组成图示
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传感器类型
表面等离子共振(SPR)生物传感器
检测对象
短寡核苷酸（short oligonucleotide，CdO23），样品基质：PBM 缓冲液（含 MgCl2 的磷酸缓冲液，pH 7.4）
检测原理
传感器采用 SPRCD 衍射光栅，将 850 nm 宽带 LED 光经偏振后正入射到金膜光栅表面。光栅二阶衍射满足表面等离子体动量匹配条件，将部分光耦合到金-介质界面的表面等离子体；一阶衍射光被环形镜按角度/波长分散并成像到 CMOS 探测器。当表面等离子体被激发时，一阶衍射光谱出现尖锐吸收谷。金表面通过自组装硫醇、链霉亲和素固定生物素化寡核苷酸探针 BdO23；靶标 CdO23 与探针杂交后，界面生物分子层厚度与折射率增加，导致 SPR 共振波长向长波方向移动。移动幅度随靶标浓度增加而增大，软件通过拟合吸收谷位置获得四通道实时响应。
检测灵敏度
LOD: 200 pM；灵敏度: 620 nm/RIU；折射率分辨率: 3 × 10−7 RIU；工作范围: 约 0.02 RIU；基线噪声: 2 × 10−4 nm
效应效果
该 SPRCD 原型机四通道一致性良好：通道间重现性优于 5%，单通道重现性优于 2%；基线噪声 2×10^-4 nm，折射率分辨率 3×10^-7 RIU，与最佳实验室商用 SPR 系统相当。工作范围约 0.02 RIU，可扩至约 0.04 RIU，适用于水溶液、尿液、血浆、血清和脑脊液等基质。相邻通道串扰可忽略。寡核苷酸检测最低可分辨浓度 200 pM，响应约为 100 nM 饱和信号的 1/50，表明约 2% 固定探针杂交即可检测。系统体积小于 15 cm×15 cm，采用热压印聚碳酸酯光栅和一次性微流控卡盒，适合低成本、多通道、现场生物检测。
传感器的构成
- 基底/换能器：聚碳酸酯（PC）SPRCD 衍射光栅芯片，热压印光栅周期 1249 nm、调制深度 115±10 nm，同时实现 SPR 耦合与衍射分光。
- 金属膜：5 nm 钛（Ti）粘附层和 100 nm 金（Au）膜，真空热蒸发制备，形成金属-介质界面以激发表面等离子体。
- 识别元件：16-巯基十六烷酸（HSC15COOH）与 11-巯基(二乙二醇)十一醇（HSC11(EG)2OH）3:1 自组装单层，经 TSTU 活化后结合链霉亲和素（SA），再固定生物素化寡核苷酸探针 BdO23。
- 微流控层：100 μm 厚自粘塑料薄膜隔垫形成 4 条 500 μm 宽流道，透明盖玻片作为窗口，夹子固定成一次性卡盒。
- 光学系统：850 nm 点光源 LED（psLED）、非球面塑料透镜、二向色偏振片、环形镜（r1=50 mm、r2=150 mm）和 CMOS 探测器（KAC-9638），用于照明、偏振、分光与成像。
- 电子读出：CMOS 驱动电路、USB 2.0 接口和 PC 软件，采集 50 fps 图像、平均 100 帧并拟合 SPR 吸收谷波长。
中文摘要
本文报道了一种基于新型表面等离子体光谱学方法的高性能表面等离子共振（SPR）传感器。该方法采用一种特殊衍射光栅结构，称为表面等离子共振耦合器与色散器（SPRCD），能够同时将光耦合到表面等离子体，并将衍射光分散用于光谱读出。所开发的 SPRCD 传感器由集成衍射光栅和微流控的微型卡盒以及紧凑光学系统组成，可同时采集卡盒中四个独立传感通道的数据。作者通过优化光栅周期、调制深度、工作波长和光学参数，构建了工作波长为 850 nm 的原型机，光学平台尺寸小于 15 cm×15 cm。实验表明，该传感器可测量体折射率变化低至 3×10^-7 RIU，灵敏度为 620 nm/RIU，工作范围约 0.02 RIU，并可检测短寡核苷酸浓度低至 200 pM。结果表明，SPRCD 传感器具有与实验室级商用 SPR 系统相当的性能，适合低成本、多通道和现场生物检测应用。
英文摘要
A high-performance surface plasmon resonance (SPR) sensor based on a novel approach to spectroscopy of surface plasmons is reported. This approach employs a special diffraction grating structure (referred to as surface plasmon resonance coupler and disperser, SPRCD) which simultaneously couples light into a surface plasmon and disperses the diffracted light for spectral readout of SPR signal. The developed SPRCD sensor consists of a miniature cartridge integrating the diffraction grating and microfluidics and a compact optical system which simultaneously acquires data from four independent sensing channels in the cartridge. It is demonstrated that the SPRCD sensor is able to measure bulk refractive index changes as small as 3 x 10(-7) RIU (refractive index units) and to detect short oligonucleotides in concentrations down to 200 pM.