表面等离子共振技术
表面等离子共振技术
Surface Plasmon Resonance technology，SPR
北京大学基础医学院05级医学实验 马吟醒 朱倩 薛夏沫 黄辰
[摘要]
表面等离子共振技术，英文简写SPR，是从20世纪90年代发展起来的一种新技术，其应用SPR原理检测生物传感芯片（biosensor chip）上配位体与分析物之间的相互作用情况，广泛应用于各个领域。本综述主要介绍SPR的历史、工作原理、应用以及研究发展的前景。
[完成时间]
2008年6月
[引言]
1902年，Wood在一次光学实验中，首次发现了SPR现象并对其做了简单的记录，但直到39年后的1941年，一位名叫Fano的科学家才真正解释了SPR现象。之后的30年间，SPR 技术并没有实质的发展，也没能投入到实际应用中去。1971年Kretschmann为SPR传感器结构奠定了基础，也拉开了应用SPR技术进行实验的序幕。1983年，Liedberg首次将SPR 用于IgG与其抗原的反应测定并取得了成功。1987年，Knoll等人开始研究SPR的成像。到了1990年，Biacore AB公司开发出了首台商品化SPR仪器，为SPR技术更加广泛的应用开启了新的乐章。简言之，SPR是用来进行实时分析，简单快捷的监测DNA与蛋白质之间、蛋白质与蛋白质之间、药物与蛋白质之间、核酸与核酸之间、抗原与抗体之间、受体与配体之间等等生物分子之间的相互作用。SPR在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域具有广泛的应用需求。
[正文]
一、表面等离子共振原理：
1.消逝波：
根据法国物理学家菲涅尔所提出的光学定理：
n1 sinθ1 = n2 sinθ2 可知，当光从光密介质射
入光疏介质，入射角增大到某一角度，使折射角达
到90°时，折射光将完全消失，而只剩下反射光，
这种现象叫做全反射。（图1）当以波动光学的角度来研究全反射时，人们发现当入射光到达界面时并不是直接产生反射光，而是先透过光疏介质约一个波长的深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介质。则透过光疏介质的波被称为消逝波。（图2）
图1 图2
2.等离子波
等离子体通常指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体，其中正、负带电粒子数目几乎相等。把金属表面的价电子看成是均匀正电荷背景下运动的电子气体，这实际上也是一种等离子体。当金属受电磁干扰时，金属内部的电子密度分布会变得不均匀。因为库仑力的存在，会将部分电子吸引到正电荷过剩的区域，被吸引的电子由于获得动量，故不会在引力与斥力的平衡位置停下而向前运动一段距离，之后电子间存在的斥力会迫使已经聚集起来的电子再次离开该区域。由此会形成一种整个电子系统的集体震荡，而库仑力的存在使得这种集体震荡反复进行，进而形成的震荡称等离子震荡，并以波的形式表现，称为等离子波。
3.SPR光学原理
我们在前面提到光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在介质（假设为金属介质）中又存在一定的等离子波。当两波相遇时可能会发生共振。当消逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。能量从光
子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使反射光的能量急剧减少。
对应的入射光波长为共振波长，对应的入射角θ为SPR角。
电子吸收光能量，从而使反射光强在一定角度时大大减弱，
其中是反射光完全消失的角就是SPR角。SPR角随金表面折射
率变化而变化，而折射率的变化又与金表面结合的分子质量
成正比。因此可以通过对生物反应过程中SPR角的动态变化
获取生物分子之间相互作用的特异信号。
二、表面等离子共振仪器结构及工作原理：
以瑞典的Biacore 3000型SPR仪为例（如图1），介绍这种仪器的构成及工作原理。
一、 Biacore3000由工作单元和一台安装有Biacore Control软件的电脑组成。其核心
部件包括光学系统、传感器芯片、液体处理系统三个主要部分，其他的组成部分包括LED状态指示器及温度控制系统等。
图1
1、光学系统：能够产生和测量SPR信号的光电组分称为光学检测单元。
其利用的BIA技术是基于表面等离子共振(SPR)的物理光学现象的新型生物传感分析技术，由于其不必使用荧光标记和同位素标记，从而保持了生物分子的天然活性。SPR 共振角会随金属薄膜表面通过的液相的折射率的改变而改变，折射率的变化（RU）又与结合在金属表面的生物大分子质量成正比，具体1000RU的变化表示传感片表面1ng/mm 的质量变化。因此，BlA技术可以通过对反应全过程中各种分子反射光的吸收获得初始数据，并经相关处理获得结果（如图2）。用SPR检测器所得的信息可直接来自表面的样品，也可间接来自能与样品特异结合的相关试剂，还可以从粗样品的嘈杂信号中获得微量待测样品的特异性信号。 其最低检测下线为pg级 (10-12g)。
图2
2、传感器芯片：BIAcore 传感器的芯片是其最为核心的部件（图3）。在BIA 技术中必须
首先有一个生物分子偶联在传感片上，然后用它去捕获可与之进行特异反应的生物分子。它将50nm至100nm 厚的金膜固定在一块玻璃片上，将此玻璃片嵌在一个塑料平板夹里，用一种折射率与棱镜匹配的聚合物将芯片耦合到玻璃棱镜上，在芯片表面固定一层较容易与其它生物大分子偶联的葡聚糖分子层（使用者也可以根据需要选择非葡聚糖分子层的芯片）而成。该偶联过程可由仪器全自动控制。
传感芯片又分为三个主要组成部分，分别是光波导耦合器件、金属膜以及分子敏感膜。下面分别介绍各部件作用以及特殊要求：
1）光波导耦合器件：产生SPR现象必须将光波与表面等离子体子耦合并使其发生共振，因此就必须使用耦合器件。常用的耦合器件（如图4）主要有棱镜(Otto 型和
Kretschmann 型) 、光纤和光栅三种类型， 此外还有通道波导等。
图4
图3
a）棱镜：用于产生衰减全反射(ATR) 的棱镜型装置有Otto 型和Kretschmann 型。
（如图5）
两种装置检测的都是P 偏振入射光的衰减全反射， 均使用三角形或半球形棱镜。制作棱镜的材料为折射率(ε0 ) 较大的石英或普通光学玻璃， 图中kx 和ksp分别表示光和表面等离子体子的波矢。对两种棱镜的比较见下表1。
Otto型 Kretschmann型
棱镜与金属膜间隙 有 无
待测物位置 ε2（棱镜与金属膜之间） 金属膜下方
SPR发生界面 2/1 1/2
重要影响因素 棱镜与金属膜间隙取值 金属薄膜厚度
应用 较少（使用与制作有一定难度） 广泛采用
制作使用方便简单
优点 不需严格控制金属膜厚度
对棱镜表面破坏作用小
图5
b）光纤：棱镜耦合的SPR 传感器体积较大，不能用于远程传感测量。为解决此问题，可使用单根多模光导纤维作为光学耦合元件省略传统光学棱镜，装置简单价廉，可用于遥测和多路传输。包括两种光导纤维SPR 传感装置。一种是在线传输式，另一种是终端反射式。
（如图6）
。
图6
c）光栅：大多数SPR 装置采用棱镜耦合入射光，光栅耦合SPR 的研究工作显然较少，
因为前者相对较简单。其主要原因除光栅在制作方面有一定难度外，在分析应用上也存在一
定的问题。光线透过的样品溶液，如果是无色的，影响可能较小。而如果样品溶液是有色的，
则将对光产生吸收，从而影响SPR 的测量。
从理论上分析比较SPR 衍射光栅耦合法与棱镜耦合法的灵敏度，发现以波长作为变量
时棱镜耦合法的灵敏度高于光栅耦合法，以角度作为变量时棱镜耦合与平面光栅耦合具有相
似的灵敏度。但若采用曲面衍射光栅，在测定SPR 峰位置变化方面，能获得很高的灵敏度。
2）金属膜：金属元素的性质各不相同。因此，选择不同种类金属材料作为构成表面等
离子体子共振的基质膜，将会对SPR 光谱产生很大影响。SPR 研究的是反射光谱，所以需
要在可见光范围内考虑反射率较高的金属，其随波长变化而改变的幅度较小，稳定性要好。
故Au 膜和Ag 膜是SPR 中最常使用的两种金属薄膜。Au 膜的稳定性最好，在SPR 中具有重
要应用价值，尤其适用于银膜不能使用的体系。
另外，金属薄膜的厚度是影响共振深度的重要因素，见图7。随着膜厚度的增加，共振
深度变小，最小反射系数变大；当膜厚度超过一定值时，共振峰将消失。当膜厚在某一数值
时，反射光强度近似为零，共振深度达到最大。通过实验，一般选择膜厚度为50nm 左右，
最多不超过
100nm。
图7
3）分子敏感膜：为了满足分析各种生物体系的要求，多种传感器芯片应运而生，从各
类小分子化合物、多肽、蛋白质、寡核苷酸和寡聚糖直至类脂、噬菌体、病毒和细胞，每一
种芯片都必须能提供给科学工作者稳定的基线，高灵敏度，广泛的再生方法，反复使用性和
特别好的重现性。
3、液体处理系统：（图9）
包括两个液体传送泵，其中一个泵负责保持稳定流速的液体流过传感芯片表面，另一个
泵负责自动自动进样装置中的样品传送。此外还包括：
自动上样装置( autosampler)：负责样品的混合、注射和回收。
一体化U型射流器（Integrated u-Fluidic Cartridge， IFC）：包含液体传送通道，样品
环和阀门。
四个可探测的液体池(flow cell)：该液体池通过将IFC靠在传感芯片上而形成。
传感芯片插入检测单元的芯片盒中，引入（dock）仪器后于IFC共同形成液体池。IFC通
过连接块与缓冲液相连。连接块上有注射口，通过注射口可以将样品加载到IFC上。
微处理装置(microprocessors)：它能控制泵，自动上样装置，和IFC的阀门并且能对SPR
信号作基本的处理。
微射流卡盘是一个液体传送系统，通过软件的控制自动地传送一定体积的样品至传感器
芯片表面。通过对管道内微型气阀的控制，形成各种液体流动回路，将样品或缓冲液送到传
感片表面的不同通道。甚至自动进行样品的回收。（如图10）
图9 图10
4、其他部分：包括例如Biacore 3000的LED状态指示器和温度控制系统（如图11）等。
SPR信号对于温度变化非常敏感，所以在整个实验过程中保持传感芯片表面的温度恒定
是非常重要的。Biacore 3000采用Peltier元件来控制传感芯片的表面温度。如果温度不
稳定，仪器前部面板上的黄色LED会不停的闪烁。通过预先设定，实验者可以把温度控制在
4-40℃之间任意一点。
在仪器前部面板上有5个LED状态指示器，LED的最显著特点是使用寿命长，光电转换
效能高，分别能够显示仪器不同方面的状态。
另外，在光源的选择上，固定波长、改变入射角测量方式的SPR 装置多采用He2Ne 激
光器(λ= 63218nm) 作为光源。用激光器作光源，单色性好，强度高。在部分文献中发光二
极管(LED) 也作为SPR 的光源，选择的波长多为760nm。LED的单色性也较好，且体积小，
价格低，使用寿命长。
采用固定入射角以波长为变量测量方式的SPR仪器和装置，白炽灯中的卤钨灯是较适合
的光源，因为它在可见光区有连续发射光谱，并具有足够的强度和稳定性，强度不随波长而
改变，使用寿命较长。
图11
二、 检测方式
1. 在实验过程中除光源固定不动外， 整个体系通过一个机械装置进行旋转， 从而保证入射角不断地变化。这是SPR 研究中应用最为广泛的一种装置。显然这种装置比较复杂， 因为要使整个实验装置进行旋转。
在以测定角度为基础的模式下，也可采用发光二极管作为光源。由于它是点光源，当光照射到棱镜底边金属薄膜上时，光束会发散，即照射在膜上不同区域的光入射角不同。当用光电二极管阵列检测时，可相应地得到不同角度入射光的反射光。虽然这一方法不需要旋转装置，但所测角度有限。
使用棱镜型装置，除了采用固定波长改变入射角的模式外，还可采用固定入射角而改变波长的模式。这样既避免了改变角度模式需要转动整个仪器的问题，又克服了用点光源时测
量角度有限的缺点。图12 是采用固定入射角改变波长工作模式的SPR 装置示意图。
从光源发出的复色光，经过由2 个透镜和1 个偏振片组成的平行偏振光管后，变成平
行偏振光，以一定的角度照射到棱镜侧面，经折射后光线到达棱镜底部。底部外侧镀有一层
厚50nm 的金属薄膜，流通池密封在薄膜下面。光线在棱镜与金属界面处发生全内反射，然
后从棱镜的另一个侧面折射出去，并通过一个透镜聚焦耦合进入光纤。光纤将信号光传输至
光栅和电荷耦合器件(CCD) 检测器。但因光栅分辨率较低，不能真实反映体系共振波长的微
小变化，使灵敏度受到了限制。此后发现，将由棱镜折射出的光聚焦进入一米光栅单色仪，
分光后用光电倍增管进行检测。由于一米光栅单色仪具有更高的分辨率，因此传感器有更高
的灵敏度。
在SPR 测量中，除上述以入射角和波长为变量的模式外，还有以强度和相位角为变量
的操作模式，但后两者很少用。
三、SPR 技术的应用
一、物理学应用
若某种物理量会引起特定敏感膜折射率的变化，就可以采用SPR 传感技术进行检测。
例如，基于温度变化引起特定敏感膜的吸湿量变化，并导致其折射率变化，从而利用SPR 传
感技术进行检测的湿度传感系统，以及基于氢化无定型硅的热光效应的温度传感系统等。
二、 化学应用
当待测分子与被敏感膜有选择性地化学吸附或与敏感膜中的特定分子发生化学反应，会
引起敏感膜的光学属性(主要是折射率)的变化，进而表面等离子共振条件的变化，通过检测
共振角或共振波长的变化来检测待测分子的成分、浓度以及参与化学反应的特性
三、 生物学应用
1. 生物学检测领域：主要用于检测生物分子的结合作用或者通过生物分子结合作用的
检测来完成特定生物分子的识别及其浓度的测定
2. 药物领域：主要用于药物与蛋白之间的相互作用以及药物筛选与新药开发。
SPR技术因其实时效性，高通量，特异性及能在天然状态下研究药物分
子与靶点的相互作用，为新药研发提供了有力的工具
3. 食品工业及环境监测领域：主要用于维生素检测、生物毒素检测、细菌和病原菌检
测、农、兽药残留量检测。生物传感器的在线分析能力
和高灵敏度，微量样品需求的特点，使得这种仪器成为
食品及环境安全监控的理想工具
4. 蛋白质组学：SPR技术因其高效灵敏、无需额外标记等优势，广泛应用与蛋白质检
测和蛋白-蛋白相互作用等蛋白质组学研究，它能在保持蛋白质天然状
态的情况下实时提供靶蛋白的细胞器分布，结合动力学及浓度变化等
功能信息，为蛋白质组研究开辟了全新模式
5. 临床诊断：利用生物传感器，可监测和定量测定病人血清中的生物药剂和抗体滴度
的可行性，跟踪检测动物模型、人类临床试验。利用SPR技术在胞外环
境中研究控制基因转录、细胞周期、细胞分裂和凋亡的信号传递途径，
从而可以准确地设计出这些生化作用催化剂的拮抗物，应用于癌症的治
疗。
6. 遗传分析：SPR生物传感器用于遗传分析是一个崭新的领域。如用于检测点突变，
用于检测区分野生的和经遗传修饰的大豆基因序列等
如今，SPR技术已被广泛地用来分析生物分子，如蛋白质-蛋白质、药物-蛋白质、蛋白
质-核酸、核酸-核酸、结合位点和反应物浓度等。涉及的研究领域包括免疫识别、信号传导、
药物筛选、抗体定性、蛋白质构象变化等。
SPR技术在分子生物学研究领域中应用的范围非常广，在研究基因工程中的载体与质粒
DNA之间的相互作用、DNA序列特异性抗体的性质鉴定等方面，SPR技术都发挥了重要作用 SPR技术与其他分析技术的联合应用，必将加速分子生物学的研究进展，使我们对生命
现象的了解更加深入。
四、SPR的特点及发展方向
SPR 光学生物传感器经过 20 年来的发展 , 已经成为生命科学和制药领域的一种重要
的研究工具。与传统的相互作用技术如超速离心，荧光法，热量测定法等相比，SPR生物传
感器具有如下显著特点：
?1 实时检测,能动态地监测生物分子相互作用的全过程
?2 无需标记样品，保持了分子活性
?3 样品需要极少，一般一个表面仅需要1毫克蛋白
?4 检测过程方便快捷，灵敏度高
?5 应用范围非常广泛
?6 高通量，高质量的分析数据
7 能跟踪监控固定的配体的稳定性
?8 对复合物的定量测定不干扰反应的平衡
?9 大多数情况下,不需要对样品进行处理
10 由于SPR基于对未穿透样品的反射光的测量,所以能在混浊的甚至不透明的样品中进行.然而现有的SPR 传感技术与传统分析手段相比，特别是与免疫检测手段相比，在检测成本、易用性、稳定性、检测效率等方面还存在一些不足。这就决定了该技术今后几年的主要发展趋势。
随着的技术的发展与不断改进，目前针对SPR的一些不足已经出现了不少的改善方案。首先，通过在生物分子与金属薄膜的结合中间做些改变可以增强SPR的稳定性。比如说说在生物分子与金属薄膜之间加一层SAM (self-assembles monolayer 自组装单分子层) ，或者在金属薄膜上覆盖羧甲基葡聚糖凝胶，这样不仅可以增强SPR的稳定性，同时也可以适当增强其灵敏度，是个一举两得的好方法。其次在检测效率方面，目前微流控芯片已经应用于SPR 技术并实现了对蛋白质的可控分离和多通道检测。芯片由PDMS（聚二甲基硅氧烷）和一排较薄的的金片制成，并且，如果与SPR imaging系统联用，将会使得分析速度更加快捷并同时降低样品的使用量。
同时，SPR与其他仪器的联用也可以使其扬长避短，发挥出更显著的功效。例如：质谱(MALDI-TOF-MS)具有高通量和高灵敏度的特点,适合分析超微量蛋白质、肽、多糖和核酸。它可以提供详细的定量分析，而SPR则可以对样品的相互作用作出定量的分析，这样就可以得到一种“二维”的，更加完善的结果了；RP-HPLC高效液相层析技术，用于SPR技术中研究溶细胞肽与抗微生物肽和细胞膜磷脂的相互作用情况，以了解肽的构想及溶解活性，电化学与SPR联用，为固液表面发生的各种电化学现象和过程提供有价值的信息电诱导分子吸附/脱附，吸附物、电沉积和阳极溶出过程中的结构变化。
随着技术的不断发展和提高，SPR仪器的体积也在不断往小发展，重量也比最开始轻了许多。逐步实现仪器微型化。比如美国Texas Instruments 公司生产的Spreeta是独特,低成本,基于SPR的生物传感平台,能对生物分子交互作用进行实时量化浓度,亲和力和动能分析。采用Kretschmann 结构模型设计,将LED 光源(840 nm)、TM 波偏振器、棱镜、Au 膜、反射镜以及线阵CCD 检测器集成于一体，然后通过压模密封在环氧树脂板内，并在四周密封防止杂散光进入。Spreeta 传感器结构如图a所示。
样品流通池材料为聚丙烯，通道体积约为10μL，通道对应着直接镀在Spreeta 传感器上的Au 膜的敏感区域。LED 光源发出近红外光经TM 波偏振器产生的偏振光照射到Au 膜上，反射光信号由线阵CCD 检测。当某一入射角的偏振光照射到流有某一折射率(RI)的液体的Au 膜表面时，若满足表面等离子共振的产生条件，CCD 检测器的某个像素位置(PP)的光强度急剧下降，从而出现SPR 吸收峰，相应入射角称为共振角,对应像素位置称为共振像素位置。
致力于研制高性能的表面等离子体激元共振仪(SPR)的Biosensing Instrument(生物传感仪器)公司，以满足创新性的研究以及高通量分析的目的。采用独特的设计，研制的仪器具有高灵敏度检测多种分析物，在极宽的响应时间内研究不同速率的动力学反应，以及最大的多样性和灵活性等特点。最新的产品BI-SPR1100可以同时适用于液相和气相领域的研究，可以快速、方便地安装不同的模块单元，例如流通池模块，用于DNA序列、蛋白质/蛋白质相互作用、配体/受体识别和药物开发的研究；另外，电化学模块，可用于电分析和在固液界面不同电化学过程的研究；此外，气相流通池，则可以用于化学气相检测、化学传感器的研发以及固气界面化学物理吸附过程的基础研究。
随着 SPR 技术成为分析生物化学、药物研发和食物监控领域中的一个不可缺少的部分 ,SPR 生物传感器的应用将更加趋向多样化 , 特别是它在小分子检测和脂膜领域的新兴应用将使其在未来的药物发现和膜生物学中扮演一个越来越重要的角色。 近几年 , 其发展尤为迅猛 , 随着 SPR 仪器的不断完善和生物分子膜构建能力的不断增强 ,SPR 生物传感器的应用前景极为广阔。
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表面等离子体共振实验
表面等离子体共振实验 姚付强 2012326690046 应用物理学12（2）班 实验目的： 1. 了解全反射中消逝波的概念。 2. 观察表面等离子体共振现象，研究共振角随液体折射率的变化关系。 3. 进一步熟悉和了解分光计的调节和使用。 实验原理： 当光线从光密介质照射到光疏介质，在入射角大于某个特定的角度（临界角）时，会发生全反射现象。但在全反射条件下光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入光疏介质中产生消逝波。若光疏介质很纯净，不存在对消逝波的吸收或散射，则全反射的光强并不会衰减。反之，若光疏介质中存在能与消逝波产生作用的物质时，全反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全反射。 如果在这两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的消逝波的P 偏振分量将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波。表面等离子体共振原理如图所示。 对于某一特定入射角，消逝波平行于金属(电介质)界面的分量与表面等离子体波的波矢（或频率）完全相等，两种电磁波模式会强烈地耦合，消逝波在金属膜中透过并在金属膜与待测物质界面处发生等离子体共振，导致这部分入射光的能量被表面等离子体波吸收，能量发生转移，反射光强度显著降低，这种现象被称为表面等离子体波共振。 当发生共振时，表面等离子体共振角与液体折射率的关系由以下公式表示 2 2 122 10Re Re )sin(n n n sp +=εεθ 其中 sp θ 为共振角， 0n 为棱镜折射率，2n 为待测液体折射率，1Re ε 为金属介电
常数的实部。 实验仪器 表面等离子体共振实验仪器装置如图所示。主要由分光计、激励光源、偏振片、硅 光电池、光功率计、半圆柱棱镜（内充液体介质）。 实验内容 1. 调整分光计 2. SPR传感器中心调整 3. 测量某一液体的共振角 数据处理 最大光强为126 光强126 121 115 107 97 92 91 83 86 87 88 89 93 1.0 0.96 0.91 0.85 0.77 0.73 0.72 0.66 0.68 0.69 0.70 0.71 0.74 相对光 强 63 65 66.5 68 69.5 71 72.5 73 73.5 74 75.5 77 78.5 入射角 （°）
表面等离子体共振原理及其化学应用
表面等离子体共振原理及其应用 李智豪 1.表面等离子体共振的物理学原理 人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。 1.1 基本原理[1] 光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。 等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。 金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场
表面等离子体共振
表面等离子共振技术（Surface
张颖娱 综述
Plasmon Resonance SPR）
学号 10281036
生物物理系
摘要 : SPR 是一种物理光学现象，而且 SPR 对金属表面附近的折射率的变化极为敏感，利用这一性 质，将一束平面单色偏振光以一定角度入射到镀有薄层金膜的玻璃表面发生全反射时,若入射光的波向量与 金膜内表面电子的振荡频率匹配,光线即耦合入金膜引发电子共振,即表面等离子共振。以 SPR 原理设计的 生物传感器近来引起广泛的重视。 关键词 表面等离子共振 生物传感器 薄膜
1900 年,由 Wood 发现了光波通过光栅后,光频谱发生了小区域损失,这是关于 SPR 这一电磁场效应的最 早记载。1941 年,FanoU 发现这种“Wood 异常”是由于等离子波造成的。1958 年,Turbader 首先对金属薄膜 采用光的全反射激励的方法,观察表面等离子共振现象。 此后,至 60 年代 Otto 以及 1971 年 Kretschmann 分别 发表了里程碑性质的文章,激发了人们应用 SPR 于传感机制的热情,而 Kretschmann 结构也为 SPR 型传感器 奠定了基础。目前 SPR 被尝试用于测量各种物质的结构、特性及其的相互作用等。 1 SPR 生物传感器的基本原理： （如图 2 所示） 表面等离子振动是金属表面自由电子的一种集团运动,代表了一种表面带电的量子振动。在激励 SP 的 通常方法中,光入射在金属薄膜上,产生衰减场,衰减场的穿透深度 dp 为：
（1） 通常要求金属薄膜小于 60mm,达到衰减场中的 TM(横磁波)极化能量耦合并激发等离子态,耦合的数 量、 等离子体的强度受到了金属两侧材料的影响,如果在金属薄膜一侧加一层待测物质,试样与金属薄膜的耦 联影响了结构的折射率,从而影响了反射光、衰减以及等离子体共振。所以,可以把 SPR 型传感器看作等离 子体耦联效率的度量计。基原理如图 2 所示， 其中：
上述两个公式分别为沿表面传播的波矢量,其中:λ为入射光波长,εm 为金属介电常数 的实部,εd 为金属外介质的介电常数,np 为透镜的折射率,θ为入射光与表面法线的夹角。发生共振时,入射 光与法线的临界角为:
θ=arcsin[εmεd(εm+εd)εg]1/2
(4)
显然,共振角受到折射率(或介电常数)的影响,此时,金属膜外侧的衰减场为:
表面等离子体共振传感器剖析
表面等离子体共振传感器 程玉培 1433591 摘要:表面等离子体子共振(SPR) 技术是一种简单、直接的传感技术。它通过测量金属表面附近折射率的变化, 来研究物质的性质。表面等离子体子共振传感器已经成为生物传感器研究领域的热点。 关键词表面等离子体子共振传感器生物分子间相互作用 前言 生物化学是运用化学的理论和方法研究生命物质的边缘学科。其任务主要是了解生物的化学组成、结构及生命过程中各种化学变化。化学的核心是化学键，即分子间的相互作用，而要研究生命过程中的各种化学变化，归根到底就是要研究生物分子之间的相互作用。生物分子之间的相互作用是生命现象发生的基础，研究生物分子之间的相互作用可以阐明生物反应的机理，揭示生命现象的本质。近年来，研究生物分子之间相互作用的技术不断出现，其中表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）在生物学以及相关领域的研究应用取得了很大进展，SPR技术可以现场，实时地测定生物分子间的相互作用而无需标记，可以连续监测吸附和解离过程，并可以进行多种成分相互作用的研究。 1 表面等离子体共振传感器概述 1.1 表面等离子体共振传感器简介 表面等离子体子共振( surface plasmon resonance , SPR) 是一种物理光学现象。利用光在玻璃界面处发生全内反射时的消失波, 可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子体子。在入射角或波长为某一适当值的条件下, 表面等离子体子与消失波的频率和波数相等,二者将发生共振, 入射光被吸收, 使反射光能量急剧下降, 在反射光谱上出现共振峰(即反射强度最低值) 。当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时, 共振峰位置将不同。 1.2 表面等离子体共振传感器研究背景及现状 表面等离了体共振效应的发现可以追溯到上世纪初。关于SPR效应的最早记载是源于1902年Wood发现光波通过光栅后，光频谱出现小区域内的能量损失现象。1941年，Fano针对这一现象根据金属和空气界面上表面的电磁波理论和边界条件进行了详尽的解释。1957年，当高能电了通过金属薄膜时，Ritchie发现能量损耗不仅发生在体积等离了体频率处，在更低频率处也发生了，于是认为这与金属薄膜界面特性有关。1958年，Turbader为了观察SPR现象，对金属薄膜采用光的全反射激励的方法。 1960年，Stern和Farrell首次提出了表面等离
表面等离子共振技术的研究
表面等离子共振技术的研究 摘要：通过对表面等离子共振技术的原理研究，从而深入介绍表面等离子共振传感技术在现代生物科技和医学上的广泛应用，以及探讨未来表面等离子共振技术的应用领域和趋势。 关键词：表面等离子共振技术生物应用医学应用 表面等离子共振技术，英文简写SPR。随着SPR技术成为分析生物化学、药物研究和食物监控领域[1-3]中的一个不可缺少的部分，SPR生物传感器的应用将更加趋向多样化，特别是它在小分子检测盒脂膜领域的新兴应用将使其在未来药物发现和膜生物学中扮演一个越来越重要的角色。近几年，其发展尤为迅猛，随着SPR仪器的不断完善和生物分子膜构建能力的不断增强，SPR生物传感器应用前景极为广阔。 一、表面等离子共振技术简介 表面等离子共振技术，英文简写SPR。1983 年，瑞典科学家Liedberg 首次将SPR 技术应用于抗体抗原相互作用的测定，由此产生了世界上第一只SPR 生物传感器[4]由于SPR生物传感器作为一种强有力的动态检测手段，具有实时检测、无需标记、耗样量少等突出优点，在生物工程、医学、食品工业等多个领域都有广阔的应用前景，引起了世界范围的研究热潮[5]。 1.表面等离子共振技术的原理 表面等离子体共振又称SPR（Surface Plasmon Resonance），是一种物理光学现象[6]，它是由于入射光激发表面等离子体产生表面等离子波而形成的。当一束p偏振光在一定角度范围内入射到两种不同介质界面，如端面蒸镀有一层约50nm厚金膜的棱镜端面时，在棱镜与金膜界面将产生表面等离子波，当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金膜内自由电子产生共振，即表面等离子共振，入射光的一部分能量在金属表面发生迁移，从而使反射光在一定角度范围内大大减弱，使反射光在一定角度内完全消失的入射角为共振角。如果用于检测分析分子之间的反应动态时，先在芯片表面固定一层生物分子识别膜，然后将待测样品流过芯片表面，如果样品中有能够与芯片表面的生物分子识别膜相互作用的分子，引起金膜表面样品质量和折射率变化，从而导致共振角变化。通过实时监测SPR共振角所反映的生物分子动态结合和解离过程，可以获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数和特异性等信息。 二、表面等离子共振技术的应用 SPR生物传感器由于具有无需标记、在线检测、可再生、无样品前处理等优点[7]，在生命科学、药物残留、食品检测、疾病机理等方面有着广泛的应用前景。
表面等离子体激元简介
表面等离子体激元简介一．表面等离子体激元表面等离子体（Surface Plasmons）的出现提供了一种在纳米尺度下处理光的方式。表面等离子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance）和表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons）。局域表面等离子体共振专指电磁波与尺寸远小于波长的金属纳米粒子中的自由电子的相互耦合，这种等离子体只有集体共振行为，不能传播，但可以向四周环境辐射电磁波。局域表面等离子体共振可以通过光直接照射产生。表面等离子体激元指的是在金属和电介质分界面上传播的一种元激发Excitations），这种元激发源自电磁波和金属表面自由电子集体共振的相互耦合。表面等离子体激元以指数衰减的形式束缚在垂直于传播的方向，由于它的传播波矢要大于光在自由空间中的波矢，电磁波被束缚在金属和电介质的分界面而不会向外辐射，也正是因为这种独特的波矢特性，表面等离子体激元的激发需要满足一定的波矢匹配条件。二．SPPs的激发和仿真方法由于SPSs的波矢量大于光波的波矢量，或者说SPPs的动量与入射光子的动量不匹配，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几
种：（1）棱镜耦合：棱镜耦合的方式包括两种，一种是Kretschmannt方式；另一种是Otto方式。（2）采用波导结构（3）采用衍射光栅耦合（4）采用强聚焦光束（5）采用近场激发。目前主要的仿真方法有以下三种（1）时域有限差分法(finite difference time domain，FDTD)：FDTD方法是把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分模拟，利用蛙跳式(leaf flog algorithm)空间领域内的电场和磁场进行交替计算，电磁场的变化通过时间领域上更新来模仿。优点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用较多的数值模拟方法之一。（2）严格耦合波法(rigorous coupled—wave analysis，RCWA)：该方法是分析光栅的有利工具，它是基于严格的矢量maxwell 方程来分析。由于在很多的表面等离子的结构中都会引入衍射光栅结构，所以RCWA方法也被越来越多的学者用来分析相关的问题，并且取得了不错的效果。（3）限元法(finite element method,FEM)：该方法是从变分原理出发，将定义域进行有限分割，离散成有限个单元集合。通过区域剖分和分偏差值，把二次泛函的极值问题化为普通多元二次函数的极值问题，后者等价于一组多元线性代数方程的求解。该方法分析的是一种近似结果，不过很多的问题能近似模拟，目前应用也比较广泛。三．SPPs的若干应
表面等离子共振技术
表面等离子共振技术 北京大学力学系生物医学工程专业2003级，郭瑾 摘要：表面等离子共振技术自80年代发展起来后，目前在生物医学领域已有了广泛应用，发挥着重要作用。本文就表面等离子共振技术的原理和其在蛋白质组学、抗原－抗体研究和药物筛选中的应用做了简要阐述。 关键词：表面等离子共振，隐失波，蛋白质组学，抗原－抗体相互作用，药物筛选 表面等离子共振技术（surface plamon resonace technology,SPR 技术）是上个世纪80年代发展起来的以生物传感芯片（biosensor chip）为中心的一种新技术，由Biacore AB公司开发。此后人们开始研究用各种方法改进SPR的性能、简化仪器系统，并试图用SPR技术测量不同的生化物质，如DNA-DNA间的生物特异性相互作用【1】，蛋白质折叠机制的研究【2】，微生物细胞的检测【3】，抗体－抗原分子相互作用的研究【4】等。本文对于表面等离子共振技术的原理和其在生物医学领域的应用作了简要的综述。 一、表面等离子共振技术的原理 全内反射是一种普遍存在的光学现象。考虑一束平面光波从介质1表面进入到介质2中。入射光在介质1表面上一部分发生反射，另一部分则透射进介质2。入射角和透射角之间满足关系式： n1sinθ1=n2sinθ2 这里n1是介质1的折射率，n2是介质2的折射率。当入射角增大，增大到临界角θc 时,这时的透射角为90°；当入射角继续增大到大于临界角时，光不再透射进介质2，也就是发生了全反射。由snell定律可知： θ2=90° θc=sin-1(n2/n1) 由上式可知，当n2 第四章表面等离子体共振技术 --学习总结通过表面等离子体共振技术的学习，我主要掌握了以下的一些基本知识： 一、金属表面的等离子体振动 表面等离子体振动，其角频率ωs与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系： 则这种特殊表面的等离子体振动的角频率ωms为：Array 二、产生表面等离子体共振的方法 面等离子体波（Surface plasma wave，SPW） 质中逐渐衰减。表面等离子体波是TM极化波，即横波，其磁场矢量与传播方向垂直，与界面平行，而电场矢量则垂直于界面。 在半无穷电介质和金属界面处，角频率为 式中c是真空中的光速，εm和εa分别是金属和电介质的介电常数。表面等离 εm=εmr+iεmi）。金属的εmr/εmi 电磁波在真空中的速度c与在不导电的均匀介质中的速度v之比称为电介质的折射率n： 则：Array 频率为ω 要使光波和 （ka）总是在ω（ 从不交叉，即ω（ 因此， 要设法移动ω（ 的。 场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失 kev为： 通过调节θ 共振，有： 由上式可见，若入射光的波长一定，即ωa一定时，ns 条件；若θ0一定时，ns改变，则必须改变ωa 波长λ来实现。此时θ0和λ分别称为共振角和共振波长。 右图为典型的SPR光谱 三、SPR传感器 1、基本原理 表面等离子体子共振的产生与入射光 的角度θ、波长λ、金属薄膜的介电 常数εs及电介质的折射率ns有关， 发生共振时θ和λ分别称为共振角度 和共振波长。对于同一种金属薄膜， 如果固定θ，则λ与ns有关；固定λ， 则θ与ns有关。 如果将电介质换成待测样品，测出共 振时的θ或λ，就可以得到样品的介 电常数εs或折射率ns；如果样品的化 学或生物性质发生变化，引起ns的改 变，则θ或λ也会发生变化，这样， 检测这一变化就可获得样品性质的变 化。 固定入射光的波长，改变入射角，可 得到角度随反射率变化的SPR光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射率变化的SPR光谱。SPR光谱的改变反映了体系性质的变化。 2、基本结构 一般来说，一个SPR传感器的包括：光学系统、敏感元件、数据采集和处理系统。 敏感元件主要指金属薄膜及其表面修饰的敏感物质，用于将待测对象的化学或生物信息转换成折射率的变化，是SPR传感器的关键。从SPR的原理可知，实际上是样品的折射率的变化引起SPR光谱的变化。 4种检测方式： 1.角度调制：固定λin，改变θin 2.波长调制：固定θin ，改变λin 3.强度调制：固定θin 、λin，改变光强 4.相位调制：固定θin 、λin，测相差 3、应用 用SPR可获得的信息： 1.两个分子之间结合的特异性 2.目标分子的浓度 3.结合以及解离过程的动力学参数 表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用 精神卫生研究所张瀚迪学号：10281335 摘要：表面等离子共振技术是近年来迅速发展起来的用于分析生物分子相互作用的一项技术，它利用全反射时入射光可以和金属表面的等离子发生共振的原理，探测生物分子之间是否发生作用以及反应的动力学参数。该技术目前已广泛应用于免疫学、蛋白质组学、药物筛选、蛋白质与核酸相互作用等各个领域，并获得了许多用其它方法无法得到的动力学数据。 导言：表面等离子共振技术是一项用于分析生物大分子之间的相互作用的技术，它可以定性的判断两分子之间是否有相互作用，比较一种分子与其他几种分子之间相互作用的强弱，也可以实时定量的测定分子间相互作用的亲和力参数（平衡常数）和动力学参数（速率常数），甚至热力学参数（反应的焓）。该技术是利用了物理光学的原理（下文详述），在研究两分子相互作用时，将一种分子固定在传感片表面，而另一种分子的溶液流过其表面，两种分子的结合会使传感片表面的折射率改变，因此检测两分子间的相互作用。1983年，瑞典LINKOPING理工学院应用物理实验室Liedberg等人首先把它用于IgG与其抗原相互作用的检测[1]，并由BIAcore公司开发出SPR传感器。此后SPR传感器的研究与改进迅速发展，其在生物医学中的应用也日益广泛。 表面等离子共振技术的基本物理光学原理：如果光波从光密介质（折射率大）射向光疏介质（折射率小），比如由玻璃射向空气，且入射角大于临界角时，没有折射光产生，入射光全部反射回去，这一现象称为全反射。全反射时光波在两介质分界面的行为是什么样的呢？深入研究指出，全反射时光波将透入第二介质（光疏介质）很薄的一层表面（深度约为光波的波长），并沿界面流动约半个波长再返回第一介质（光密介质）。透入第二介质的光波称为倏逝波。如Fig 1 所示。 倏逝波是一个沿x方向传播的振幅在z方向（垂直于两介质界面的方向）按指数衰减的波。倏逝波最后仍返回第一介质，总的来说光的能量没有进入第二介质。 在两介质的界面镀上一层很薄的金属薄膜，薄膜厚度在倏逝 表面等离子共振技术 Surface Plasmon Resonance technology，SPR 北京大学基础医学院05级医学实验 马吟醒 朱倩 薛夏沫 黄辰 [摘要] 表面等离子共振技术，英文简写SPR，是从20世纪90年代发展起来的一种新技术，其应用SPR原理检测生物传感芯片（biosensor chip）上配位体与分析物之间的相互作用情况，广泛应用于各个领域。本综述主要介绍SPR的历史、工作原理、应用以及研究发展的前景。 [完成时间] 2008年6月 [引言] 1902年，Wood在一次光学实验中，首次发现了SPR现象并对其做了简单的记录，但直到39年后的1941年，一位名叫Fano的科学家才真正解释了SPR现象。之后的30年间，SPR 技术并没有实质的发展，也没能投入到实际应用中去。1971年Kretschmann为SPR传感器结构奠定了基础，也拉开了应用SPR技术进行实验的序幕。1983年，Liedberg首次将SPR 用于IgG与其抗原的反应测定并取得了成功。1987年，Knoll等人开始研究SPR的成像。到了1990年，Biacore AB公司开发出了首台商品化SPR仪器，为SPR技术更加广泛的应用开启了新的乐章。简言之，SPR是用来进行实时分析，简单快捷的监测DNA与蛋白质之间、蛋白质与蛋白质之间、药物与蛋白质之间、核酸与核酸之间、抗原与抗体之间、受体与配体之间等等生物分子之间的相互作用。SPR在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域具有广泛的应用需求。 [正文] 一、表面等离子共振原理： 1.消逝波： 根据法国物理学家菲涅尔所提出的光学定理： n1 sinθ1 = n2 sinθ2 可知，当光从光密介质射 入光疏介质，入射角增大到某一角度，使折射角达 到90°时，折射光将完全消失，而只剩下反射光， 这种现象叫做全反射。（图1）当以波动光学的角度来研究全反射时，人们发现当入射光到达界面时并不是直接产生反射光，而是先透过光疏介质约一个波长的深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介质。则透过光疏介质的波被称为消逝波。（图2） 图1 图2 2.等离子波 等离子体通常指由密度相当高的自由正、负电荷组成的气体，其中正、负带电粒子数目几乎相等。把金属表面的价电子看成是均匀正电荷背景下运动的电子气体，这实际上也是一种等离子体。当金属受电磁干扰时，金属内部的电子密度分布会变得不均匀。因为库仑力的存在，会将部分电子吸引到正电荷过剩的区域，被吸引的电子由于获得动量，故不会在引力与斥力的平衡位置停下而向前运动一段距离，之后电子间存在的斥力会迫使已经聚集起来的电子再次离开该区域。由此会形成一种整个电子系统的集体震荡，而库仑力的存在使得这种集体震荡反复进行，进而形成的震荡称等离子震荡，并以波的形式表现，称为等离子波。 3.SPR光学原理 表面等离子共振技术（surface plasmon resonance technology, SPR）综述 作者：刘闯等来源：北京大学单分子与纳米生物学实验室 摘要：SPR技术作为检测，分析生物分子相互作用的有效工具，有些国家已经生产出成熟的商业化的SPR传感系统。对SPR生物传感器的工作原理，应用领域，最新进展作出阐述，并对其在生物分子检测领域的应用和研究发展前景进行了讨论。 引言：表面等离子共振技术（surface plasmon resonance technology, SPR）是20世纪90年代发展起来的一种生物分子检测技术，是基于SPR检测生物传感芯片（biosensor chip）上配位体与分析物作用的一种前沿技术，在20世纪初，Wood观测到连续光谱的偏振光照射金属光栅时出现了反常的衍射现象，并且对这种现象进行了公开描述。1941年，Fano用金属与空气界面的表面电磁波激发模型对这一现象给出了解释。1957年，Ritchie发现，当电子穿过金属薄片时存在数量消失峰。他将这种消失峰称之为“能量降低的”等离子模式，并指出了这种模式和薄膜边界的关系，第一次提出了用于描述金属内部电 子密度纵向波动的“金属等离子体”的概 念。2年后，Powell和Swan用实验证实了Ritche的理论。随后，Stem和Farrell 给出了这种等离子体模式的共振条件，并将其称为“表面等离子共振技术（surface plasmon resonance , SPR）”。1968年，Otto和Kretschmann等人研究了金属和介质界面用光学方式激发SPR的问题。并分别设计了两种棱镜耦合方式。此后， SPR技术获得了长足的发展。1990年，国际上第一台商业生产的生物传感器在瑞典的Biocore公司诞生。实践证明，SPR传感器与传统检测手段比较，具有无需对样品进行标记，实时监测，灵敏度高等突出优点。所以，在医学诊断，生物监测，生物技术，药品研制和食品安全检测等领域有广阔的应用前景。 基本原理 1 消失波，在波动光学没有发展起来以前，菲涅尔定理很好地描述了光在介质表面的行走路径。（n1 sinθ1 = n 2 sinθ2 ）, 可以看出，当光从光密介质入射到光疏介质时（n1>n2）就会有全反射现象的产生。但以波动光学的角度来重新研究全反射的时候就会发现，全反射的光波会透过光疏介质约为光波波长的第四章 表面等离子体共振技术总结
表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用
表面等离子共振技术
表面等离子共振技术SPR综述