表面等离子共振传感器
表面等离子体共振传感器测试仪器的设计与优化
表面等离子体共振传感器测试仪器的设计与优化随着科技的不断发展，表面等离子体共振传感器作为一种新型的生物传感器，具有广泛的应用前景。
然而，为了能够更精确地检测和测量样品中的生物分子浓度，设计和优化表面等离子体共振传感器测试仪器至关重要。
本文将对表面等离子体共振传感器测试仪器的设计和优化进行探讨。
首先，设计一个高效而稳定的光学系统对于表面等离子体共振传感器测试仪器至关重要。
在光学系统中，光源和光学检测器是最基本的元件。
光源可以选择具有波长稳定性和较高功率的激光器，以确保光信号的强度和稳定性。
同时，适当的滤光片和光栅衍射器可以实现波长选择和光谱调节，以便实现不同样品的测试。
在光学检测器方面，CCD相机被广泛应用于表面等离子体共振测试仪器中，因其高分辨率、低噪声和高灵敏度。
此外，还需要考虑光纤耦合的方式，以便将光信号传输到样品和检测系统之间。
其次，在样品接触和流体控制方面要进行设计优化。
对于表面等离子体共振传感器的测试，样品与激光光束之间的接触至关重要。
因此，设计适当的样品接触装置可以保证光束与样品之间的最佳耦合效果。
这可以通过使用气动驱动的样品夹具或浮悬系统来实现。
流体控制也是关键因素之一，可以使用定量泵和阀门来控制样品流动速度。
此外，还需要考虑如何减小系统的体积，以便与微流控芯片等微型设备结合。
第三，数据采集和信号处理是表面等离子体共振传感器测试仪器中的关键要素。
传感器测试仪器可以通过采集干涉光谱或散射光谱等光学信号来测量样品中的生物分子浓度。
然而，这些信号往往具有较小的幅度变化，因此需要进行放大和滤波。
放大器和滤波器的选择要考虑到信噪比和频率响应等因素。
为了准确测量，还需要进行数据标定和校准。
数据采集和信号处理系统应具备较高的采样率和动态范围，以适应不同样品的测量要求。
最后，表面等离子体共振传感器测试仪器的设计与优化还需考虑实验参数的控制和自动化。
实验参数的控制和调节直接影响到测试结果的准确性和可重复性。
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。
表面等离子体共振传感器技术
表面等离子体共振传感器技术表面等离子体共振传感器（Surface Plasmon Resonance Sensor，SPR）技术是一种高灵敏度、高特异性的生物分析方法。
该技术基于等离子体共振现象，通过监测表面等离子体波的共振现象，实现对样品分子浓度、相互作用强度和亲和力等参数的测量。
SPR技术的基本原理是通过一种特殊的金属膜与样品接触，当样品分子在金属膜上发生离子交换时，会引起金属表面的等离子体共振现象发生变化，从而导致样品的浓度、亲和力和相互作用强度等参数发生变化。
SPR技术的优点之一是其高灵敏度。
由于等离子体共振现象与样品分子的密切接触有关，因此即使是微小的分子变化也能够被SPR技术所测量。
另外，SPR技术还具有高特异性，由于特定的样品分子与特定的生物大分子之间会形成特定的亲和力和相互作用强度，因此SPR技术可以非常准确地区分不同种类的分子。
除此之外，SPR技术还具有非常广泛的应用领域。
目前，SPR 技术已经被广泛应用于药物筛选、疾病诊断、食品安全、环境监测等多个领域。
通过SPR技术，可以快速、准确地检测出样品中的各种物质，从而为生命科学研究和医疗保健领域带来了重要的技术突破。
在SPR技术的应用中，最常用的是基于表面等离子体共振现象的生物传感器技术。
通过将生物分子固定在金属膜上，并用特定的方法识别和测量其与其他生物分子的相互作用强度和亲和力等参数，从而实现对特定生物分子的检测和分析。
这种传感器技术在化学、生物学、医学等多个领域中都有广泛的应用，对于快速、准确地检测样品中的分子有着重要的价值。
在生物传感器技术中，共振微型芯片（SPR芯片）是SPR技术中的核心部分。
共振微型芯片通常由金属膜和玻璃基板构成，其中金属膜上固定着特定的生物分子，与此同时，在金属膜上的等离子体波可以被光束所感知。
当样品溶液通过共振微型芯片时，样品分子会与固定在金属膜上的生物分子发生特定的相互作用，引起等离子体波的共振位移，进而实现对样品的检测。
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。
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。
基于表面等离子体共振的生物传感器技术
基于表面等离子体共振的生物传感器技术是一种非常有前途的技术，它可以用于医学诊断、环境监测、食品安全等领域。
在最近几年，随着技术的不断发展，表面等离子体共振技术进入了一个新的阶段，使得传感器的灵敏度和选择性有了很大提高。
表面等离子体共振生物传感器是一种利用表面等离子体共振效应的传感器，其传感层通常是一层具有生物亲和性的化合物，例如抗体、DNA或RNA。
它通过检测样品中分子与传感层的结合情况来诊断或分析样品中的成分，从而实现了生物样品的快速检测和分析。
表面等离子体共振生物传感器的传感原理是基于光学现象。
在基板上沉积一层金属薄膜，这层金属薄膜能够形成一种表面等离子体波，当被测样品与传感层结合时，由于样品中分子的折射率不同，这会导致传感层上的等离子体波发生改变，通过检测等离子体波的变化，就可以获得样品的相关信息。
表面等离子体共振生物传感器有许多应用，例如制药领域。
预测试验时，传感层常常是涂在晶片上，晶片是由纽约大学的John T. McDevitt和纽约市圣文森特医疗中心的研究员共同研制的，这个晶片可以在几分钟内检测出肌肉萎缩侧索硬化症(ALS)的患病程度。
此外，表面等离子体共振生物传感器还可以用来监测水质，检测食品中的化学物质、微生物等。
然而，表面等离子体共振生物传感器技术也面临一些挑战。
首先，传感器灵敏度不高，检测出的成分浓度与人工实验室检测有比较大的误差。
其次，传感器对于样品的前处理要求较高，如果样品中含有非特异性的化合物，则会干扰传感器的检测结果。
此外，表面等离子体共振生物传感器也需要完善的生物亲和层，才能更好的应对实际应用场景中的分子识别问题。
总之，表面等离子体共振生物传感器技术是一种应用前景广泛的技术，它可以在医疗、环境和食品安全等领域发挥作用。
随着技术的不断发展，未来将进一步提高传感器的灵敏度和选择性，完善传感层和生物亲和层，将这项技术应用于更广泛的领域。
表面等离子体共振传感器的应用研究
表面等离子体共振传感器的应用研究表面等离子体共振传感技术是一种基于光学原理的分析技术，能够用于检测分子间的相互作用、蛋白质结合以及生物分子的定量分析等。
其工作原理是将待测样品的分子吸附到金属膜上，当金属膜的共振条件满足时，就会出现共振现象，这种共振现象能够被传统的光学检测方法所探测到，并用于检测样品分子的特性。
表面等离子体共振传感技术的主要优点是非常灵敏，并能够快速获取样品信息。
其灵敏度远高于传统的方法，因为等离子体共振只在非常薄的金属膜表面产生，所以只需要非常少的样品就可以获得比较准确的结果。
此外，表面等离子体共振传感技术不需要使用任何标记物，因此对样品几乎没有影响。
表面等离子体共振传感技术的应用范围非常广泛，例如生物医学、环境监测、食品安全、生态农业等领域。
在医学领域，它被广泛应用于检测体液中的蛋白质、药物和细胞分子等，能够帮助医生对癌症、病毒感染等疾病进行更准确的诊断和治疗。
在环境监测领域，它能够检测水和空气中的污染物，进而保障环境安全。
在食品安全领域，它被用于检测食品中的残留物和添加剂等，以保障人们的健康。
在生态农业领域，它则被用于检测农作物的种植环境、肥料的使用和农药的残留等，以提高农产品的质量和安全性。
尽管表面等离子体共振传感技术非常有前途，但仍然存在一些挑战。
其中，最大的问题是特异性的问题。
由于金属膜表面有很多生物分子吸附，使得信号被干扰的可能性很大，因此需要采用特异性高的探针来减少干扰。
此外，还需要提高该技术的可重复性和稳定性，以保证结果的准确性和可靠性。
总之，表面等离子体共振传感技术是一种灵敏的分析技术，具有广泛的应用前景。
虽然该技术还存在一些挑战，但随着科研技术的进步，相信会取得更多的突破。
新型局域表面等离子体共振传感器及其在化学和生物领域的应用
新型局域表面等离子体共振传感器及其在化学和生物领域的应用背景传感器是一类用于检测环境中特定物质的仪器，这些物质可以是化学物质、生物分子和其他粒子。
传感器已广泛应用于医学、环境分析、化学研究等领域，并在各个领域中发挥着重要的作用。
在过去的几十年中，各种类型的传感器被开发出来，其中包括电学传感器、光学传感器、生物传感器等。
这些传感器各有优点和缺点，但最近提出的一种新型局域表面等离子体共振传感器（LSPR）在化学和生物领域中被广泛研究和应用。
原理LSPR传感器是一种基于等离子体共振的传感器。
等离子体是一种物质，它的电子被激发到高能态而被离子化。
等离子体共振是指当光照射到金属表面时，表面的自由电子会产生共振，并且会吸收特定波长的光。
共振吸收的强度取决于金属颗粒的大小、形状和组成等因素。
当LSPR传感器表面覆盖了化学物质或生物分子时，这些物质会影响周围的电磁场，并改变LSPR共振吸收的特定波长的强度。
因此，观察这些特定波长的吸收带可以检测到化学物质或生物分子的存在和浓度。
应用化学LSPR传感器已被广泛用于检测环境中的化学物质，如有机化合物和金属离子等。
一些研究人员利用LSPR传感器检测水中有毒金属离子的含量，如汞、镉等。
他们制备了一种镉离子敏感的LSPR传感器，该传感器使用环氧树脂将纳米颗粒稳定在玻璃基底上，表面修饰了含硫官能团的有机分子，用于感受镉离子的存在。
另一个研究团队则使用LSPR传感器检测含有机酸的地下水。
他们制备了一种银纳米棒基的LSPR传感器，利用其对有机酸的高灵敏度，可检测含有机酸的地下水中的有害成分。
生物LSPR传感器可以用于检测生物分子，如蛋白质、核酸和细胞等。
在医学研究中，LSPR传感器被用来检测生物分子的存在，以提供诊断和治疗方案。
例如，研究人员已利用LSPR传感器检测人类血清中糖蛋白（PSA）的浓度，PSA可以用于前列腺癌的早期诊断。
他们制备了一种银纳米棒的LSPR传感器，表面修饰了特定的抗体来识别PSA。
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• Kretschmann 型装置是将几十纳米厚的金 属薄膜直接覆盖在棱镜的底部, 待研究的介 质在金属薄膜下面, 消失波透过金属薄膜, 在1/2 界面处发生表面等离子体子共振。金 属薄膜的厚度会对测定结果产生重要影响, 因为它直接影响在界面1/2 处消失波电场强 度的大小。
SPR 实验装置
• 将光波与表面等离子体子耦合并使其发生 共振, 必须使用耦合器件。常用的耦合器件 主要有棱镜( Otto 型[ 1] 和Kretschmann 型 [ 2] ) 、光纤[3] 和光栅[ 4] 三种类型, 此外还 有通道波导[ 5] 等
棱镜型
• 两种装置检测的都是P 偏振入射光的衰减全 反射, 均使用三角形或半球形棱镜，
• 但因光栅分辨率较低, 不能真实反映体系共 振波长的微小变化, 使灵敏度受到了限制。 最近, 我们将由棱镜折射出的光聚焦进入一 米光栅单色仪, 分光后用光电倍增管进行检 测。由于一米光栅单色仪具有更高的分辨 率, 因此传感器有更高的灵敏度。
表面等离子共振传感器
王增垚
表 面 等 离 子 体共 振
• 表面等离子体子共振是一种物理光学现 象。利用光在玻璃界面处发生全内反射时 的消失波，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，表面等离子体子与 消失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）。
等离子体子的概念
• 表面等离子体子是指金属表面沿着金属和 介质界面传播的电子疏密波，形成表面等 离子体子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。 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 ）。
电磁波入射单层膜的反射率
• 当光波在两种不同物质的界面上发生反射 和折射时，入射波将在界面上分解为一个 反射波和一个折射波或透射波。此时，将 遵守折射定律N0Sinθ0 = NISinθ1
• N0，NI分别为两种介质的复折射率;θ0为入 射角;θI为折射角。
• 在SPR实验中，常常是N0和N1保持恒定， 而只改变样品的N ，
• 光源发出的复色光, 经过由 2 个透镜和 1 个 偏振片组成的平行偏振光管后, 变成平行偏 振光,以一定的角度照射到棱镜侧面, 经折射 后光线到达棱镜底部。底部外侧镀有一层 厚 50nm 的金属薄膜,流通池密封在薄膜下 面。光线在棱镜与金属界面处发生全内反 射, 然后从棱镜的另一个侧面折射出去, 并 通过一个透镜聚焦耦合进入光纤。光纤将 信号光传输至光栅和电荷耦合器件 ( CCD) 检测器。
• 若厚度超过消失波的有效深度, 则消失波在 金属膜内会有很大衰减, 不能到达1/2 界面。 若金属膜过薄, 不能达到最佳共振效果。
SPR装置图
• 采用固定入射角而改变波长的模式。这样 既避免了改变角度模式需要转动整个仪器 的问题, 又克服了用点光源时测量角度有限 的缺点。下面是我们采用固定入射角改变 波长工作模式的 SPR 装置示意图。
• 因消失波的存在，光线在界面处的全内反 将产生一个位移D，即将沿X轴方向传播一 定距离。若光疏介质很纯净，在没有吸收
和其它损耗的情况下，则全内反射强度并 不会被衰减，消失波沿光疏介质表面在. 方 向传播约半个波长，再返回光密介质。 反
之，光能会损失，反射率R也将小于 1。
• 能量损失有两条途径，一 个是吸收介质对 能量的吸收，其能量损失程度与介质的吸收 系数有关，这样引起的能量损失称为衰减全 反射（ATR）；
• 另一个是非吸收性透明物质的存在，使一 部分入射光透过反射面而发散，其能量损失 程度与介质的折射率有关，这样引起的能量 损失称为受抑全反射（FTR）。
• 实际工作中，两种情况往往会同时发生，我 们将其统称为衰减全反射。
表面等离子体ห้องสมุดไป่ตู้共振
• 电磁波发生共振的条件就是两个波具有相 同的频率和波矢 （即波长），且传播方向 一致。若消失波与表面等离子体子的频率 和波矢相同，则二者将发生共振。共振时， 界面处的全反射条件将被破坏，呈现衰减 全反射现象，即反射率出现最小值 。
全内反射
• 当一束光线从光密介质r0向光疏介质r1传播 时，在两种介质的界面，光线将发生折射 和反射。当入射角增大到某一临界值θc时， 折射角等于90º，入射光线将不会进入另一 介质，而全部被反射回入射介质中，称为 全内反射。
衰减全反射
• 并当不θ0立>θ即c时消,电失磁，场而在是反透射射面进的入外第侧二（种z介>质0） 一定深度，且其振幅随z按指数衰减,这种电 磁波叫消失波。
偏振光
• 一束光倾斜照射到介质表面，入射光和介 质表面法线构成入射面。入射光波的电场 可分解成两个相互正交的偏振光分量，在 入射面内的称为TM波或p 偏振波，垂直于 入射面称为TE波或s 偏振波。由于s 偏振光 的电场与界面平行，因此电子的运动并无 障碍，不会激励起表面等离子体子。
• p偏振光的电场垂直于界面，可感 生表面电 荷，并形成局限于表面的 表面等离子体子， 因 此，产生表面 等离子体子共振的必要条 件之 一， 是入射光波要经过偏振器起偏， 且 需在光路中有效利用p偏振光 。
• 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。自 从Liecberg将 SPR技术用于化学传感器研究领域以来， SPR传感器逐渐成为国际传感器领域的研 究点。我 国开展SPR传感器的研究较晚 ， 尚处于起步阶段 。
传感器的特点
• 由于SPR技术具有能实时监测反应动态过 程、分析样品不需要纯化、生物样品无需 标记、灵敏度较高、无背景干扰等特点 ， 而且比如电化学方法、表面物理化学方法、 光声光 谱和光热偏转光谱法、质谱法与 SPR的联用，改进了SPR方法的性能，提 高了灵敏度，拓宽了SPR方法的应用领域 。