SPR传感器原理简介资料
浅谈SPR生物传感器

金属表面的自由电子相互作用,激发 SPW(纵波)。当入射光
的沿着光疏光密介质交界面方向的波矢分量跟 SPW 的波矢相同 时,消逝波跟 SPW 将产生强烈耦合,此时入射光能量大部分被 吸收(光的能量转移到表面等离子体和金属损耗层),从而使全 反射时的反射光能量下降达到一个极小值,在反射光谱上出现共
振峰。也即是激发了表面等离子体共振 SPR。
上图为三种SPR生物传感器,(a)为棱镜SPR, (b)为光栅SPR,(c)为波导SPR。尽管棱镜最常用于 SPR传感器,但光栅与波导SPR也具有自身的优点,光栅 传感器生产成本低,材料来源广,而波导传感器形态多样,
能够设计成平面和光纤等构造。
SPR 传感器的检测方式
SPR 传感器检测反射光谱跟入射光之间的关系有多种
检测方式の相位调制
固定入射光 波长及角度
读取 反射光与入 射光的相位 差
在相位调制工作模式下,探测光为单色光(激光),入射光波 长单一,入射光角度固定。待测介质的折射率 n、膜厚 d,浓度等参数 都可以通过检测反射光波和入射光波之间的相位差来求出 。 目前基于相位调制技术的 SPR 传感器主要有外差干涉法,M-Z 干涉仪法和椭偏法等。
方法,一般分为角度调制(angle modulation,AM),波长调制 (wavelength modulation,WM) ,强度调制(intensity modulation,IM)和相位调制(phase modulation,PM)。 其中波长调制和强度调制的应用比较广泛,角度调制 受到扰动影响产生的误差较大,相位调制灵敏度最高,但是 检测系统也是最复杂的,对应用的普及有一定限制。
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检测方式の强度调制
固定入射角 及波长 调节 入射光光强 读取共振 峰位置
分子印迹SPR传感器

分子印迹SPR传感器一分子印迹SPR传感器组员信息二分子印迹SPR传感器基本定义及简介传感器定义是指一些能把光、声、力、温度、磁感应强度、化学作用和生物效应等非电学量转化为电学量或转换为具有调控功能的元器件。
定义以分子印迹技术和SPR技术联用而研制出的传感器(Molecular imprinting SPRsensor)该类传感器目前的实际应用较少,多数处于理论和实验室阶段。
其更多的功能和应用还有待开发。
三分子印迹SPR传感器的工作原理1 .SPR技术定义表面等离子体共振技术(简称“SPR”, Surface Plasmon Resonance)是利用了金属薄膜的光学耦合产生的一种物理光学现象。
历史(略)早在1902年,Wood(Wood R W,1902)就在光学实验中发现了表面等离子体波共振现象。
但是直到1982年,Liedberg等(Nylander C et al., 1982; Lieberg B et al., 1983)才首次将表面等离子体共振技术应用于化学传感器研究领域,随后SPR作为一种新兴的传感技术,逐渐成为国际传感器研究的热点。
实践证明,SPR传感器与传统检测手段相比较,具有无需对样品标记、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具有广阔的应用前景。
介绍表面等离子体共振原理当一束p-偏振光在一定的角度范围内入射到棱镜中,在棱镜与金属(Au 或Ag)的界面将发生反射和折射。
当入射角大于临界角时,光线将被全反射;当入射光的波向量与金属膜内表面电子(称为等离子体)的振荡频率相匹配时,光线既被耦合进入金属膜,引起电子发生共振,即表面等离子体共振。
金属膜表面电子吸收入射光子能量使反射光的能量最小,这种最小化发生时的入射角度称为“SPR角”。
SPR 角与入射光波长、入射角、金属膜的厚度、玻璃与金属的介电常数、金属表面及邻近介质的折射率等有关,金属表面结合生物分子将导致其折射率发生变化,从而引起SPR角的变化。
分子印迹SPR传感器

应用 分子印迹聚合物:在生物传感器中取代生物分子作为识别 元件,专一性强、稳定性好、不需使用动物、可大规模生 产等。 将SPR与分子印迹技术联用:提高传感器的选择性和识别 性。 分子印迹技术与SPR关联可结合二者的优势,大大提高传 感器的选择性,具有广阔的应用前景。
应用实例
乙酰甲胺膦分子印迹聚合物SPR 传感器 吲哚乙酸分子印迹SPR 传感器 Lai等(Lai E P C et al., 1998)使用甲基丙烯酸酯和乙二醇二甲基丙烯 酸制备多层分子印迹聚合物,将其作为SPR传感器的识别元件,检测 茶碱、咖啡因和黄嘌呤。 Jorn等(Jorn C C et al., 2005)在SPR传感器上通过电聚合方法合成聚 吡咯分子印迹聚合物薄膜,用来检测赭曲霉素A,用SPR技术原位监 测薄膜的生长。该传感器能检测到的赭曲霉素的浓度低于0.05Ppm。
分子印迹SPR传感器的工作原理
MIT
定义:分子印迹技术(Molecular imprinting technique, 简 称MIT)是制备对特定目标分子具有特异性预定选择性的高 分子化合物——分子印迹聚合物(Molecular imprinting polymer, MIP)的技术。
分子印迹SPR传感器的工作原理
分子印记SPR传感器
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传感器简介 MIT&SPR传感器基本定义及简介 工作原理 应用&成果 发展前景
传感器的定义
传感器:是指一些能把光、声、力、温度、磁感应强度、 化学作用和生物效应等非电学量转化为电学量或转换为具 有调控功能的元器件。 传感器:是一种信息获取与处理的装置。
3
传感器的基本构成
传感器通常由敏感元件(感受器)和转换元件(换能器) 组合而成。 敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分,转换元件 通常是指将敏感元件在传感器内部输出转换为便于人们应 用、处理外部输出(通常为电参量)信号的部分。
SPR传感器原理简介

3
生物传感器
介绍SPR传感器作为生物传感器的应用,如心肌酶、葡萄糖检测等。
快速检测
SPR传感器可以实现对食品中有 害物质的快速检测,如重金属、 农药残留等。
新鲜度分析
展示SPR传感器在食品新鲜度分 析中的应用,如检测肉类的氨基 酸含量等。
过敏原检测
介绍SPR传感器在食品过敏原检 测中的应用,如乳制品中的乳蛋 白检测等。
SPR传感器在环境监测中的应用
水质监测
SPR传感器可用于监测水体中的有害物质、重金属等,用于环境保护和水质控制。
大气污染监测
介绍SPR传感器在大气环境污染监测中的应用,如检测PM2.5、有机物质等。
土壤污染检测
展示SPR传感器在土壤污染检测中的应用,如检测重金属、农药残留等。
SPR传感器在医疗领域的应用
1
肿瘤标记物检测
介绍SPR传感器在肿瘤标记物检测中的应用,如乳腺癌、肺癌的早期筛查。
2
药物研发
展示SPR传感器在药物研发中的应用,如药物相互作用、药效评价等。
SPR传感器的优点和应用领域
高灵敏度
SPR传感器能够实现对微量物质 的高灵敏度检测,适用于生物、 化学等领域。
实时监测
SPR传感器可以实时监测和分析 物质的变化和相互作用,用于 药物筛选、生物分析等领域。
无标记检测
SPR传感器不需要标记物质,避 免了传统检测方法中的标记物 对实验结果造成的干扰。
SPR传感器在生物诊断中的应用
SPR传感器原理简介
SPR传感器是一种广泛应用于物理、化学和生物领域的先进传感技术。它利用 金属和介质界面上的表面等离子共振效应来实现高灵敏度的检测和分析。
SPR传感器的概述
SPR传感器是一种基于表面等离子共振原理的高灵敏度传感技术。它能够实时 监测和分析物质的变化和相互作用,并在生物、化学、环境等领域发挥重要 作用。
SPR(Biacore)基本原理

Biacore Training
Biacore Training
传感芯片
葡聚糖 CM5
➾ 亲水性 ➾ 用于偶联
连接层 金膜 50 nm
➾ 用于SPR检测
玻璃支持层
• 除了HPA, Au和C1,所有芯片表面均覆盖葡聚糖层
Biacore Training
传感芯片
Biacore Training
1 RU 的响应值等价于芯片表面结合物质的 浓度改变了1 pg/mm2
Biacore Training
微射流卡盘(IFC) 液体传送装置 • 迷你化的组件 • 试剂消耗量低 • 完整的全自动液体处理装置
IFC
(展开图)
液体通道(flow cells)
微射流卡盘– 液体通道(Flow cells) • 不同的Biacore仪器,其IFC的液体通道的类型和
葡聚糖表面
• 亲水性 • 温和型: 和2%浓度的葡聚糖水溶液环境相似 • 非特异性结合量低 • 高结合容量 • 易于进行共价结合 • 出色的化学稳定性
Biacore Training
传感芯片 CM5
• 羧基化的葡聚糖表面 • 最常用的传感芯片 • 卓越的化学稳定性决定了 • 可靠的实验重复性
Biacore Training
• Biacore 的数据
» 传感图(The sensorgram)
SPR 生物传感技术的应用领域 • 生物大分子的相互作用
Biacore Training
SSppeecciiffiicciittyy
KKiinneettiiccss
AAffffiinniittyy
CCoonncceennttrraattiioonn
表面等离子激元光学传感器的设计与应用

表面等离子激元光学传感器的设计与应用光学传感器一般是指利用光学原理将待测量转换为光学信号来进行检测的一种传感器。
其中表面等离子激元光学传感器(surface plasmon resonance sensor, SPR)是当前非常热门的一种光学传感器。
一、 SPR传感器的基本原理SPR传感器的基本原理是利用金属(一般为金)表面的等离子激元(surface plasmon)共振效应来检测待测物质,该效应是一种与光波和电磁波相似的振荡效应。
当光线以一定角度照射到金属表面上时,光子与自由电子会发生相互作用形成等离子体波动,这些电子的振动频率与所照射的波长和介质中离子的密度相关;当有物质与金属表面靠近时,由于改变了金属表面上的介电常数,会导致共振角度发生移动。
通过对共振角度的测量,可以实现对物质存在、浓度及其它特性的精确检测。
二、 SPR传感器的设计和制备SPR传感器一般由光源、光器件和探测装置组成。
其中光源一般采用波长稳定的激光器,比如:He-Ne激光器、半导体激光器等;光器件则包括反射镜、光路调整器、探测器等。
核心部件是金属薄膜和检测平台。
而金属薄膜的制备是SPR传感器的关键步骤,常用的金属材料是金、银和铜。
金属薄膜制备方法有物理蒸镀和化学沉积两种,其中物理蒸镀法过程简单,需要先将金属加热至液态后由高压气体将其蒸发并沉积在基底上,不过与化学沉积法相比缺乏薄膜表面修饰能力。
化学沉积法则是引入具有还原性的化学物质,利用化学物质还原金属离子形成薄膜,需要加热才能完成化学反应。
三、 SPR传感器在生命科学领域中的应用SPR传感器可用于测定生物分子的密度、析合反应过程中的动力学参数、酶促反应动力学常数以及蛋白质的互相识别等诸多生命科学实验中。
举个例子,SPR传感器可以用来检测特定蛋白与其他分子的相互作用,蛋白结构和功能的相关实验需要用到这种技术。
将一种蛋白质指定集中溶解在荷氏溶液中,荷氏溶液通过SPR芯片,其表面上有金薄膜,金薄膜与蛋白质结合并在金表面形成复合物,SPR传感器可以检测到荷氏溶液在薄膜表面的折射率。
SPR基本原理应用及进展

SPR(Surface Plasmon Resonance)即表面等离子体共振。
SPR技术是20世纪90年代发展起来的,应用SPR原理检测生物传感芯片上配位体于分析物作用的一种新技术。
一、原理1、基本原理:表面等离子共振是一种物理光现象。
利用光在玻璃界面处发生全内反射时的消逝波,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,表面等离体子与消逝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。
2、消逝波全反射的光波会透过光疏介质约为光波波长一半的一个深度,在沿界面流动约半个波长在返回光密介质。
光的总能量没发生改变。
透过光密介质的光波成为消逝波。
3、如果把金属的价电子看成是均匀正电荷背景中运动的电子气体,这实际上也是一种等离子气体。
当金属收到电磁干扰时,形成等离子波,金属中电子密度分布会变得不均匀。
金属表面等离子波形成表面等离子体共振的必要条件之一是金属与介质界面的存在。
在金属表面,电子的横向(垂直于表面)运动受到表面的阻挡,因此在表面上形成了电子浓度的梯度分布,并由此形成局限于表面上的等离子体振荡。
Stem和Fam 将此振荡在表面上形成的电子疏密波定义为表面等离子体子(SP)。
4、SPR仪光学原理当消逝波与表面等离子波发生共振时,检测到的反射光强度会大幅减弱。
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体吸收,使得入射光的能量急剧减少。
SPR仪光学原理从图中发射光强的响应曲线看到一个最小的尖峰,此时对应的入射光波长为共振波长,对的入射角为SPR角。
SPR角随金属表面折射率变化而变化,而折射率的变化又与金属表面结合的分子质量成正比。
这就是SPR对物质结合检测的基本原理。
SPR仪检测原理二、SPR检测的类型(1)直接检测(2)夹心反应(3)替代反应(4)竞争抑制反应(1)直接检测a、操作简单b、相对分子质量>10kDA图1.直接检测原理示意图(2)夹心反应a、相对分子质量>5000Dab、更高的灵敏性及选择性图2. 夹心反应原理示意图(3)替代反应a、可用于检测小分子b、可用于荧光分析c、此类型稀少图3. 替代反应原理示意图(4)竞争抑制反应a、对于小分子待测物具有较高灵敏性b、应用范围广c、可再生图4. 竞争抑制反应原理示意图三、SPR特点1、可进行实时检测2、无需样品标记3、样品用量少4、灵敏度高,应用范围光5、不需对样品进行前处理6、能测量浑浊甚至不透明样品四、SPR的结构SPR仪的结构示意图以Biacore3000为例,Biacore3000的工作单元有:·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,另一个泵负责自动进样装置中的样品传送。
SPR传感器的理论及应用简介

究 了P 4 2 与四 种 不 同单 抗 体 的 反应 , 出 了 得
四种 单 抗 体 与 艾 滋病 毒 抗 原 结 合 的 亲和 力 依次为MAb1>Ma 2 >Ma 2 >Ma , 8 b5 b8 bl从而
:
塑
Sci ence an Tech d nol ogy n I nov i n at o Her d al
工 程 技 术
SPR传 感器 的理论 及应 用简 介
于艳 鑫 孙荣春 刘仁 成 朱红梅 ( 长春 理工大 学 电子 信息工 程学 院 吉林 长春 1 0 2 0 2) 3
究 的技 术 大量 涌现 , 中S R技术 比较 引人 表 面 平 行 的波 失 为 : 其 P 注 目。 由于 引入 了S R技 术 , 物分 子 相 互 P 生
作 用 的研 究 取 得 了迅 猛 的发 展 并 得 到 前 所
未 有 的 突 破 , 而 全 面 推 动 了生 命 科 学 各 进 个领 域 的进 展 。 由于S R技术 具有 实 时监 测 P 反应 动 态 过 程 、 生物 样 品 无 需标 记 、 敏 度 灵
、 /
() … 2
引 发 的 微 小 折 射 率 变 化 低 至 l 也 能 容 0 式 中 0 、 和 分别 是 入射 光角 频 易 地 检 测 出 来 , 以 与 传 统 的 椭 圆 偏 光 9 c、 高、 无背 景 干扰 等特 点 , 要应 用于 生 物 大 主 可 真 介 法 相媲美 。 分 子 之 间 的相 互 作 用 , 得 到 反 应 物 分 子 率 、 空 中光 速 、 质 介 电 常 数 和 入 射 角 。 可 根 据M a wel 程 组 和 边 界 条 件 可 以 x l 方 之 间 每 一 步 的 键 合信 息 , 定 动 力 学 常 数 测 s R技术 在病 毒及 艾 滋病 病 毒( V 的 P HI )
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3、分子敏感膜
成膜方法: 1. 金属膜直接吸附法 2. 共价连接法(生物素-亲和素、葡聚糖凝胶、水 凝胶、高分子膜、多肽等) 3. 单分子复合膜法 4. 分子印膜技术
4、作用类型
Protein interactions
•Small molecules
Membrane proteins
Nucleic acids
SPR 传感器的原理和 应用简介
内容
概述 原理 研究相互作用的一般过程及应用 发展前景
一、表面等离子共振(SPR)传感器
Biblioteka 光学传感器 瑞典科学家Liedberg 等于80 年代首次将SPR传感器技术运 用于IgG抗体与其抗原相互作用的测定 1990 年,瑞典的Biacore AB 公司开发出世界上第一台商业化 的SPR 生物传感器BiacoreTM,随后不断有专业化的商用SPR 生物传感器平台 广泛应用于从蛋白、寡核苷酸、寡糖、脂类到小分子、噬 菌体、病毒颗粒、细胞等各种生物体系。 从根本上改变了生物分子识别科学,成为生命科学和制药研 究上的标准工具
1、共振角
当入射光波长固定时, 反射光强度是入射角的 函数,其中反射光强度 最低时所对应的入射角 称为共振角
2、SPR检测原理
SPR对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感 ,当表面介 质的属性改变或者附着量改变时,共振角将不同。因此, SPR谱(共振角的变化 vs时间)能够反映与金属膜表面接触 的体系的变化。
3、SPR响应
三、SPR生物传感器的基本结构
光波导耦合器件 Sensor chip 金属膜 分子敏感膜
1、光波导耦合器件
Krestschmann 棱镜型
金属膜 分子敏感膜
2、金属膜
反射率高 化学稳定性好
Au 膜和Ag 膜是SPR 中最常用的两种金属薄膜
膜的厚度:50-100nm
Cell and viruses
四、SPR的优点
1. 2. 3.
待测物无需标记 适用于混浊、不透明或者有色溶液 能实时、连续监测反应动态过程
4.
5.
检测方便、快捷
应用范围广 SPR缺点
1. 2.
难以区分非特异性吸附 对温度、样品组成等干扰因素敏感
SPR发展方向
高通量 SPR 成像 微流控 SPR sensor SPR-MS
SPR Imaging
Anal Bioanal Chem (2004) 379: 328–331
SPR IMAGING
DNA Microarray on AU film
检测限 10nM
空间分辨:50-70微米
二、SPR基本原理
它利用P偏振光在 玻璃与金属薄膜 界面处发生全内 反射时渗透到金 属薄膜内的消失 波 , 引发金属中的 自由电子产生表 面等离子体子, 当 表面等离子体与 消失波的频率相 等时 , 二者将发生 共振 , 界面处的全 反射条件将被破 坏, 呈现衰减全反 射现象,入射光 被金属表面电子 吸收 , 使反射光能 量急剧下降