广东工业大学物理与光电工程学院的曾玉军（Youjun Zeng）、聂兆刚（Zhaogang Nie）等学者联合深圳大学、香港中文大学的研究团队，在《Analytical and Bioanalytical Chemistry》期刊（2023年7月在线发表）报道了一种基于准相位提取的表面等离子体共振成像（quasi-phase extraction-based Surface Plasmon Resonance Imaging, SPRi）新方法。该研究通过创新算法与光学系统设计，首次将波长扫描型SPRi的折射率分辨率（Refractive Index Resolution, RIR）提升至10⁻⁷ RIU量级，并成功应用于咖啡环效应（Coffee Ring Effect, CRE）动态监测和生物分子传感增强领域。

学术背景

表面等离子体共振（SPR）技术因无需标记和高灵敏度的特性，在生物分子互作研究中广泛应用。传统波长扫描SPRi（WSPRi）的RIR长期受限于10⁻⁶ RIU量级，主要受共振波长处反射率趋近于零导致的信噪比瓶颈制约。此外，溶液环境中生物分子的扩散效率限制也影响了传感性能。研究团队提出两个创新方向：（1）开发基于卤素灯与声光可调滤波器（AOTF）的无散斑低成本系统，突破现有激发光源限制；（2）首创准相位提取算法，通过SPR光谱微分曲线获取类正弦信号相位信息，放大折射率变化信号。

研究方法与流程

1. 光学系统构建

研究团队设计了三模块系统： - 激发模块：采用卤素灯（中心波长610 nm，FWHM 220 nm）通过液芯光纤匀光后，经AOTF（600-680 nm可调）分光，再由偏振器产生P偏振光； - 传感模块：SF11棱镜（RI=1.71 RIU）耦合48 nm金膜，入射角固定为54.2°； - 成像模块：CMOS相机采集反射光强，通过L4-L5透镜组实现微阵列区域同步成像。

2. 准相位提取算法开发

通过Fresnel方程理论模拟发现： - 对SPR反射光谱进行微分处理可获得类正弦曲线（图1c） - 采用互相关相位解法（IPSCC）提取的”准相位”与折射率变化呈线性关系（图1d） - 相同RI变化下，准相位信号幅度是传统共振波长位移的3.98倍（26.26° vs 6.59 nm）

3. 性能验证实验

• RIR测试：用0-10%梯度盐水溶液验证，通过公式σ_ri=(∂n/∂s)×σ_sd计算得到8.84×10⁻⁷ RIU的刷新纪录灵敏度（图4）；
• 动态范围：在10⁻² RIU范围内保持线性响应（图5）；
• CRE监测：实时记录0.2%盐水蒸发过程中边缘与中心区域的折射率分布差异（图6），发现边缘RI增速比中心快42%。

4. 生物传感应用

• 抗原-抗体反应：采用人IgG/山羊抗人IgG模型，比较三种检测模式：

  • 传统微流控模式：共振波长位移1.398 nm，准相位变化5.139°
  • CRE增强模式：信号提升至13.261°
  • 结合准相位算法后整体灵敏度达0.07 μg/mL（LOD）

• 实际样本检测：人血清中抗IgG检测显示，实验组准相位变化75.19°，对照组仅7.23°（图8），证实方法特异性。

关键结果

1. 灵敏度突破：系统RIR达8.84×10⁻⁷ RIU，是首个进入10⁻⁷量级的WSPRi系统；
2. CRE机制解析：首次通过SPRi实现无标记监测离子浓度梯度形成过程，发现蒸发12分钟后边缘RI升高15%；
3. 生物传感增强：CRE使抗原-抗体结合信号提升3.68倍，检测限降低一个数量级。

结论与价值

该研究通过准相位算法将SPRi信号转换效率提升近4倍，开辟了通过非共振波段信息放大传感信号的新思路。开发的AOTF-卤素灯系统兼具低成本（<传统激光系统30%）与无散斑优势。CRE驱动的被动富集方法为开放式微流控检测提供了新范式，在即时检测（POCT）领域具应用潜力。

研究亮点

1. 方法学创新：首次将相位概念引入波长扫描SPRi，通过微分运算构建类正弦信号；
2. 技术整合：将CRE被动富集与高灵敏度SPRi结合，实现1 μL样本量的高信噪比检测；
3. 跨学科应用：为胶体化学（蒸发动力学）和生物传感（低浓度检测）搭建了新研究平台。

未来优化方向

作者指出可通过多波长拟合算法提速、高NA透镜组扩视野、高灵敏度探测器抑噪等方式进一步优化系统。该工作获得国家自然科学基金（62275164等）、广东省自然科学基金（2021A1515011916）等项目支持。