表面等离子共振技术-1
表面等离子体共振的原理
表面等离子体共振的原理一、表面等离子体的原理表面等离子体（Surface Plasmon）是紫外线照射在金属表面上产生的一种特殊的电磁波，也叫做表面等离子体共振，即表面等离子体和表面电场(SPE)的共振结果。
它是由金属表面的电子以及周围介质中的电子，以特殊频率的共振而产生的。
表面等离子体的共振机制具体是这样的：当紫外线照射到金属表面上时，金属表面电子会被激发，而介质中的电子也会受到牵引，把紫外线的能量吸收，并产生表面等离子体波。
此时，介质中的电子和金属表面上的电子会以特定的频率产生共振，从而产生表面等离子体共振效应。
表面等离子体的共振频率受紫外线频率、金属表面尺寸以及介质介电常数等多种因素的影响。
通常情况下，金属表面尺寸比较小，介质介电常数比较大，表面等离子体的频率会比紫外线频率高得多。
当紫外线频率等于表面等离子体的共振频率时，就会发生表面等离子体共振效应。
此时，金属表面就会发出一种微弱的金色闪光。
当金属表面尺寸改变或介质介电常数改变时，共振频率也会随之改变，从而产生不同的表面等离子体共振效应。
当电场发生变化时，表面等离子体和表面电场的共振频率也会有所变化，从而改变表面等离子体共振所产生的电磁波形状。
表面等离子体共振是一个非常重要的物理现象，它可以用来检测物质的存在，传感或测量物质的特性。
它也可以用来提高紫外线的分辨率，从而提高紫外光谱的精确度。
表面等离子体共振也在生物学和化学等多个领域中被广泛应用，例如用于研究病毒和细胞表面的表面等离子体共振成像（SPR Imaging）技术，以及用于病原体和抗原检测的表面等离子体共振耦合分析（SPR-MSD）技术。
总之，表面等离子体共振是一种具有重要意义的现象，它的许多应用对我们的研究和生活都有着重大的意义。
表面等离子共振技术介绍
SPR仪的结构及工作原理
朱倩 90513126
表面等离子共振技术介绍
Biacore 3000
Biacore Control
工作仪器
表面等离子共振技术介绍
Biacore 3000工作仪器
核心部件： 传感器芯片 液体处理系统 光学系统
其他： LED状态指示器 温度控制系统
表面等离子共振技术介绍
发展简史
1902年，Wood在光学实验中发现SPR现象 1941年，Fano解释了SPR现象 1971年，Kretschmann为SPR传感器结构奠定了基础 1983年，Liedberg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定 1987年，Knoll等人开始SPR成像研究 1990年，Biacore AB公司开发出首台商品化SPR仪器
2.等离子波
等离子体 等离子体通常是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。
金属表面等离子波 把金属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。 由于电磁振荡形成了等离子波。
表面等离子共振技术介绍
3.SPR光学原理
表面等离子共振技术介绍
表面等离子共振原理
1. 消逝波 2. 等离子波 3. SPR的光学原理
表面等离子共振技术介绍
1.消逝波
菲涅尔定理： n1 sinθ1 = n2 sinθ2
当光从光密介质 密 入射到光疏介质 时（n1>n2）就 会有全反射现象 疏 的产生。
密
疏
表面等离子共振技术介绍
1.消逝波
密
界面 疏 这表示沿X轴方向传播而振幅衰减的一个波，这就是消逝波。 全反射的光波会透过光疏介质约为光波波长的一个深度，再 沿界面流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发 生改变。透入光疏介质的光波成为消逝波。 表面等离子共振技术介绍
表面等离子共振(SPR)技术
光纤在线传输式
光栅型
光纤终端反射式
金属膜 分子敏感膜
21
棱镜型装置工作原理
(a) Otto 型
(b) Kretschmann 型
22
光纤型光波导耦合器
在线传输式SPR 光纤传感器
23
光纤型光波导耦合器
终端反射式SPR 光纤传感器
24
光栅型光波导耦合器
25
传感芯片——金属膜
反射率高 化学稳定性好 厚度合适
32
Biacore 3000的LED状态指示器
LED（light-emitting diode）
• Ready：亮/灭 • Error：亮/灭 • Temperature：稳定/闪烁 • Sensor Chip：稳定/闪烁 • Run：亮/灭
33
Biacore 3000的温度控制系统
34
SPR 技术的应用
11
SPR的响应模式
12
SPR的检测模式
直接检测： 适用于大分子 （>1000 Da）
13
SPR的检测模式
抑制模式： 将待测小分子 固定在传感器 表面，在样品 中加入过量对 应大分子。
14
SPR仪的结构及工作原理
15
Biacore 3000
Biacore Control
工作仪器
16
Biacore 3000工作仪器
41
42
食品领域
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
43
微流控多通道SPR检测
44
SPR Imaging
Layout and photograph of the microfluidic chip designed for coupling with SPR imaging system
表面等离子共振实验技术及应用方法
表面等离子共振实验技术及应用方法表面等离子共振（surface plasmon resonance，SPR）是一种重要的实验技术，广泛应用于生物医学、环境监测等领域。
本文将介绍SPR的原理、实验方法以及应用。
一、SPR的原理SPR基于光的全反射现象，利用金属表面上的等离子体共振使得光波与金属表面上的等离子体波获得强烈的耦合。
当入射角达到特定的角度（共振角）时，反射光最弱。
这个共振角取决于金属的折射率，而折射率受溶液或界面上吸附物质的影响。
因此，通过检测反射光的强度变化，可以实时监测溶液中的生物分子相互作用、吸附行为等。
二、SPR的实验方法1. 典型实验装置SPR实验通常通过激光器、偏振器、折射率检测系统、样品池以及计算机控制系统构成。
激光器产生单色光，经过偏振器选择S波或P波，接着经过金属薄膜和与样品接触的溶液。
折射率检测系统测量反射光的强度，并将其转化为与样品相互作用的信号。
计算机控制系统负责数据采集和处理。
2. 工作原理样品溶液通过样品池流动，溶液中的目标分子与金属表面上的探针分子发生相互作用。
这些相互作用引起金属的折射率发生变化，导致共振角发生偏移。
通过测量共振角的变化，可以得到样品中目标分子的浓度或相互作用的强度。
三、SPR的应用1. 生物传感器SPR可以实现对生物分子相互作用的实时监测，因此被广泛应用于生物传感器的研究与开发。
例如，用SPR技术可以检测肿瘤标记物、病原体、药物等，用于快速、灵敏的分析和诊断。
2. 药物筛选与研究SPR也可以用于药物筛选和研究。
通过SPR技术可以实时监测药物与受体蛋白之间的相互作用，从而评估药物的效果和亲和性，加速新药研发的过程。
3. 环境监测SPR还可以应用于环境监测领域。
例如，可以利用SPR检测土壤或水中的有毒重金属、污染物等，实现对环境污染程度的快速准确分析。
4. 表面修饰和纳米材料研究SPR也被应用于表面修饰和纳米材料研究。
通过调控金属表面的化学组成和结构，可以实现对光学性质的调控，从而拓展SPR技术在生物医学、光电子等领域的应用。
表面等离子共振ru
表面等离子共振ru表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）是一种重要的光学分析技术，广泛应用于生物医学、化学和材料科学等领域。
本文将介绍SPR的基本原理、应用和发展前景。
一、基本原理SPR是通过金属和介质的界面上的等离子共振现象实现的。
当金属表面被激发时，电子和电磁波之间发生相互作用，产生等离子共振。
这种共振现象使得金属表面形成一种特殊的电磁场分布，称为表面等离子波（Surface Plasmon Wave，简称SPW）。
SPW的存在对光的传播和吸收产生显著影响，从而提供了一种探测物质界面性质和分子相互作用的方法。
二、应用领域1. 生物医学领域：SPR技术在生物传感器、药物筛选、蛋白质-蛋白质相互作用研究等方面具有重要应用。
利用SPR技术可以实时监测生物分子的结合、解离过程，从而研究分子识别、抗体-抗原相互作用等生物学过程。
2. 化学分析领域：SPR技术可以用于表面活性剂、薄膜和薄层材料的研究。
通过SPR技术可以实时监测薄膜的生长和变化过程，分析化学反应的动力学参数，研究表面化学反应机理等。
3. 材料科学领域：SPR技术可以应用于金属纳米颗粒的表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering，简称SERS）。
SERS技术结合了SPR和拉曼散射技术的优势，可以实现对微量物质的高灵敏度检测，具有重要的应用前景。
三、发展前景SPR技术在生物医学、化学和材料科学等领域的应用前景广阔。
随着纳米技术和生物技术的快速发展，SPR技术也得到了进一步的提升和创新。
例如，利用纳米结构调控等离子共振的性质，可以实现更高的灵敏度和分辨率，应用于更复杂的生物体系研究。
此外，SPR 技术与其他分析技术的结合，如拉曼光谱、质谱等，也将为相关领域的研究提供更多可能性。
总结：表面等离子共振是一种重要的光学分析技术，具有广泛的应用前景。
通过研究SPR的基本原理，可以实现对生物分子、化学反应和材料表面的实时监测和分析。
表面等离子共振技术(SPR)
SPR检测
食品工业
蛋白质 组学
遗传分析
药物领域
• Clinical immunosensing of tuberculosis (肺结核）CFP10 in patient urine by surface plasmon resonance spectroscopy（ 2011 Elsevier B.V. All rights reserved）
等离子体
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。
金属表面等离子波
把金属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,由于电磁振 荡形成了等离子波。
• 金属膜 反射率高 化学稳定性好
Thank You!
SPR光学原理
在某个入射角度，光照射到棱镜上与金属膜表面上发生全反 射，从而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。由于能量从光子转移 到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离 子波吸收，使得反射光的能量急剧减少
GGBP蛋白质检测葡萄糖
间接测量法棱镜型SPR表面结构
N-乙酰半胱氨酸
GGBP蛋白固定时传感器表面折射率变化图
四、总结与展望
优点
• 1.可进行实施监测 • 2.无需样品标记 • 3.样品用量少、方便快捷 • 4.灵敏度高，应用范围广 • 5 能测量浑浊甚至不透明样品
表面等离子体共振技术(SPR)
左焕桢 2013-3-14
表面等离子共振技术原理
表面等离子共振技术原理表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)是一种基于光谱学的生物分析方法，其原理可以用于监测分子间的相互作用、分析生物分子结构及其组装、以及监测细胞活性等多个领域。
本文主要介绍SPR技术的原理。
1. SP光，金属薄膜和介质的相互作用SPR技术是建立在SP光的基础上的，需要了解SP光如何被金属薄膜和周围介质相互作用。
SP光是指在金属表面和空气或水等介质之间的界面处，由于金属的自由电子在界面处聚集成电子云而产生的电磁辐射波。
这个电磁辐射波被称为表面等离子波。
SP光的频率与金属薄膜的厚度、形态和材料有关。
当金属薄膜的厚度、形态和材料发生改变时，SP光的频率也会发生变化。
介质(如水)的折射率对SP光的频率也有影响。
当SP光遇到与介质中其它分子之间有相互作用的分子(如蛋白质、核酸和多糖等分子)时，SP光的频率也会发生改变。
这是因为分子的介入会改变周围介质的折射率，导致SP光频率的变化。
SPR技术可用于监测分子之间的相互作用。
2. SPR实验装置及实验原理SPR实验装置主要由显微镜、激光、检测器、样品流动系统等组成。
显微镜用于在金属薄膜表面观察SP光在不同条件下的变化；激光用于产生SP光；检测器用于测量SP光的强度和频率；样品流动系统用于将待测样品(如蛋白质溶液)输送到SP芯片表面。
SPR实验分为四个步骤：1)基线调整；2)样品注入；3)流路清洗；4)数据分析。
当样品注入到SP芯片表面时，如果样品中含有目标分子(如蛋白质)，则会与固定在SP芯片表面上的适配分子(如抗体)发生特异性结合，并改变SP光的频率和强度。
数据分析可根据SP光频率的变化来计算分子间相互作用的亲和力、结合常数、动力学参数以及浓度等信息。
3. SPR技术的优点和应用SPR技术有多个优点：1)SPR技术的检测限度低，可以检测到微量分子相互作用；2)SPR技术对样品的处理很少，可以直接用生物样品进行测试；3)SPR技术的实验操作简单和快速；4)SPR技术可实现实时检测，结果直接可视化。
表面等离子共振ru
表面等离子共振ru表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）是一种基于光学原理的生物传感技术，广泛应用于生物医学研究、药物筛选、食品安全监测等领域。
本文将介绍SPR的原理、应用以及未来的发展趋势。
一、SPR的原理SPR是一种基于金属表面的光学现象，通过测量反射光的强度来获得样品的信息。
当光束照射到金属表面时，光与金属表面的自由电子相互作用，形成一种特殊的光学波，称为表面等离子波。
当入射角度满足一定条件时，表面等离子波会被激发到最大强度，这个角度被称为共振角。
当有分子或离子与金属表面接触时，会改变金属表面的折射率，从而改变共振角度，进而改变反射光的强度。
通过测量反射光的强度变化，可以实时监测样品与金属表面的相互作用，从而获得样品的信息。
二、SPR的应用1. 生物医学研究：SPR技术可以用于实时监测生物分子的相互作用，如蛋白质与蛋白质、蛋白质与药物的结合反应。
通过SPR技术可以研究蛋白质的亲和性、动力学参数等，有助于深入理解生物分子的功能与机制。
2. 药物筛选：SPR技术可以用于高通量药物筛选，通过测量药物与靶标蛋白的结合情况，评估药物的亲和性和特异性。
这种方法可以快速筛选出具有潜在疗效的药物候选物，加速药物研发的过程。
3. 食品安全监测：SPR技术可以用于检测食品中的有害物质，如农药残留、重金属污染等。
通过测量样品与传感器表面的相互作用，可以快速准确地检测食品中的污染物，保障食品安全。
4. 环境监测：SPR技术可以用于监测环境中的有害物质，如水中的重金属、空气中的挥发性有机物等。
通过将传感器与采样装置结合，可以实时监测环境中的污染物，为环境保护提供重要的数据支持。
三、SPR的发展趋势随着技术的进一步发展，SPR在以下几个方面有望取得更大的突破：1. 提高检测灵敏度：目前SPR技术的检测灵敏度已经非常高，但仍有提升的空间。
未来可以通过改进传感器结构、优化检测方法等手段，进一步提高SPR的检测灵敏度，满足更高要求的应用场景。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
生物分子相互作用研究的重 要工具-SPR Sensor
内容
• • • • 概述 原理 研究相互作用的一般过程及应用 发展前景
表面等离子共振（SPR）传感器
• 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
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
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
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。
SPR响应
Science 2002, 295:2103-2105
SPR生物传感器的基本结构
1. 光波导耦合器件 2. Sensor chip 金属膜 分子敏感膜
光波导耦合器件
Krestschmann 棱镜型
金属膜 分子敏感膜
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
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
Types of interaction
Protein interactions
•Small molecules
Membrane proteins
Nucleic acids
Cell and viruses
Carbohydrates
Biomolecular Interaction Analysis
• Specificity • Kinetic :rate analysis
结合速率:ka 解离速率:kd
• Affinity:the strength of binding
结合常数KD:kd/ka
• Concentration measurements • Structure and function
SPR相互作用研究一般过程
•Immobilization: the (covalent) binding of the ligand to the sensor chip surface •Association: binding of the analyte to the ligand •Steady state: the rate of association and dissociate are the same •Dissociation: analyte leaves the ligand under flow •Regeneration: forced dissociation of the analyte
Interaction of proteins and antibodies
• CM5 Research Grade Sensor chips • Activeted by EDC/NHS • Immobilized of antibody
carboxymethyldextran derivatized surface
• Injection of sample (diluted plasma)
J. Mol. Recognit. 2003; 16: 15–19
• MALDI-TOF MS
EMERGING APPLICATION AREAS • • • • Food and environment analysis Immunogenicity Proteomics Drug discovery hit, ADME • Clinical analysis
SPR的优点
1. 待测物无需标记 2. 适用于混浊、不透明或者有色溶液 3. 能实时、连续监测反应动态过程 4. 检测方便、快捷 5. 应用范围广
SPR缺点
1. 难以区分非特异性吸附 2. 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
微流控SPR Imagine
Anal. Chem. 2001,73: 5525-5531
微流控SPR Imagine
样品量:1微升 是传统SPR检测的1/500
Anal. Chem. 2001,73: 5525-5531
SPR-MS
TRENDS in Biotechnology Vol.21 No.7 July 2003
SPR-MS
Anal. Chem. (2000) 404 A-411 A
Thank You!
。