表面等离子共振原理
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表面等离子共振技术
05医学实验 马吟醒 朱倩 薛夏沫 黄辰
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。
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
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
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。
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
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。
Ready：亮/灭 Error：亮/灭 Temperature：稳定/闪烁 Sensor Chip：稳定/闪烁 Run：亮/灭
Biacore 3000的温度控制系统
SPR 技术的应用
黄辰90513125
物理学应用
生物学应 用
化学应用
物理学应用
若某种物理量会引起特定敏感膜折射率 的变化，就可以采用SPR 传感技术进 行检测。
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
(源自文库)
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
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
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。
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
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
Biacore 3000液体处理系统
Biacore 3000的LED状态指示器
LED（light-emitting diode）
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。
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
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
朱倩 90513126
Biacore Control
工作仪器
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
Biacore 3000核心部件
Biacore 3000的光学系统
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
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
例如，基于温度变化引起特定敏感膜的 吸湿量变化，并导致其折射率变化，从 而利用SPR 传感技术进行检测的湿度 传感系统，以及基于氢化无定型硅的热 光效应的温度传感系统等。
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
05医学实验 马吟醒 朱倩 薛夏沫 黄辰
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。
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
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
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。
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
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。
Ready：亮/灭 Error：亮/灭 Temperature：稳定/闪烁 Sensor Chip：稳定/闪烁 Run：亮/灭
Biacore 3000的温度控制系统
SPR 技术的应用
黄辰90513125
物理学应用
生物学应 用
化学应用
物理学应用
若某种物理量会引起特定敏感膜折射率 的变化，就可以采用SPR 传感技术进 行检测。
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
(源自文库)
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
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
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。
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
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
Biacore 3000液体处理系统
Biacore 3000的LED状态指示器
LED（light-emitting diode）
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。
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
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
朱倩 90513126
Biacore Control
工作仪器
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
Biacore 3000核心部件
Biacore 3000的光学系统
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
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
例如，基于温度变化引起特定敏感膜的 吸湿量变化，并导致其折射率变化，从 而利用SPR 传感技术进行检测的湿度 传感系统，以及基于氢化无定型硅的热 光效应的温度传感系统等。
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