表面等离子体波由金属表面的自由电子振动产生，是一种特殊的横磁波，振动方向垂直于金属表面，沿着金属-介质表面传播，具有纳米量级的波长和高度局域化的场强等独特性质，基于这些性质已经发展出了高灵敏免标记生物传感和超分辨率显微新技术。本文介绍了一种波长调制强度型SPR光谱测量方案。采用宽带光源卤素灯作为系统的激发光源，卤素灯发出的宽带白光经过单色仪分光，滤选出单色光，利用光纤进行导光和匀光改善光斑质量，匀化后的光经远心镜头准直成准单色平行光，经偏振片起偏，形成P偏振准单色平行光，单色平行光经过高折射率棱镜耦合，在金膜下表面发生全反射产生的倏逝波激发金膜表面的自由电子，产生表面等离子体波，最后经金膜反射后的平行光从棱镜出射，由面阵CCD成像采集光强数据。通过计算机控制单色仪连续调制输出光波长，获得发生SPR时的光谱扫描曲线，通过分析软件获取共振波长，利用控制软件寻址到该共振波长，作为实验中的SPR激发光。通过实时检测共振波长下反射光光强的变化，即可获得样品的浓度变化或者分子间相互作用参数等信息。

系统原理图如图1所示，采用Kretschmann结构，耦合棱镜选用折射率为1.516的等边棱镜。样品覆盖在金膜上表面并被覆盖在样品流通池内，入射光被覆盖有样品的金膜反射。SPR传感器的宽带光源选用小型卤素灯，通过电脑控制单色仪实现光谱扫描，单色仪的入射和出射狭缝的高度均为20mm，且宽度可调。实验中，将卤素灯发出的白光通过透镜汇聚耦合进入单色仪的入射狭缝，经过光栅分光后由出射狭缝出射，用多模光纤束收集出射单色光并进行匀光和导光。为了提高光能的使用效率，我们采用光纤束端面呈特殊结构的光纤束，即光纤束一端排列成一字形（长20mm，宽3mm），刚好与单色仪出射狭缝高度匹配，另一端排列成圆面，获得匀化的圆光斑。这种拥有特殊端面结构的光纤束提高了光的利用率，降低了对光源功率的要求。通过控制单色仪狭缝的宽度，可控制准单色光的带宽，带宽的控制范围为1-15nm。最后利用基于自家编写的LabVIEW系统软件，由计算机同步控制单色仪和CCD相机，并实时显示测量的光强曲线。

图 1：波长调制强度型SPR成像传感器的原理图，L1、L2、L3:透镜。

其中，SPR传感单元是SPR传感系统的核心部件,在系统中承担的主要任务是将金膜表面的折射率变化转化为光强和相位变化，本系统采用已经获得广泛应用的Kretschmann棱镜耦合结构。SPR的传感单元的结构如图2所示,传感单元主要由样品池、镀金膜的玻璃片、棱镜三部分组成。

图 2：SPR传感单元

镀金膜的玻璃片采用折射率为1.516的K9玻璃，边长为18mm×18mm，厚度为1mm。考虑到金和玻璃存在材料间的不亲和问题，因此先在玻璃的表面镀上3nm的铬做表面处理，然后再镀上厚度为47nm的金膜。棱镜的几何尺寸为边长18mm的等边棱镜，制作材料是折射率为1.516的K9光学玻璃。为了降低光在传播过程中介质折射率不连续造成的能量损失和噪声，本系统采用折射率为1.516折射率匹配油耦合玻璃片和棱镜，提高了传感单元介质的折射率连续性。

通过前面章节的理论模拟可知，SPR现象发生时，共振波长的范围为600-900nm，因此实验中光源的选用主要考虑如下因素，光谱的宽度、光强随光谱分布的均匀性、稳定性、价格。常用的氙灯、汞灯、卤素灯都能提供较强的光强，可以满足SPR成像系统的光强需要,但氙灯存在稳定性差、价格昂贵、体积庞大的缺点；常用的汞灯光谱存在几个发射峰，即光谱分布不均匀、寿命短、稳定性差等缺点；对于常用的卤素灯，价格便宜、稳定性好、寿命长、体积小、工作电压低，优势非常明显。本系统采用的卤素灯如图3所示，工作电压为12V功率100W。卤素灯的光谱发射模式属于黑体辐射，光谱的分布只与温度有关，因此具备很好的稳定性。

图 3

为了获得较强的单色激发光，将卤素灯发出的宽带光通过凸透镜汇聚耦合到单色仪的入射狭缝中，经过单色仪分光获得单色光。系统采用卓立公司生产的Omini-λ150型单色仪，入射狭缝和出射狭缝高20mm，宽度为0.2-2mm可调，尺寸为20×20×17cm3，分辨率0.04nm，出射光带宽1-15nm可调，如图4所示。

图 4单色仪

为了提高光源效率，系统采用光纤端面具备特殊结构的光纤束；将光纤束一端的多模光纤排列成一字形，使光纤端面（20mm×3mm）与单色仪出射狭缝匹配，提高耦合效率，如图5所示。

图 5光纤端面

把光纤束的另一光纤端面排列成圆形，获得均匀的圆光斑，并用准直系统(双远心镜头)对出射光准直获得单色平行光。远心镜头具备远心度小、分辨率高、畸变低的优点，本系统中采用的物方镜头为大恒公司GC0-2305型远心镜头，像方镜头为大恒公司GC0-2301型远心镜头;准直后输出的光斑直径为20mm，发散角小于0.2度。

本系统采用的CCD是SVS-VISTEK公司ECO-414型号的面阵CCD,640×480像素，芯片尺寸1/2英寸，帧率125。该工业相机采用千兆以太网接口，具有带宽大、传输延迟小、传输距离远等优势，且信噪比和性价比都很高，体积小。内置微型控制器可采用多种触发模式，能对曝光时间进行灵活的控制，具体包括：1.自由运行，计算机自动软件触发。2.外触发模式，内部曝光控制。3.外触发模式，脉宽曝光控制。本系统采集光强数据时CCD的帧率不超过50帧，并采用Computar公司的MLM-3X-MP型的成像镜头对传感面进行成像,最后用CCD采集光强数据。

图6是装配好系统外观图，系统主要的光学元件有卤素灯、单色仪、光纤束、远心镜头、偏振片、传感单元、成像镜头、CCD。

图 6

同步控制单色仪和CCD采集光强，可以完成系统的光谱扫描。（单色仪及CCD的具体控制程序见参考文献1）在本文中，共振波长寻址的方法是：单色仪利用旋转光栅的控制入射光的波长，CCD对金膜表面成像采集光强数据；在单色仪每前进1nm后CCD完成一次光强数据的成像采集，单色仪每秒前进5nm即每秒完成5nm的光谱扫描，扫描完成选出共振波长。

系统搭建完成后，配制两种折射率呈梯度变化的实验样品，不同浓度的PBS溶液和酒精溶液。原液采用标准的20倍PBS溶液，按体积比对原液进行稀释获得1×、2×、3×、···、20×的浓度呈梯度变化的PBS溶液。溶液的体积比稀释法的具体做法是，以配制10倍PBS溶液为例，向5ml20×PBS溶液中加入5ml的水获得10×的PBS溶液。原液采用纯酒精和去离子水，按体积比配制浓度依次为5%、10%、15%、···、95%的酒精水溶液。依步骤进行如下实验：

（a）不同浓度PBS的光谱扫描曲线的测量，入射角固定70度不变，设置系统的光谱扫描范围600-900nm，步长为1nm，依次向传感面通过1×、2×、···、20×的PBS溶液，测得其光谱扫描曲线。

（b）不同浓度酒精溶液的光谱扫描曲线的测量，入射角70度，光谱扫描范围600-900nm，步长为1nm，将浓度为5%、10%、···、95%的酒精溶液依次通入样品池，通入一种溶液进行一次光谱扫描测出相应的光谱扫描曲线。

（c）不同波长下的SPR光强信号随酒精浓度的变化曲线，配制的混合溶液按浓度（0-70%）从低到高的顺序分别流过传感面，根据各自对应的SPR共振波长独立选择激发波长，并在每个浓度的液体处测量250点，获得的不同波长时SPR的时间－光强曲线。

如图7所示，图中红线是水的光谱扫描曲线，共振波长680nm；蓝色曲线是4×PBS光谱扫描曲线，共振波长697.1nm；绿色曲线是8×PBS光谱扫描曲线，共振波长714.4nm；青色曲线是12×PBS光谱扫描曲线，共振波长735nm；黄色曲线是16×PBS光谱扫描曲线，共振波长762.4nm；黑虚线是20倍PBS的光谱扫描曲线，共振波长785nm。

图 7不同浓度PBS溶液的随波长变化的SPR曲线

图8中的红线是向金膜传感面通入去离子水的光谱扫描曲线，波长扫描范围600-900nm，此时水的共振波长是682nm；蓝线是20%酒精的光谱扫描曲线，共振波长706nm；以下曲线依次为40%、70%、100%酒精的光谱扫描曲线，对应的光谱扫描曲线得到的共振波长依次为732nm、751.3nm、785nm。

图 8不同浓度酒精溶液的随波长变化的SPR曲线

来自《基于波长与角度共调制SPR传感技术的研究》