表面等离子体生物传感器
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
表面等离子体共振技术及其在化学中的应用
表面等离子体共振技术及其在化学中的应用表面等离子体共振技术简介表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance）技术是一种能够测定分子间相互作用的实验方法，利用了金属表面的等离子体共振现象，实现了分子间的灵敏检测。
其原理是利用了固体表面上的金属层，通过激光的照射产生等离子体共振，这种共振能使得催化剂与其反应物相结合，从而实现表面分子间的相互作用。
表面等离子体共振技术在化学领域的应用1.酶促反应机理酶促反应是化学领域中常见的反应类型，此类反应具有灵敏性强、反应条件温和、催化效率高等优势，被广泛应用于药物生产、制备化学品等领域。
表面等离子体共振技术的应用可以实现对酶促反应机理的深入研究，为其理论模型的建立和优化提供基础支持，从而提升酶催化反应的效率。
2.生物传感器生物传感器是一种可以灵敏检测生物分子的装置，采用了表面等离子体共振技术的方法可以实现对样品中生物分子的检测和定量测定。
该方法极大地简化了传统生物分析方法的操作流程，极大地提升了检测灵敏度和准确性，适用于生命科学领域中的分子检测、药物筛选等领域。
3.化学反应动力学研究化学反应动力学研究是化学领域中极为重要的研究内容之一，既包括了反应物的生成速率、反应过程中的化学周期等方面。
互补地应用表面等离子体共振技术可以对该类反应进一步探究，更好地理解反应机理、剖析反应速度等关键问题。
4.化学降解物的测定化学降解是工业化学领域中一个重要的问题，如何准确地测量降解降之后的残留物，一直是化学领域中的难点问题之一。
利用表面等离子体共振技术，可以快速有效地检测工业化学反应中产生的化学物质，对降解物的鉴定提供了实验数据的支持。
结语表面等离子体共振技术的应用拓宽了化学领域中分子间相互作用的研究方法。
未来，在技术不断发展壮大的背景下，表面等离子体共振技术的应用前景必将更加广阔。
表面等离子体共振传感器在生物医学领域的应用
表面等离子体共振传感器在生物医学领域的应用表面等离子体共振传感器，在生物医学领域的应用表面等离子体共振传感器（Surface plasmon resonance, SPR）是利用金属表面等离子体共振（SP）现象，对于生物分子的相互作用进行实时、无标记、定量的检测技术。
其原理基于SP共振，即当入射角和金属表面成特定角度后，光能在金属表面形成SP波，与所检测样品的折射率变化相互作用，导致角度共振位移。
因此，SPR技术对于分析生物分子的相互作用具有一定的优势和应用前景。
本文将对表面等离子体共振传感器在生物医学领域的应用进行介绍和阐述。
一、基于SPR技术的生物分子检测SPR技术具有高灵敏度、高选择性、实时性等特点，已经成为生物分子相互作用研究和药物筛选的重要工具。
其中最常用的生物分子检测，是抗原-抗体相互作用。
抗原-抗体反应是一种非常常见的生物分子相互作用，在医学领域中应用广泛，例如快速检测病原体、检测血型和抗体等。
SPR技术能够实时、无标记、定量地检测抗原-抗体反应，不仅可以加速病原体的诊断，而且可以提高药物筛选的效率。
此外，SPR技术还可以检测如蛋白质、核酸、药物以及小分子化合物等生物分子，对于生物分子的研究有着重要的意义。
二、基于SPR技术的细胞检测随着人们对于细胞的研究越来越深入，SPR技术也逐渐应用于细胞的检测。
通过基于SPR技术的表面修饰，可以实现单个细胞生长状态及其组成物质的实时检测。
当前在细胞领域中SPR技术的应用主要集中在三个方面：1.细胞-细胞相互作用研究：SPR技术可以研究细胞和细胞之间的黏附、迁移和信号转导。
例如，SPR技术可以定量、实时地监测T细胞对肿瘤细胞的黏附，此外还可以研究肿瘤细胞之间的黏附及其与基质间的相互作用。
2.细胞-外部物质相互作用的研究：基于SPR技术的表面修饰，可以研究细胞表面和外部物质之间的相互作用。
例如，SPR技术可以研究病原体与宿主细胞之间的相互作用过程。
表面等离子体共振生物传感器
表面等离子体共振生物传感器（一）表面等离子体共振生物传感器的检测原理表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）实际上是一种物理光学现象。
简单地说，表面等离子体（SP）是由沿着金属和电介质间界面传播的电磁波形成的。
当平行表面的偏振光以称之为SP共振角入射在界面上，发生衰减全反射时，入射光被耦合入SP内，光能大量被吸收，在这个角度上SP共振引起界面反射光显著减少。
由于SPR对金属表面电介质的折射率非常敏感，不同电介质其SP共振角不同。
同种电介质，其附在金属表面的量不同，则SPR的响应强度也不同。
基于这种原理的生物传感器通常将一种具特异识别属性的分子即配体固定于金属膜表面，监控溶液中的被分析物与该配体的结合过程。
在复合物形成或解离过程中，金属膜表面溶液的折射率发生变化，随即被SPR生物传感器检测出来。
（二）SPR生物传感器的传感过程SPR生物传感器系统与其他光生物传感器系统一样，需要光源、光路、光电耦合器件或光谱分析设备、反应池、液流控制系统。
其整个传感过程如图-1所示。
生物分子相互作用的信息经敏感膜通过SPR 现象转换为光信号，再经光电信号检测与配套软件分析计算，最后得出实际所需的信息及相关参数。
图-1 表面等离子体共振生物传感器的检测流程（三）SPR生物传感器在检验医学领域的应用SPR技术用于生物学领域的研究，可以追溯到1983年，当年瑞典科学家Liedberg等首次将SPR技术运用于IgG抗体与其抗原相互反应的测定。
SPR生物传感器的研究从此全面展开并不断深入。
目前，SPR传感器的理论分析、器件研制和实用系统开发日趋完善。
作为传统的临床监控装置的一种补充仪器，SPR光学生物传感器发挥了越来越大的作用。
已证明了运用SPR生物传感器监测和定量测定患者血清中的生物药剂和抗体滴度的可行性，这项研究展示了SPR 生物传感器独特地适用于监控微弱的生物活性物质（10～1000μmol/L）的相互作用，而且能够在不需要膜表面再生的情况下连续地工作。
基于SPR技术的生物传感器课件
欢迎来到基于SPR技术的生物传感器课件！本课件将介绍SPR技术在生物传感 器中的应用，以及其优点、局限性和制备方法。让我们开始探索这个引人入 胜的领域吧！
什么是SPR技术？
表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）技术是一种基 于光学原理的生物传感器技术。使用SPR技术可以实时监测生物分子的相互作 用，例如蛋白质结合、药物筛选等。
SPR技术在生物传感器中的应用
1 生物分析
通过监测生物分子间的相 互作用，实现生物分析和 生物传感应用。
2 药物研发
在药物研发中，SPR技术 可用于评估药物与特定受 体的结合能力，加速药物 筛选过程。
3 环境监测
通过监测环境中的污染物 浓度，SPR技术可用于环 境监测和污染物检测。
SPR技术的优点和局限性
1. 样品预处理 2. 传感器芯片制备 3. 样品加载 4. 数据采集和分析
生物传感器在医学诊断中的应用
SPR生物传感器可以检测生物标志物的浓度，用于早期疾病诊断，如癌症标志物、感染性疾病标志物等的检测。
生物传感器在环境检测中的应 用
SPR生物传感器通过检测环境中的重金属、农药等有害物质浓度，用于环境监 测和污染防治。
SPR技术可以应用于多种生物样本和复杂 溶液中。
SPR生物传感器的应用案例
医学诊断
通过监测生物标志物的浓度， 实现疾病的早期诊断和疗效监 测。
环境检测
通过检测环境中的重金属、农 药等有害物质浓度，实现环境 监测和污染防治。
食品安全
通过检测食品中的有害物质和 食品添加剂，确保食品安全和 质量。
生物传感器操作流程
SPR生物传感器的检测原理
表面等离子体共振的原理及其应用
表面等离子体共振的原理及其应用简介表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种现代生物分子相互作用研究技术，该技术基于感测芯片表面与待检测样品中生物分子之间的互作用，通过检测共振角偏移量实现实时监测目标分子与生物集体之间的互作用过程。
SPR技术的研究不仅在基础科学领域有广泛应用，同时在生物医学研究、药物研发、生物传感器等领域也得到了广泛的应用。
原理SPR是一种表面等离子体共振现象，它发生在感测芯片表面和样品中的生物分子之间。
感测芯片表面一般涂覆上金属薄层，如50纳米左右的金膜，这样能让电磁波激发芯片表面产生等离子体振动。
当感测芯片表面上有生物分子与目标物质产生相互作用时，这种振动受到阻碍，产生了共振角偏移，这个角度的值和表面等离子体共振现象发生的位置和时间相关。
应用1.生物医学研究SPR技术可以实时监测酶动力学研究、抗体识别、蛋白质相互作用、细胞膜内递质运输、病毒侵入等方面的生物分子的相互作用过程。
这些过程的实时检测可以加深我们对于生物分子的行为和功能的认识。
2.药物研发SPR技术可以用于药物研发中药物分子和蛋白质相互作用的研究，从而评估药物分子的亲和性、特异性、疗效和毒性。
3.生物传感器SPR技术通过探测生物体内发生的分子相互作用，对真实样本中的生物分子进行实时监测。
因此，SPR技术被广泛应用于生物传感器的设计和研发，可以用于疾病预警、环境污染等方面的监测。
4.生物芯片SPR技术的应用在微流控芯片技术上比较广泛，可以实现高通量、精确、标本省、操作简单、自动化等方面的检测。
因此，SPR 技术被广泛应用于病原体检测、毒素检测、药物筛选等方面，可以为医学诊断提供新的手段。
结论SPR技术是一种快速、准确、敏感的生物分子相互作用检测技术，在生命科学研究和生物医学领域有广泛应用，同时也是生物芯片和生物传感器等技术的核心。
随着新兴技术的不断涌现，可以预见，SPR技术在生命科学和生物医学领域会有更广阔的应用前景。
表面等离子体共振传感器在食品安全中的应用
表面等离子体共振传感器在食品安全中的应用一、前言随着人们对食品安全越来越重视，快速、准确检测食品中的有害污染物质成为了当代食品安全监管的重要任务。
表面等离子体共振传感器作为一种新型的生物传感器技术，被广泛应用于食品中致癌物质、残留农药、微生物等污染物质的检测中。
二、表面等离子体共振传感器的原理表面等离子体共振传感器（surface plasmon resonance sensor, SPR）是一种重要的生物传感器，它是一种基于物理原理的全新生物分子检测技术。
它利用金属膜表面的等离子体振荡模式感知样品分子的变化，具有高灵敏度、实时检测和无需标记等特点。
表面等离子体共振传感器的基本原理是：在金膜上引入细胞膜蛋白、酶、核酸或抗体等分子，待检测样品通过金膜表面时，分子间的相互作用导致膜上等离子体共振谱发生变化，通过检测变化可获取样品分子的信息。
三、表面等离子体共振传感器在食品安全中的应用1. 残留农药检测残留农药是当前食品安全的重要问题之一。
传统的检测方法需要花费大量时间和成本。
表面等离子体共振传感器可以通过检测农药对抗体和抗原间的相互作用，实现对不同农药残留的鉴定与检测。
该技术可以快速准确检测多种农药，并有效避免了传统方法中化学试剂的使用，减轻了环境污染和检测成本。
2. 食品中的致癌物质检测致癌物质是食品安全的重要威胁之一，传统的检测方法需要使用较多的化学试剂，能够带来较大的环境污染和生命风险。
表面等离子体共振传感器可以通过检测样品中致癌物质与金膜表面共振谱的变化，对食品中的致癌物质进行实时检测。
该技术具有检测快速、准确度高、无需前处理等特点，并可以广泛应用于海产品、水果、蔬菜、肉类等食品领域。
3. 微生物检测食品中的微生物危害巨大，传统的检测方法需要很长时间来培养和识别。
表面等离子体共振传感器可以通过检测样品中微生物对金膜表面等离子体振荡的影响，实现对多种微生物的快速检测。
该技术可以应用于食品、环境卫生、医疗卫生等领域，并具有非常高的检测灵敏度和准确性。
表面等离子共振技术特点
表面等离子共振技术特点
表面等离子共振技术（SurfacePlasmonResonance，SPR）是一种用于研究生物分子相互作用的强大技术。
该技术基于表面等离子体共振现象，利用特殊的传感器芯片和检测系统，可以实现实时监测生物分子相互作用的动态过程，如蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸、受体-配体等分子相互作用。
SPR技术具有以下特点：
1. 实时性：SPR技术可以实时监测生物分子相互作用的动态过程，无需标记，避免了标记分子对样品的影响。
2. 灵敏度：SPR技术具有极高的灵敏度，可以检测到非常低浓度的样品，一般可达到10-9mol/L级别。
3. 选择性：SPR技术可以实现对生物分子特异性的检测，可以区分不同的生物分子，并且可以实现对多个生物分子的同时检测。
4. 高通量：SPR技术可以实现高通量的样品检测，同时检测多个生物分子，提高实验效率。
5. 简便易用：SPR技术操作简便，不需要复杂的样品制备和处理步骤，适用于不同的生物样品。
由于SPR技术具有以上特点，已经广泛应用于药物筛选、生物分子互作机制研究、生物传感器等领域，成为生物分子研究和开发的重要手段。
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用金属纳米粒子的表面等离子体共振效应原理而 研制的新型生物传感器。
特点：
实时监测反应的动态过程，测定反应的动力学常数。 分析生物样品时无需标记。
灵敏度高，抗背景干扰能力强。 待测物无需纯化。
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1.实时监测反应的动态过程，测定反应的动力学常数
• 这是表面等离子体共振传感技术具有巨大吸引力的重要原因。表 面等离子体共振传感器常用来监测生物反应的动态过程，如各种 生物分子的相互作用，生物分子和小分子间的相互作用等，可以 获得动力学常数、离解常数、甚至分子构型变化等信息。
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3.灵敏度高，抗背景干扰能力强
• 表面等离子体传感器是根据消失波原理构造的，由于消失波的电场 在界面处被放大，因此表面等离子体共振传感器的测量灵敏度很高， 同时，消失波进入光疏介质的深度有限，也就是说，消失波只能反 映界面附近的变化而看不到背静止的变化，因此该类传感器抗背景 干扰的能力很强。但这一点也限制了表面等离子体共振传感器只能 检测敏感膜表面一层的变化。
4.待测物无需纯化
• 抗原-抗体、酶-底物、生物素-抗生物素等超分子识别体系的专一性 很强，用表面等离子体共振传感技术可直接分析生物样品而不需要 进行预处理和纯化。血清、尿液、组织培养液、细胞或细胞膜抽提 液等均可直接进样。非特异性吸附一般很容易洗脱，对测定的影响 很小。不过在非特异性吸附很牢以致难以洗脱时，表面等离子体共 振传感器是无法分辨出来的，也是这类传感器的一大局限。
生物传感器（biosensor）：
• 是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的 仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗 体、抗原、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如 光敏管、场效应管等）及信号放大装置构成的分析工具或系 统。
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表面等离子体共振生物传感器
？
·定义： 表面等离子体共振生物传感器（SPR)是运
表面等离子体共振现象
表面等离子体共振是一种物理光学现象。表面等离子体 (SP) 是沿着金属和电介质间的界面传播的电磁波形成的， 形成 SPR 的必要条件之一是金属与电介质界面的存在。当 平行表面的偏振光以称之为表面等离子角的入射角照在界 面上发生全反射时，入射光被耦合入表面等离子体内 , 在 这个角度由于表面等离子体谐振将引起界面反射率显著减 少。 SPR 对附着在金属表面的电介质的折射率非常敏感， 而折射率是所有材料的固有特征。因此，任何附着在金属 表面上的电介质均可被检测，不同电介质其表面等离子角 不同。而同一种材料，附着在金属表面的量不同，则 SPR 的响应强度不同。
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根据上述原理， SPR 生物传感器通常将已知的生物分子 （如单键DNA分子）固定在几十纳米厚的金属（金、银等） 膜表面，加入与其互补的目标生物分子（如目标DNA）， 两者结合（杂交）将使金属膜与溶液界面的折射率上升, 从 而导致谐振角改变，如果固定入射角度，就能根据谐振角 的改变程度对互补的目标生物分子进行定量检测。
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基本结构
表面等离子体共振生物传感器主要包括光
学系统、敏感元件、数据采集和处理系统。
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等离子体与表面等离子体
等离子体（plasma）：
• 又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电 离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于 德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支 配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常 被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
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2015.11.09
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实例一、在食品安全中的应用
山东农业大学王曼丽等人利用 SPR 生物传感器检测食 品色素——柠檬黄。实验者建立了傅里叶-表面等离子体共 振传感器检测食品色素柠檬黄的方法。他们利用柠檬黄与 柠檬黄小鼠单克隆抗体之间特异性结合的原理，将碳酰二 亚胺盐酸盐法制备出的柠檬黄-牛血清白蛋白偶联物结合到 传感器芯片上，通过溶液竞争法检测柠檬黄，建立了标准 曲线，获得检出限13μg/L；研究了pH值对检测的影响，得 到 pH7.4 为适宜的体系酸度 ; 回收实验、实际样品检测及干 扰实验的结果表明，这种方法对柠檬黄有高选择性。与紫 外检测方法相比较，这一方法对柠檬黄具有很高的选择性， 且限度较低，具有较高的使用价值。
2.分析生物样品时不需要标记
• 这是表面等离子体共振传感技术吸引人的又一个重要原因。现有 的各种生物分析方法，大多需要对样品进行标记，如荧光标记、 酶标记以及放射性同位素标记等，以便获得易于检测的信号变化。 标记的手续一般比较繁琐、费时，且常会使生物样品失活。表面 等离子体共振传感器可将待测样品吸附在敏感膜表面直接进行检 测，无需标记，更便于客观地反映样品的实际情形。
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表面等离子体共振生物传感器的应用
此外，表面等离子体共振生物传感器还被用于很多方 面的测定，包括环境中重金属离子的检测以及环境中农药 的检测。 SPR 生物传感器还可用于 HIV 病毒的研究，以及 疫苗的设计和研究等等等等…… SPR生物传感器以其检测快速、免标记、高灵敏度等 优点,已经在生命科学、医药领域、食品安全以及环境监测 等方面取得了广泛的应用。相信随着科学技术的发展及科 研工作者的不断努力， SPR 生物传感器将会得到更广泛的 应用和发展。
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表面等离子体共振生物传感器的应用
由于表面等离子体共振生物传感器具有免标记、
快速、实时、检测无损伤等优点，加之SPR芯片不 需要标记就可对分子间的相互作用进行实时监测， 近几年来其相关应用日趋广泛，包括生命科学领 域，医药学领域、食品安全领域、农业生产领域 以及环境科学领域等等。
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参考文献
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悬梁
工作原理
发展历史 应用
展望
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传感器与生物传感器 传感器（sensor transducer）：
• 是一种能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一 定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足 信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的检测 装置。
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表面等离子体共振生物传感器的挑战
为了使 SPR 生物传感器得到更加广泛的应用，未来研 究的主要方向应集中在以下几个方面： （1）降低仪器成本，使仪器微型化、便携化； （2）优化SPR生物传感器光学结构和数据处理方法，提高 仪器的分辨率及灵敏度； （ 3 ）设计新型传感器芯片，减少非特异性吸附，提高稳 定性； （4）探索合理有效的芯片再生方法，降低实验成本； （5）开发多通道、多组分识别SPR生物传感器，提高检测 效率和灵敏度； （6）发展SPR生物传感器与质谱、气相色谱、液相色谱等 仪器的联用技术，扩大应用范围。
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表面等离子体共振生物传感器的缺点
过去的二十年中，SPR生物传感器以其独特的优势在 生命科学、医药学、食品安全、环境监测等方面的应用取 得了快速发展。国际上商品化的 SPR 生物传感器种类也日 渐增加。但是， SPR 生物传感器与传统的检测技术相比， 仍然存在不足，例如仪器昂贵、体积过于庞大、对于小分 子物质的检测浓度有限，检测芯片用量大等。
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实例二、在生命科学中的应用
湖南大学王柯敏等人将表面等离子体生物传感器用于 乙肝表面抗原的测定。他们运用自行研制的表面等离子体 子共振生物传感器，采用自组装成膜技术并以戊二醛作偶 联剂，在传感片表面修饰乙肝表面抗原（HBsAg）单克隆 抗体，将其用于 HBsAg 的检测。实验结果表明 SPR 生物传 感器对HBsAg的检出限为0.06ng/mL。与传统的酶联免疫吸 附试验（ELISA）相比，SPR生物传感器的检出灵敏度明显 高于ELISA法。用该SPR生物传感器对HBsAg质控血清与纯 化的 HBsAg 溶液进行比较检测，结果表明该 SPR 生物传感 器对HBsAg具有好的特异选择性。
表面等离子体（surface plasmons, SPs）：
• 是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界面 方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。表面 等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向， 它受到了包括材料学家，化学家，物理学家，生物学家等 多个领域人士的极大的关注。
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传感过程 整个传感过程包括:
• （1）生物分子的相互作用；
• （2）敏感层电介质变化（介电常数折射率改变)；
• （3）传感器电磁场变化（反射光波衰减波）； • （4）光电信号检测；
• （5）信号的连续检测与分析。
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表面等离子体共振技术的发展历史
·1902年，Wood在光学实验中首次发现了表面等离子共振 现象； ·1941年，Fano根据金属和空气界面上表面电磁波的激发 解释了这一现象； ·1971 年， Kretschmann 研究的 Kretschmann 结构为 SPR 生 物传感器奠定了基础； ·1982 年， Nylander 等人首次将 SPR 技术用于免疫传感器 领域； ·1990 年， Biacore AB 公司开发的第一台 SPR 传感器问世， 从此SPR传感器就逐渐发展成为了一个新的研究领域。