表面等离子共振技术
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
表面等离子共振技术SPR综述
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。
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
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棱镜型装置工作原理
(a) Otto 型
(b) Kretschmann 型
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光纤型光波导耦合器
在线传输式SPR 光纤传感器
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光纤型光波导耦合器
终端反射式SPR 光纤传感器
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光栅型光波导耦合器
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传感芯片——金属膜
反射率高 化学稳定性好 厚度合适
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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
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Biacore 3000的温度控制系统
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SPR 技术的应用
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SPR的响应模式
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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。
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SPR仪的结构及工作原理
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Biacore 3000
Biacore Control
工作仪器
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Biacore 3000工作仪器
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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
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微流控多通道SPR检测
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SPR Imaging
Layout and photograph of the microfluidic chip designed for coupling with SPR imaging system
表面等离子共振 (SPR) 技术与Biacore原理
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表面等离子共振 (SPR) 技术与 Biacore原理
表面等离子共振 (SPR)原理
❖ 表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance, SPR) ❖ 消逝波：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。 ❖ 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。
Biacore提供的生物分子相互作用信息：
❖有无结合 (Yes or No) ❖结合的特异性和选择性 (Specificity) ❖两种分子的结合强度 --亲和力 (Affinity) ❖结合和解离的快慢和复合体的稳定性 --动力学
(Kinetics) ❖ 功能复合体形成的参与者、协同者和组装顺序
表面等离子共振 (SPR)原理
❖ 等离子波：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，其中正、负带电粒子数目几乎相等，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。
❖ 30余种不同的试剂盒及缓冲液产品 ： ❖ 氨基偶联试剂盒、巯基偶联试剂盒； GST捕获试剂盒 GST重组蛋白
表面等离子共振SPR技术与Biacore原理
SPR 生物传感技术的应用领域
❖生物大分子的相互作用： ❖肿瘤研究 ❖免疫学和传染病 ❖神经科学 ❖生物制药 ❖蛋白质组学
Biacore可研究的生物分子范围
❖蛋白质 ❖DNA/RNA ❖脂类 /脂质体/ 生物膜 ❖多糖 ❖多肽 ❖小分子 ❖全细胞/病毒/微生物
可分析的对象
Biacore核心组件
表面等离子共振 (SPR) 技术与 Biacore原理
戴璐
表面等离子共振 (SPR)原理
❖ 表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance, SPR) ❖ 消逝波：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。 ❖ 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。
❖分析物 (Analyte)进样后，以恒定的流速和 浓度流过芯片表面
❖样品中的待分析物与固定在芯片表面上的 配体发生结合，芯片表面物质的质量发生 改变，仪器记录下对应的响应值 (response) 的改变
❖进样结束后，切换缓冲液流过芯片表面， 分析物由配体上自发解离，解离的进程由 响应值实时监控。
(Mechanism) ❖分子结合的温度与热力学特征 (Thermodynamics) ❖目标分子活性含量的检测 (Concentration)
SPR光学组件
微流控系统(IFC)
❖集成化、自动化的微流路控制系统 ❖样品消耗量低 ❖为互相作用分析而设计优化
微流控系统 (IFC)–流动池
❖IFC上有4个流动池 ❖可选择单独、配对、串联使用。 ❖流动池为配对使用进行了优化(Fc1-Fc2,
表面等离子共振法
表面等离子共振法
表面等离子共振法是一种用于研究生物分子相互作用的技术。
它基于表面等离子共振现象，通过将生物分子固定在金属薄膜表面上，利用激光束照射金属薄膜，测量反射光的强度和相位变化，从而得到生物分子的结合情况和亲和力等信息。
表面等离子共振法具有灵敏度高、实时性强、无需标记等优点，因此被广泛应用于生物医学研究、药物筛选、生物传感器等领域。
在生物医学研究中，表面等离子共振法可以用于研究蛋白质、抗体、核酸等生物分子的相互作用，从而深入了解生物分子的结构和功能，为疾病的诊断和治疗提供重要的理论基础。
在药物筛选中，表面等离子共振法可以用于评估药物与靶分子的亲和力和特异性，从而筛选出具有高效、低毒副作用的药物，为药物研发提供重要的技术支持。
在生物传感器中，表面等离子共振法可以用于检测生物分子的浓度和活性，从而实现对生物过程的实时监测和控制，为生物医学工程和生物制造提供重要的技术手段。
总之，表面等离子共振法是一种重要的生物分子相互作用研究技术，具有广泛的应用前景和重要的理论和实践价值。
表面等离子体共振传感技术的发展与应用
表面等离子体共振传感技术的发展与应用随着科技的不断发展，传感技术也日新月异。
表面等离子体共振传感技术(SPR)作为目前最先进的生物分析技术之一，被广泛应用于生物芯片、药物筛选、生物传感器等领域。
本文将从表面等离子体共振原理、传感技术的演变和应用案例等方面为您介绍表面等离子体共振传感技术的发展与应用。
一、表面等离子体共振原理表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)源于表面等离子体的产生与传播。
表面等离子体(Surface Plasmon, SP)是电磁波在金属与介质接触界面上产生的电子振荡模式。
当SP在金属表面与介质中的折射率的平衡点发生改变时，SP发生共振现象。
共振角度与介质中分子浓度成反比，故可通过实时检测共振角度的变化，间接测量分析物与生物分子之间的相互作用。
二、传感技术的演变表面等离子共振是一种实时、不需标记、无需特定洗涤步骤、无需纯化或分离的敏感且广泛应用的检测技术。
随着技术的发展，其在不同领域的应用也越来越广泛。
1.药物筛选表面等离子共振可用于开发靶向药物，如癌症治疗药物的研制。
以免疫抑制剂为例，可使用类似共轭缩合物LOV2FMN-BP1等方法，实现药物与抗体的共价结合，并依靠SPR技术进行筛选。
2.生物传感器表面等离子共振传感器是一种应用广泛的生物分析技术。
SPR传感器可以检测一种实时反应，并且不需要荧光或者其他的标记物质。
因此，SPR传感器被广泛应用于肿瘤、心血管疾病等领域，涉及医疗及疫苗研发等众多领域。
3.生物芯片表面等离子共振技术可用于生物芯片检测系统。
消费者的测试物质（如肝炎病毒或癌细胞）通过血液或其他生物样本传送到生物芯片测试系统。
当测试物与芯片接触时，通过SPR技术获取反应曲线。
三、应用案例表面等离子共振传感技术广泛应用于药物筛选、生物传感器、生物芯片等领域，其中最为广泛的应用为药物筛选。
以达菲那铂(Danaparoid Sodium)为例，配合SPR传感技术，快速检出药品成分，从而保证药品质量。
表面等离子共振技术
表面等离子共振技术表面等离子共振技术（简称SPR）是一种近红外波段技术，它用于研究物质表面之间的相互作用，并成为生物物理学研究的新工具。
SPR技术具有高灵敏度、高大分辨率、快速实时响应等优点。
此外，它可以较好地用于实验室分析和监测血清中的抗原和抗体。
表面等离子共振的原理是，将特定的光源引入抽油管中，然后将抽油管中的光向下倾斜入光管中。
随着光管中折射率不同的液体反射该光源，光源随着反射而发射，发出的光被检测器检测。
当物质表面上的分子结构改变时，由检测器检测到的发射信号会发生变化。
表面等离子共振技术的应用领域有很多，包括生物分子分析、监测血清中的抗原和抗体、检测血清中的药物和毒素等。
例如，可以用SPR技术来检测定量的蛋白质和药物，以及血清和细胞的相互作用。
此外，SPR技术可用于检测血清中的生物标志物，以及特定疾病的风险评估和诊断。
最近，表面等离子共振技术受到了越来越多的关注，因其对生物分子相互作用的高精度测定以及对血清中的抗原和抗体的检测而被广泛应用。
近几年，SPR技术的研究和应用取得了较大的进展，如开发了新的灵敏度更高的传感器和更快速的测量技术。
此外，研究者也提出了基于SPR技术的新结构传感器用于测量生物标志物。
SPR技术为研究人员提供了一种灵活方便的分析技术，它在血清和细胞表面之间相互作用的研究中发挥着重要作用。
然而，目前SPR 技术仍然存在着一些不足。
例如，它的发展仍然相对落后，系统和设备价格昂贵，而且还不能满足生物分子的高精确性测量要求等。
为了改善SPR技术的缺陷，研究人员正在努力改善传感器的设计和性能，研发新的接收机技术，并开展新的研究，以确定更精确的表面分子结构。
总之，表面等离子共振技术已成为生物物理学研究的新工具，具有广阔的应用前景，有望在血清和细胞表面相互作用的研究中发挥重要作用。
前景展望表面等离子共振技术是一种有前途的技术，预计将在血清分析和药物研发中发挥重要作用。
随着技术的进步，SPR技术应用领域将越来越多，将得到更广泛的应用。
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化学应用
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
引起敏感膜的光学属性 (主要是折射率)的变化
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
生物学应用
生物学检测领域 药物领域 食品工业及环境监测领域 蛋白质组学领域 临床诊断领域 遗传分析领域
3.SPR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，使得反射光的 能量急剧减少。
3.SPR光学原理
可以从反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，对应的入射角为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。这就 是SPR对物质结合检测的基本原理。
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
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90513101 马吟醒 90513126 朱倩 90513129 薛夏沫 90513125 黄辰 Mar 19th 2008
SPR的特点及发展方向
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。
微型化
Biacore 2000 Dimensions: 760 x 350 x 610 mm Net Weight: 50 kg
Spreeta 2000
Spreeta 传感器 和SPR分析系统示意图
Biosensing Instrument(生物传感仪 器)公司
表面等离子共振技术
简介
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，应 用SPR原理检测生物传感芯片(biosensor chip)上配 位体与分析物作用的一种新技术。
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
生物学应用
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
生物学应用
生物学检测领域 药物领域 食品工业及环境监测领域 蛋白质组学领域 临床诊断领域
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。
3.SPR光学原理
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。
联用
MALDI-TOF质谱法结合
“二维”
分析
SPR—可对相互作用进行定量
MALDI-TOF—提供定性分析的详细 结果
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
结合位点 和反应物
浓度
蛋白质蛋白质
核酸-核 酸
药物-蛋 白质
蛋白质核酸
展望未来
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
展望未来
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：
载体与质粒DNA之间的相互作用，以评 价载体效率
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
稳定性
生物分子&金属薄膜结合
+ 一层SAM (self-assembles monolayer) 自组装单分子层
在金属薄膜层上覆盖羧甲基葡聚糖凝胶 not only but also
微流控多通道SPR检测
SPR Imaging
Layout and photograph of the microfluidic chip designed for coupling with SPR imaging system
SPR的应用领域将不断扩大 技术水平及实用程度也将不断提高
Advantages Disadvantages Future Development
Examples
Main Advantages
实时监测 无需标记样品 样品需要极少 检测过程方便快捷，灵敏度较高 应用范围广泛
Other Advantages
跟踪监控 不干扰反应的平衡 不需要对样品进行处理 能在混浊的甚至不透明的样品中进行
4 为500nm
恒定入射角度, 反射系数与波长关系 入射角度: 1 为80Ü, 2 为70Ü, 3 为72Ü, 4 为6815Ü,5 为6515Ü
金属膜厚度对SPR 谱的影响
λ= 63218nm 介质为水( n = 1.333) 棱镜折射率为1.515
50nm
传感芯片——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
Disadvantages
传感曲线经常不符合假一级动力学
多价结合 多步结合反应 空间位阻效应 配体或者分析物的不均一 扩散速度限制 重结合现象
Disadvantages
检测成本 易用性 稳定性 检测效率
改进与发展Development
增强稳定性 提高检测灵敏度 实现多通道检测 联用 装置微型化 降低成本
光源
He2Ne激光器 LED 白炽灯——卤钨灯
传感芯片——金属膜
反射率高 化学稳定性好 厚度合适
金属材料的选择
1、可见光范围内反射率较高： Ag、Al 、Au 、Cu
2、化学稳定性好 Ag、Al、Au、Cu
Ag、Au
Ag膜、Au膜的比较
金膜(实线) 和银膜(虚线) SPR 光谱理论值
恒定波长, 反射系数与入射角度关系 波长: 1 和2 为750nm,3 为600nm,
生物学应用
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
系统性红斑狼疮（SLE）患者血浆中含 有C4bBP
它与PS结合并阻断PS的抗凝血作用
SLE患者常伴有血栓发生
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。
BI SPR 1100
小结
表面等离子体共振（SPR）技术是瑞典 Pharmacia公司在20世纪90年代开发的 生物传感技术。
以其检测过程方便快捷、始终保持生 物分子的活性、实时检测、应用范围 广、检测灵敏度高等很多优点广泛应 用于生物分子相互作用的研究。
小结
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。
传感芯片——光波导耦合器件
Krestschmann棱 镜型
Otto棱镜型
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
棱镜型装置工作原理
(a) Otto 型
(b)
Kretschmann 型
光纤型光波导耦合器
在线传输式SPR 光纤传感器
光纤型光波导耦合器
终端反射式SPR 光纤传感器
光栅型光波导耦合器
生物学应用
生物学检测领域
生物学应用
生物学检测
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
生物学应用
生物学检测领域 药物领域 食品工业及环境监测领域
药物领域
药物与蛋白之间的相互作用
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
食品工业及环境监测领域
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
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
生物学应用
生物学检测领域 药物领域 食品工业及环境监测领域 蛋白质组学领域
SPR的响应模式
n1 sinθ1 = n2 sinθ2 因为 sinθ2 = 1 所以 sinθ1 = n2/n1
SPR的检测模式
直接检测： 适用于大分子 （>1000 Da）
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。
SPR仪的结构及工作原理
生物学应用
生物学检测领域 药物领域 食品工业及环境监测领域 蛋白质组学领域 临床诊断领域 遗传分析领域