表面等离子共振技术介绍
表面等离子体共振
表面等离子体共振
表面等离子体共振是一种在纳米尺度下的表面增强光谱学技术，在化学、生物、物理等领域中具有重要的应用价值。
表面等离子体共振通过激发金属纳米结构表面的等离子体共振激元，实现对吸附在金属表面或与金属表面相互作用的样品进行高灵敏度的光谱检测。
我们知道，等离子体共振是指金属或其他导体中的自由电子在外界电场作用下
的振荡现象。
当这种振荡发生在金属纳米结构的表面时，就形成了表面等离子体共振。
之所以称为“表面”，是因为这种共振只发生在金属表面附近几十到几百纳米的
范围内，具有高度局域的特点。
在表面等离子体共振技术中，研究人员通常利用纳米结构的阵列、膜、颗粒等
作为表面等离子体共振的基底。
这些纳米结构的形状、尺寸和材料可以被精心设计，以调控其共振特性，从而实现对不同样品的选择性检测和分析。
通过表面等离子体共振技术，科研人员可以实现对生物分子、药物、化学物质
等样品的高灵敏度检测，甚至可以实现单分子检测。
表面等离子体共振在生物传感、化学分析、光电器件等领域具有广泛的应用前景，为科学研究和工业技术的发展带来了新的机遇。
总的来说，表面等离子体共振作为一种重要的纳米技术手段，具有丰富的理论
基础和广泛的实际应用。
随着纳米科技的不断进步，表面等离子体共振技术在材料科学、化学分析、生命科学等领域中将发挥越来越重要的作用，为人类社会的进步和发展做出更多贡献。
表面等离子体共振技术在光催化和光子学中的应用指南
表面等离子体共振技术在光催化和光子学中的应用指南引言：近年来，随着纳米科技的快速发展，表面等离子体共振技术成为了光催化和光子学领域中备受关注的研究方向。
表面等离子体共振技术通过操纵光与物质的相互作用，能够实现更高效的能量传递和光信号调控，为光催化和光子学的应用带来了新的突破。
本文将重点探讨表面等离子体共振技术在这两个领域的应用，以及未来可能的发展方向。
1. 表面等离子体共振技术的基本原理表面等离子体共振是指当光与表面上的金属纳米结构相互作用时，产生共振现象。
这种现象可以通过光的吸收和发射来实现表面等离子体的激发和激发的耗尽。
表面等离子体共振技术在光催化和光子学中的应用主要基于以下几个原理：增强光场强度、改变光的传播速度、增加光与物质的相互作用距离。
2. 表面等离子体共振技术在光催化领域的应用2.1 表面等离子体共振增强光催化活性表面等离子体共振技术可以通过调控金属纳米结构的形状和尺寸，实现光场的增强，从而增强光催化剂的活性。
例如，通过控制金纳米颗粒的粒径、形状和空间间距，可以调控其表面等离子体谐振频率，从而实现对光催化活性的增强。
此外，通过引入表面等离子体共振材料的纳米结构，还可以实现阳光下可见光催化反应的高效转化。
这些研究为光催化反应的实际应用提供了新的思路和方法。
2.2 表面等离子体共振调控光催化反应动力学表面等离子体共振技术还可以通过调控金属纳米结构的等离子体共振频率和强度，实现对光催化反应动力学的调控。
例如，在可见光催化反应中，通过调控表面等离子体谐振频率和强度，可以实现可见光催化活性氧种类的选择性调控，从而优化光催化反应的速率和选择性。
这种调控方式可以通过纳米结构的设计和金属纳米材料的选择来实现。
3. 表面等离子体共振技术在光子学领域的应用3.1 表面等离子体共振激发光子模式表面等离子体共振技术可以实现对金属纳米结构中的光子模式的精确操控。
通过调控金属纳米结构的形状、尺寸和空间间距，可以实现对表面等离子体共振光子模式的激发和调控。
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
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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
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
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Biacore 3000
Biacore Control
工作仪器
16
Biacore 3000工作仪器
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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
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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。
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。
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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介绍
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
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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
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
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
表面等离子共振技术介绍
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
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。
表面等离子共振技术介绍
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。
表面等离子共振技术介绍
SPR用途简介
实时分析，简便快捷地监测DNA与蛋白质之间、蛋白质分 子之间以及药物—蛋白质、核酸—核酸、抗原—抗体、受 体—配体等等生物分子之间的相互作用，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、法 医鉴定等领域具有广泛的应用需求。
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Ag、Au
表面等离子共振技术介绍
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,
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
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光栅型光波导耦合器
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光源
He2Ne激光器 LED 白炽灯——卤钨灯
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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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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
Biacore 3000核心部件
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Biacore 3000的光学系统
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Biacore 3000传感器基本结构
1. 光波导耦合器件 2. 金属膜 3. 分子敏感膜
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表面等离子共振技术介绍
传感芯片——光波导耦合器件
Krestschmann棱 镜型
表面等离子共振技术介绍
表面等离子共振技术介绍
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。
表面等离子共振技术介绍
表面等离子共振技术介绍
SPR的响应模式
n1 sinθ1 = n2 sinθ2 因为 sinθ2 = 1 所以 sinθ1 = n2/n1
表面等离子共振技术介绍
SPR的检测模式
直接检测： 适用于大分子 （>1000 Da）
表面等离子共振技术介绍
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。
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。
表面等离子共振技术介绍
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000液体处理系统
表面等离子共振技术介绍
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