基于白光干涉的纳米级生物膜层厚度测试的研究

　　1　引　　言

　　检测样本溶液(如血液、体液)中是否存在某种生物物质,是医学研究和诊断中常用到的测量手段。例如,检查血浆中是否存在某种特殊的抗体时,可以利用与之互补的特殊抗原。以往的检测手段和生物传感器存在很多缺点,要么体积很大需要大量的测试样本,要么需要有毒的(荧光)指示剂,不能做体内检测,也不能同时做多种病理检测[1～3]。

　　笔者研制的测试纳米膜厚的直接感应光纤生物传感器,给出了一种改进的生物传感器方法,并使用了光纤作为生物传感器的探针。其特点是:成本低、系统构造简单、探针体积小、使用简单方便、无毒、可同时达到多种化验目的、可实时测试和分析数据,并可进一步达到体内测试的目的。

　　2　测试原理

　　光纤传感器探针部分的情况如图1所示。光纤探针端部首先被覆盖上一层聚合体膜,膜的厚度大约为1～2μm。然后在光纤端部的聚合体膜之上再黏附一层特异性抗体。聚合体膜的折射率和抗原、抗体物质的折射率非常接近,整个膜层(包括硅化层、抗体和抗原)从光学的角度可以被认为是一层物质。

　　入射光沿光纤射入探针末端。当只有抗体层时,入射光首先在光纤和膜层之间的界面发生反射,一小部分光被反射回光纤另一端;大部分的光会继续进入膜层,并在膜层和空气的界面上发生第二次反射,第二次反射回来的光,在界面1处发生透射,反射光的大部分进入光纤,被反射回光纤的另一端。两束反射光最后都进入分光光度计。

　　由于膜有一定的厚度,第一束光与第二束光之间存在光程差,可以由Fresnel公式计算出来。两束反射光的干涉光的光强由下式给出:

　　Δ代表两束反射光之间的有效光程差,λ为入射光的波长。由于I1和I2强度接近,可近似认为两者相等。设I1=I2=IR,上式可简化为:

　　该式表明,对于一个给定的Δ,Δ/λ与I之间存在余弦关系。在Δ/λ=0.5,1,1.5,…时可以得到反射光强的极值。如果当Δ的初始化值为 μm级时,上式中I和λ之间的关系是一种类似余弦的关系,即形状很象余弦,只是随着λ的增加,信号的周期会变展宽。如图2所示。

　　用两个或两个以上的极值,可以计算出每个极值的阶数以及光程Δ的值。先找到极值点a、b、c、d、e、f,取得极值点处对应的波长值。用两个或两个以上的极值,可以计算出每个极值的阶数和膜厚的数值的值。先找到极值点a、b、c、d、e、f,取得极值点处对应的波长值λa、λb…。依次设定a、 b、…处的阶数为2m、(2m-1)、…阶数递减是因为随着λ增大,1/λ在减小,所以阶数应该是递减的。列方程组如下: