY在Au薄膜表面捕获Hg2+，然后引入Au NPs/4-MPY，构成光纤传感器。在8～100 nmol/L的浓度范围内，SPR波长响应与Hg2+浓度呈良好的线性相关，Hg2+的最低检测浓度低至8 nmol/L，低于世界卫生组织允许的饮用水最高水平。同年，Chen等[27]开发了基于壳聚糖（chitosan, CS）/聚丙烯酸（polyacrylic acid, PAA）多层敏感膜的反射式光纤SPR汞离子传感器。通过优化金膜的涂膜参数，传感器的折射率灵敏度为2 110.33 nm/RIU。然后，他们将多层CS/PAA膜作为Hg2+敏感膜固定在金膜表面，形成反射式光纤SPR汞离子传感器，结构如图8所示。实验结果表明，该传感器在浓度0～30 µmol/L范围内的灵敏度为0.558 6 nm/（µmol·L−1），特异性和重复性都比较好。
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图 8 传感原理示意图 Figure 8 Schematic diagram of sensing principle |
2019年，Ding等[28]用壳聚糖（CS）/聚丙烯酸（PAA）双分子层对基于无芯光纤的SPR传感器表面进行功能化处理，制备检测Cu2+的新型光纤SPR传感器。Cu2+浓度在0.2～50 µmol/L和50～500 µmol/L范围内，波长位移呈线性变化，对应的Cu2+离子灵敏度分别为0.118 4 nm/(µmol·L−1)和0.011 7nm/(µmol·L−1)。Langmuir等温模型确定的检测限为0.105 4 µmol/L。2019年，Si等[29]提出并实现了电化学表面等离子体共振（EC-SPR）光纤传感器，对不同重金属离子进行了特异性检测。该传感器在商用单模光纤上写入一个倾斜的光纤布拉格光栅，并涂有SPR纳米金薄膜。镀金光纤既可以作为电化学传感器的工作电极，也可以进行SPR光学传感。结果表明，其对Pb2+检测限为10−10 mol/L，线性响应（优于98%）范围在10−10～10−5 mol/L。
2020年，Zhang等[30]提出了一种基于SPR的新型双通道光纤传感器，首先在两个光纤通道上溅射不同厚度的Ag，产生两个共振衰减，然后用壳聚糖（CS）和聚丙烯酸（PAA）对较厚Ag的通道进行叠层（layer-by-layer, LBL）功能化，用于污染水中重金属离子的检测，并将较薄Ag的通道作为参考，结构如图9所示。实验结果表明，该传感器对低浓度Cu2+具有较高的灵敏度，Cu2+与CS/PAA层的结合更强，当Cu2+浓度低于80 µmol/L时，Cu2+与CS/PAA层的结合达到0.249 nm/（µmol·L−1）。
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图 9 双通道光纤传感器 Figure 9 Dual-channel fiber-optic sensor |
2020年，Suhailin等[31]将磁赤铁矿/还原氧化石墨烯（γ-Fe2O3/rGO）纳米复合材料成功沉积在镀金光纤表面。金、石墨烯和氧化铁纳米粒子的协同组合增强了光纤SPR传感器的共振场和灵敏度。Pb2+的检测限达到0.001 mg/L，灵敏度为1.2 nm/（µg·L−1）。2021年，Duan等[32]开发了基于倾斜光纤布拉格光栅（tilted fiber Bragg grating, TFBG）与DNA探针特异性结合的SPR汞离子传感器。采用TFBG作为SPW的激发元件，使用Au－S键分别修饰传感器表面的DNAP和DNAT，增强金纳米颗粒信号，使得该传感器的检测限达到3.073 pmol/L，动态范围为10−11～10−3 mol/L。
2.3 LSPR结构上述结构属于传播型SPR（propagating surface plasmon resonance, PSPR），相比之下，局域SPR（localised surface plasmon resonance, LSPR）在非传播的金属纳米结构上被激发，金属纳米结构将电场限制在纳米金属–介电界面附近的一个小区域内，电场强度比传统的传播电场放大了几个数量级。因此，LSPR传感器表现出更高的灵敏度。
2017年，Peng等[33]报道了基于银纳米粒子（Ag NPs）的SPR技术，采用流动批处理技术，建立了一种高灵敏度、高特异性的Cu2+自动比色检测方法。银纳米粒子在Cu（NH3）42+存在下被硫代硫酸盐催化腐蚀，导致银纳米粒子的表面等离子体共振峰在401 nm处的吸光度下降，从而导致溶液的颜色发生变化。该方法对多种金属离子均有较高的特异性，其中对Cu2+的检测灵敏度最高，线性范围为0.5～35 µg/L，相关系数为0.995 4，检测限低至0.24 µg/L。2018年，Deymehkar等[34]发展了基于1,7–二氮杂–15–冠–5（冠–金纳米粒子）改性的金纳米粒子的SPR吸光度（在525 nm）的变化的测量方法。该方法的肉眼显色检测限为20 µmol/L，紫外吸收法的最低检测限约为0.2 µmol/L（或200 nmol/L）。
2017年，Qiu等[35]以聚间苯二胺–共苯胺–2–磺酸（poly（mPD-co-ASA））共聚物纳米粒子功能化的自组装金纳米岛（self-assembly gold nanoislands, SAMAuNIs）为特异性受体，构建了一种高灵敏的LSPR光化学传感器，其原理如图10所示。在用于检测饮用水中痕量Pb2+时，其检测限可达到0.011 µg/L，线性动态范围为0.011 µg/L～5 000 mg/L。
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图 10 LSPR光化学传感器原理 Figure 10 Principle of LSPR photonic chemical sensor |
2019年，Daware等[36]通过使用单分散的二氧化硅金核壳纳米结构（SiO2@Au NSs）监测不同浓度下SPR峰位置（517～531 nm）的偏移和二氧化硅金纳米结构处的强度变化，使用吸光度模式实现Pb2+的检测。SiO2@Au NPs的一个主要优点是，它以介电材料为核心，以Au为壳层，负责将Au的SPR波段移动到更高的波长（超过600 nm）。Pb2+的线性浓度范围为100 µg/L～2 mg/L，线性回归系数为0.96，检测限为100 µg/L，是金纳米颗粒的5倍。
2.4 其他结构与方法2018年，Caglayan[37]采用SPR增强全内反射技术对水介质中的Hg2+进行痕量监测。他设计了两种方案：一种基于蛋白质，另一种基于适配体的生物传感器。牛血清白蛋白和汞特异性适体通过自组装途径固定在传感器芯片上。检测Hg2+时，基于蛋白质的传感器的检测限为40.7 nmol/L，而基于抗Hg2+适配体的传感器的检测限为26 pmol/L（0.005 µg/L），浓度范围0.05～100 nmol/L。
2020年，Zhang等[38]利用特异性核酸适体（aptamers, Apt）反应与纳米催化放大信号相结合，提出了检测水中痕量As3+的SPR吸收方法。Apt可以吸附在碳点表面，抑制其催化活性，使纳米银减少，溶液颜色变浅，绝对值减弱。加入的As3+与Apt形成稳定的结合物，释放出游离碳点，恢复催化活性，颜色和绝对值信号线性增强。基于硒化镉对硝酸银–葡萄糖的催化放大作用，建立了一种测定砷离子线性范围为0.025～0.75 µg/L的超灵敏SPR分光光度法，线性相关系数为0.991 5，As3+的检测限为0.01 µg/L。
图11总结了用SPR技术检测离子的方法。表1总结了2016年至2020年研究人员用SPR技术探测各种重金属离子的灵敏度和检测限等指标的发展情况。
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图 11 SPR离子检测方法汇总 Figure 11 Summary of SPR ion detection methods |
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表 1 用于重金属离子的SPR检测方法的检测限和灵敏度等指标对比 Table 1 Comparison of detection limit, sensitivity, and other metrics for SPR-based heavy ion detection methods |
在健康风险评估、环境保护、污染源追踪和紧急响应等方面，为了得到及时且准确的数据，实时监测重金属离子的浓度就显得十分重要，而在实时监测重金属离子的过程中往往伴随着不同探测区域离子浓度发生变化的情况。SPR成像传感技术（surface plasmon resonance imaging，SPRi）将传感技术与成像技术结合，提高了SPR传感通量，可以实现同时对多样品进行高通量检测。此外，细胞膜离子通道是细胞膜上的特殊蛋白质通道，可以调节细胞内外离子的传输，改变离子浓度。在离子检测的过程中，会涉及到细胞膜离子通道的开关，这与传感检测蛋白质的性能密切相关，如果检测的速度太慢将无法进行有效的检测。1988年，Rothenhäusler等[39]率先提出了SPR成像技术，以达到同时对多种样品进行高通量检测。如今SPRi传感技术已经在核酸检测、食品安全、药物研究、生物标志物筛选和环境检测等领域成功应用。如Wang等[40]通过对COVID-19刺突蛋白进行了SPR高通量检测，证明了其在COVID-19筛查中的高精度应用可能性。Krishnamoorthy等[41]以微阵列方法在同一芯片上注入多个浓度和多个种类的配体，将待测抗体混合后来计算β2微球蛋白及其抗体的解离常数，还利用阵列芯片固定探针然后注入混合样品，得到了人、牛IgG及牛血清蛋白与各自抗体的动力学参数。Wolf等[42]将SPRi获得的动力学和亲和常数与测量的溶液相值进行比较，以确定表面对DNA–药物相互作用的影响。Li等[43]提高了小分子在SPRi传感器上的灵敏度和无标记检测能力，证实了葡聚糖水凝胶包被的SPRi传感器是表征小分子药物与蛋白质之间相互作用的一个很有前途的平台，在制药行业有巨大的应用。
现在主流的SPRi传感的调制模式主要有4种：强度调制、角度调制、相位调制和波长调制。强度调制SPRi传感系统结构简单且易于搭建，成为如今商业化应用最多的SPR传感技术。固定入射波长和入射角度，通过监测反射率（反射光强）的变化就可以实现对样品的传感。从理论上讲，若使用二维面阵探测器对感应面成像，感应面的每个探测点与二维成像图的像素点一一配对，就能实现对感应面的检测。在强度型SPRi传感技术中，对传感面的成像速度只与2D面阵探测器幅速率有关，因此具有成像速度快的特点。2021年，Zeng等[44]提出了一种基于对反射光光谱中两个特定波长的强度差值调制的方法，提高了SPRi的灵敏度。该方法的折射分辨率达到2.24 × 10−6 RIU，动态范围为0.003 7 RIU。
波长调制SPRi是指固定入射角的角度，扫描入射波长或分析反射光的波长，检测出最低的强度所对应的波长，并根据共振波长的变化对样品进行检测。相比强度调制SPRi技术，波长调制SPRi有较大的动态范围和灵敏度，但是成像时间长。这限制了波长调制SPRi传感实时监测生物反应和快速检测动力学参数测定等。对于波长调制SPRi传感，其重要的发展方向是提高检测通量和检测速度。2016年，Chen等[45]提出了一种基于液晶可调谐滤波器的SPR快速成像生物传感器系统。该系统能够在4 s内完成一次SPR光谱测量，具有宽动态检测范围和高通量并行监测的优点。2020年，Zeng等[46]提出了一种基于两点跟踪算法的新型快速波长SPRi传感器，该方案不需要机械运动部件，驱动液晶可调谐滤波器，实现对传感表面靶分子与探针分子结合引起的共振波长运动的快速跟踪。与传统的波长SPRi系统相比，该系统具有高灵敏度和大动态范围的特点。实验表明，系统灵敏度为2.4 × 10−6 RIU，动态范围为4.6 × 10−2 RIU，成像速度为0.25 s /帧。2021年，Wang等[40]将卤素灯激发和AOTF扫描以及4-PSCR算法相结合，可以在保持高阶多项式拟合精度前提下快速获得更精确的SPR波长结果，得到了突刺蛋白溶液的微流动通道的SPR波长图像，如图12。系统的折射率分辨率和动态检测范围分别为1.17 × 10−6 RIU和0.037 RIU，SPR成像速度达到0.2 s/帧。
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通道1至通道4分别为100 μg/mL BSA和2.0，5.0，10 μg/mL突刺蛋白液 图 12 突刺蛋白溶液的微流控通道λSPR图像 Figure 12 Microfluidic channel λSPR images of spike protein solution |
在相位调制SPRi传感技术中，入射光中的p偏振光是主要的传感分量，而不激发SPR的s偏振光作为参考分量，通过使用干涉仪或椭偏方案监测p和s偏振光分量的干涉信息来实现传感检测。相位型SPR传感技术具有最高的灵敏度，然而，这项技术的动态检测范围小，当检测样品的折射率变化时，很容易超出可检测的范围，且器件结构复杂。2021年，Miyan等[47]提出了一种基于无源相位延迟器和时分复用寻峰算法的监测生物分子相互作用的相位传感器。将AOTF用于入射光波长扫描，将CMOS用于二维成像相结合，使系统能够同时快速检测多个样品，峰值查找算法减少了每个周期扫描点的数量。它大大减少了AOTF波长选择的时间消耗，实验测得系统灵敏度为2.4×10−6 RIU。2023年，Sang等[48]提出了一种基于波长顺序选择技术的相位调制SPRi传感，根据样品的不同折射率选择最优的传感波长，从而消除了由于动态检测范围小而导致的不同生物分子类型的SPR信号响应不一致的问题。灵敏度和动态检测范围都得到了显著提高，分别达到9.79 × 10−7 RIU和3.7 × 10−3 RIU，单个SPR相位图像采集时间减少到1 s。
在角度调制SPRi传感技术中，需要确定一个入射波长，通过扫描入射角度，得到入射角–反射率曲线，曲线中强度最低点对应的入射角称为共振角。通过监测共振角来实现样本的传感。与强度SPRi相比，角度调制方案具有更宽动态监测范围和更高的灵敏度。但是由于角度型SPRi传感技术需要采用单色光作为激发光源，入射光源的单色性越好，系统灵敏度就会越高，但是对于成像而言，单色性越好的激光也会带来越严重的散斑噪声，降低成像的质量。2019年，Zeng等[49]提出了一种基于二极管泵浦全固态激光器和振镜扫描的无散斑快速角度调制SPRi传感器，利用旋转多片雾面玻璃消除散斑，利用振镜进行双向扫描，实现了入射角的快速扫描。实验结果表明，完成SPR倾角测量所需时间缩短至0.5 s。该系统的动态范围和灵敏度分别为4.6 × 10−2 RIU和1.52 × 10−6 RIU。
表2总结了近几年相关研究人员对SPR成像传感技术的发展及对应的检测速度等指标。
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表 2 SPR成像传感技术及其检测速度和其他指标 Table 2 SPR imaging sensing technology including its detection speed and other metrics |
SPR技术作为一种探测重金属离子的手段，具有灵敏度高，所需样本量少，待分析物无需标记，可实时动态监测等优势。然而，现有的SPR传感技术在检测灵敏度、检测特异性还存在不足。近年来人们已经开展了许多研究，如制备薄膜，选择不同的传感材料或改变SPR结构。通过碳基纳米材料如碳纳米管（CNT）和GO，以及钛白粉（TiO2）和MoS2等半导体材料薄膜增强SPR信号。一些研究者利用金属纳米颗粒或微纳结构表面增强传感信号，并功能化传感表面以实现对目标生物分子的准确识别[50]。此外，纳米科技的发展使生物分子的操控成为可能。等离子纳米镊具有强烈的光场限制，可以主动操纵小于100 nm的生物分子和纳米颗粒；等离子光热镊也具有生物分子、纳米颗粒以及细胞等富集和操控的能力。在SPR检测过程中，溶液中目标分子与探针结合几率受溶液中分子布朗运动限制，导致溶液中分子与探针碰撞几率低。为了突破溶液中分子的布朗运动限制，研究人员提出了主动富集与传感的方法，将等离子纳米镊或光热镊等技术与SPR技术集成，将目标分子主动富集到传感表面，增加碰撞几率，从传统的被动传感转变为主动传感，从而有效提高了灵敏度[51]。相信通过不断研究和创新，SPR传感器将成为精确、快速、可靠的离子分析和监测的有效手段。
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