表面等离子共振原理
分析表面等离子体共振技术的基本原理
分析表面等离子体共振技术的基本原理表面等离子体共振技术（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种用于研究生物分子相互作用的生物传感技术，它基于表面等离子体共振的物理原理，具有高灵敏度、实时监测和无需标记等优点，被广泛应用于生物医学研究、药物筛选和质量控制等领域。
一、表面等离子体共振的物理原理表面等离子体共振是指光波在一种介电常数大于金属的介质（通常是玻璃或金属表面）与金属的界面处发生的等离子体激发。
在这种激发条件下，由于光波没有能量损失，因此能够引起表面电子的共振激发，从而引起透射光强度的变化。
SPR是一种以物理方式研究生物分子间相互作用的技术。
表面等离子体共振技术通常使用SPR仪器来设计，并确定生物分子间相互作用的强度和动力学性质。
这种技术使用及其灵敏的检测方法来区分传感器芯片表面的分子权威生物化学分析，同时为研究人员提供实时的数据。
二、SPR技术的原理SPR技术通过监测生物分子与传感器芯片表面相互作用而进行检测。
SPR技术利用表面等离子体共振现象，即金属表面存在电荷共振吸收作用，当光线垂直射入金属极薄薄膜（约50Å）中，根据金属介电常数的变化引起的反射光的变化，来监测生物分子的结合和解离过程。
SPR技术使用的传感器芯片是由金属薄膜覆盖的玻璃片制成，常见的金属有银(Ag)、铝(Al)等。
当光波垂直入射时，部分能量会与金属表面接触并形成一种表面电磁波，这种电磁波被称为表面等离子体波（Surface Plasmon Wave，SPW）或表面等离子体共振。
当有生物分子特异性结合到传感器芯片表面上时，会引起介电常数的变化，从而改变表面等离子体波的性质，这种变化可以被SPR仪器实时记录并提供动力学参数（关联常数、构象变化、解离常数）来定量分析生物分子间的相互作用。
三、SPR技术的优点和应用SPR技术具有高灵敏度、实时监测和无需标记等优点，被广泛应用于生物医学研究、药物筛选和质量控制等领域。
表面等离子体共振的原理
表面等离子体共振的原理
一、表面等离子体共振的原理
表面等离子体共振实际上指的是表面等离子体（SPR）的一种特性，它是一种银膜上的金属表面，当一种特定的光被照射在金属表面上时，会发生等离子体拉曼散射，这种散射的角度和金属表面和它上面覆盖物的有机分子吸附量有关，当有机分子吸附在金属表面上时，它会引起表面等离子体的共振。
这种现象又被称为表面共振强度或表面等离子体共振效应（SPR）。
表面等离子体共振的原理主要可以归结为以下三个主要的现象。
1、表面等离子体拉曼散射（SPR）：表面等离子体拉曼散射（SPR）是指在表面上照射一定波长的光时产生的一种特殊的散射现象，这种散射的角度和表面层和它上面覆盖物的厚度有关。
当表面有机分子在金属表面上吸附时，会引起表面等离子体拉曼散射。
由于表面等离子体拉曼散射的角度会随着厚度或吸附分子的变化而变化，因此，可以通过测量这种角度的变化来确定有机分子的厚度及吸附数量。
2、表面共振强度：表面共振强度是指入射到表面时，在特定波长范围内出现的反射波强度比现象。
当表面有机分子吸附量到达一定的特定的值时，金属表面的反射率会突然增加。
这种现象被称为表面共振现象，表面共振现象可以用来探测表面有机分子的变化。
3、表面等离子体效应：当表面有机分子吸附量到达一定的特定的值时，穿过金属表面的光的折射率会发生变化。
这种现象被称为表面等离子体效应，可以用来探测表面上有机分子的变化。
总的来说，表面等离子体共振的原理是表面有机分子变化会引起表面等离子体拉曼散射、表面共振强度以及表面等离子体效应的变化，从而可以探测表面上有机分子的变化。
表面等离子体共振原理及其化学应用
表面等离子体共振原理及其应用李智豪1.表面等离子体共振的物理学原理人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。
1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。
后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。
由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。
1.1 基本原理[1]光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。
等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。
当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。
对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。
金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。
这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场的增强效应等。
表面等离子共振原理
表面等离子共振原理
等离子共振是一种特殊的物理现象，它与表面的结构和波长相互作用，使波长与表面等离子体相吻合。
在等离子体激发下，电场增强在介质界面产生共振效应。
这种共振可用于增强表面敏感的光谱分析和传感器技术。
表面等离子共振可以应用于多种领域，例如生物医学、化学和物理学等。
在生物医学中，表面等离子共振可以用于检测和诊断疾病。
通过在表面上引入特定的生物分子，当这些分子与病原体或肿瘤标记物结合时，可以通过共振现象来检测其存在和浓度。
在化学研究中，表面等离子共振可用于研究反应机制和分子结构。
通过将反应物固定在表面上，可以利用共振现象来观察反应的动力学和热力学过程。
同样地，由于表面等离子共振对分子结构的敏感性，可以通过分析共振现象来确定分子的结构和构型。
在物理学研究中，表面等离子共振可以应用于光学器件的设计和制造。
通过利用共振现象，可以将光波聚焦到表面上，提高光学器件的灵敏度和效率。
此外，表面等离子共振还可以用于光子晶体、纳米颗粒和表面等离子共振谐振结构的研究。
总的来说，表面等离子共振原理在科学研究和工程应用中具有重要的意义。
通过利用共振效应，可以实现高灵敏度的光谱分析和传感器技术，为相关领域的发展和进步提供了重要的工具和理论支持。
表面等离子体共振技术的原理和应用
表面等离子体共振技术的原理和应用表面等离子体共振技术（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）是一种现代分析技术，主要用于检测生物分子相互作用。
该技术基于表面等离子体共振现象，通过测量试样与金属表面的相互作用，从而推断出与试样相互作用的生物分子的性质和相互作用力的强度。
表面等离子体共振现象是指当有一束光线斜入垂直于金属表面时，会与金属表面上的自由电子相互作用产生共振，这种共振就是表面等离子体共振。
而当试样溶液在金属表面形成一层薄膜时，这层薄膜的折射率会影响共振的位置和强度，因此可以检测到试样与金属表面的相互作用。
SPR技术的检测原理是通过将金属薄膜与含有生物分子（例如蛋白质）的溶液相接触，从而使生物分子吸附在金属薄膜表面，进而测量吸附和解离过程中的表面等离子体共振信号变化。
通常情况下，自发结合和亲和力大的生物分子会在金属表面上呈现强信号，在SPR曲线上表现为峰；而不结合或结合较弱的生物分子，其曲线相对平坦，表现出较小的信号。
SPR技术的应用SPR技术具有广泛的应用，特别在生物医学、生物化学和生命科学领域具有重要意义。
以下是一些SPR技术的应用：1. 生物分子相互作用研究SPR技术可以用于生物分子之间相互作用的研究，例如酶和配体、抗体和抗原、蛋白质和DNA/RNA等。
通过检测生物分子之间的相互作用，可以揭示生物分子相互作用的动力学和热力学参数，包括关联常数、解离常数、亲和力和熵变等。
2. 药物筛选SPR技术也可以应用于药物筛选。
在药物开发过程中，药物分子需要与靶分子相互作用，以达到治疗作用。
利用SPR技术可以对候选化合物进行筛选，通过检测不同药物候选物与目标分子之间的相互作用，从而选择最有效的药物分子。
3. 诊断应用SPR技术还可以应用于诊断，例如慢性阻塞性肺病（COPD）的检测。
据研究，COPD患者的血清中含有一特定蛋白胆固醇酯转移酶，而正常人的血清中不含。
利用SPR技术，可以检测出胆固醇酯转移酶的存在，从而诊断COPD。
表面等离子体共振的原理
表面等离子体共振的原理一、表面等离子体的原理表面等离子体（Surface Plasmon）是紫外线照射在金属表面上产生的一种特殊的电磁波，也叫做表面等离子体共振，即表面等离子体和表面电场(SPE)的共振结果。
它是由金属表面的电子以及周围介质中的电子，以特殊频率的共振而产生的。
表面等离子体的共振机制具体是这样的：当紫外线照射到金属表面上时，金属表面电子会被激发，而介质中的电子也会受到牵引，把紫外线的能量吸收，并产生表面等离子体波。
此时，介质中的电子和金属表面上的电子会以特定的频率产生共振，从而产生表面等离子体共振效应。
表面等离子体的共振频率受紫外线频率、金属表面尺寸以及介质介电常数等多种因素的影响。
通常情况下，金属表面尺寸比较小，介质介电常数比较大，表面等离子体的频率会比紫外线频率高得多。
当紫外线频率等于表面等离子体的共振频率时，就会发生表面等离子体共振效应。
此时，金属表面就会发出一种微弱的金色闪光。
当金属表面尺寸改变或介质介电常数改变时，共振频率也会随之改变，从而产生不同的表面等离子体共振效应。
当电场发生变化时，表面等离子体和表面电场的共振频率也会有所变化，从而改变表面等离子体共振所产生的电磁波形状。
表面等离子体共振是一个非常重要的物理现象，它可以用来检测物质的存在，传感或测量物质的特性。
它也可以用来提高紫外线的分辨率，从而提高紫外光谱的精确度。
表面等离子体共振也在生物学和化学等多个领域中被广泛应用，例如用于研究病毒和细胞表面的表面等离子体共振成像（SPR Imaging）技术，以及用于病原体和抗原检测的表面等离子体共振耦合分析（SPR-MSD）技术。
总之，表面等离子体共振是一种具有重要意义的现象，它的许多应用对我们的研究和生活都有着重大的意义。
表面等离子共振实验技术及应用方法
表面等离子共振实验技术及应用方法表面等离子共振（surface plasmon resonance，SPR）是一种重要的实验技术，广泛应用于生物医学、环境监测等领域。
本文将介绍SPR的原理、实验方法以及应用。
一、SPR的原理SPR基于光的全反射现象，利用金属表面上的等离子体共振使得光波与金属表面上的等离子体波获得强烈的耦合。
当入射角达到特定的角度（共振角）时，反射光最弱。
这个共振角取决于金属的折射率，而折射率受溶液或界面上吸附物质的影响。
因此，通过检测反射光的强度变化，可以实时监测溶液中的生物分子相互作用、吸附行为等。
二、SPR的实验方法1. 典型实验装置SPR实验通常通过激光器、偏振器、折射率检测系统、样品池以及计算机控制系统构成。
激光器产生单色光，经过偏振器选择S波或P波，接着经过金属薄膜和与样品接触的溶液。
折射率检测系统测量反射光的强度，并将其转化为与样品相互作用的信号。
计算机控制系统负责数据采集和处理。
2. 工作原理样品溶液通过样品池流动，溶液中的目标分子与金属表面上的探针分子发生相互作用。
这些相互作用引起金属的折射率发生变化，导致共振角发生偏移。
通过测量共振角的变化，可以得到样品中目标分子的浓度或相互作用的强度。
三、SPR的应用1. 生物传感器SPR可以实现对生物分子相互作用的实时监测，因此被广泛应用于生物传感器的研究与开发。
例如，用SPR技术可以检测肿瘤标记物、病原体、药物等，用于快速、灵敏的分析和诊断。
2. 药物筛选与研究SPR也可以用于药物筛选和研究。
通过SPR技术可以实时监测药物与受体蛋白之间的相互作用，从而评估药物的效果和亲和性，加速新药研发的过程。
3. 环境监测SPR还可以应用于环境监测领域。
例如，可以利用SPR检测土壤或水中的有毒重金属、污染物等，实现对环境污染程度的快速准确分析。
4. 表面修饰和纳米材料研究SPR也被应用于表面修饰和纳米材料研究。
通过调控金属表面的化学组成和结构，可以实现对光学性质的调控，从而拓展SPR技术在生物医学、光电子等领域的应用。
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。
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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。
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
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
表面等离子共振技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ05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。
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
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。
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
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。
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
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
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）
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
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
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