用表面等离子体共振传感器测量金胶体溶液的折射率
表面等离子体共振
表面等离子体共振介绍表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，简称SPR）是一种重要的光学现象，它在材料科学、生物医学和光电技术等领域具有广泛的应用。
SPR可以用来研究材料表面的光学特性，例如材料的折射率、吸收和散射等。
此外，SPR还可以应用于生物传感器、光子学器件和光学调制器等领域的研究和应用。
原理SPR的起源可以追溯到20世纪50年代，当时G. Hass和R.A. Johnson首次观察到金属薄膜与介质之间的共振现象。
SPR是在金属薄膜和介质（通常是液体）交界面上发生的一种电磁波与等离子体波的耦合现象。
当光线垂直入射到金属薄膜和介质的交界面上时，一部分光线会被反射，另一部分则会穿透进入介质。
当频率与材料的介电常数和金属的电子浓度匹配时，光子与金属表面的自由电子发生共振耦合，形成一种表面等离子体波。
这种表面等离子体波沿着金属-介质界面传播，并在与入射光的波长匹配的情况下达到最大值。
使用SPR的应用非常广泛，常见的应用领域包括：1. 传感器SPR传感器是一种基于SPR原理设计的生物传感器，它可以用来检测微量化合物的浓度变化或生物分子的相互作用。
传统的SPR传感器通常由金属薄膜、玻璃基板和流体通道组成。
当待测样品和另一种具有特定生物分子的分子层接触时，它们之间的相互作用会引起SPR信号的变化，从而实现对样品中目标分子的检测。
2. 光子学器件SPR也可以应用于光子学器件的设计和制造。
例如，在光纤通信系统中，SPR可以用来制造光纤耦合器、光纤接合器和光纤边缘滤光器等器件。
在这些器件中，SPR的共振效应可以实现对光的控制和调制，从而提高光信号的传输和处理效率。
3. 光学调制器SPR还可以应用于光学调制器的制造。
光学调制器是一种通过控制光信号的强度或相位来调制光波的器件。
使用SPR 原理设计和制造的光学调制器可以实现高速调制、高效率和宽频率范围的光学信号处理。
结论表面等离子体共振是一种重要的光学现象，具有广泛的应用潜力。
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。
表面等离子体共振技术在生物传感器中的应用
表面等离子体共振技术在生物传感器中的应用一、引言生物传感器是应用最为广泛的传感器之一，其可以将与生物体之间的相互作用转化为电信号，从而实现对生物体的识别。
表面等离子体共振技术（Surface Plasmon Resonance，SPR）是生物传感器中常用的一种技术。
它利用纳米金属表面的等离子体共振效应，实现对生物分子的检测。
本文将详细讨论表面等离子体共振技术在生物传感器中的应用。
二、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是一种基于光学原理的生物传感器技术。
其基本结构由金属膜、介质层和检测区域组成。
其中金属膜通常采用银或金，介质层主要是一种具有高折射率的介质，如玻璃或石英。
检测区域则是在金属膜上覆盖一层生物分子或细胞。
当一束特定波长的激光照射在金属膜上时，与介质层相接触的金属表面将会产生等离子体共振谐振现象，形成一种表面等离子体波，即SPR波。
当有生物分子或细胞结合在检测区域时，其会改变SPR波的传播速度和传播距离，从而引起SPR波的共振消失。
观察SPR波的共振消失对应的波长，即可推断出检测区域分子的物理和化学特性，从而实现对其的检测。
三、表面等离子体共振技术在生物传感器中的应用1.蛋白质相互作用的研究SPR技术可以用于研究蛋白质在生物体内相互作用的情况。
通过将感兴趣的蛋白质固定在金属膜上，并将其他蛋白质注入到介质层中，可以观察到不同蛋白质之间相互作用的共振消失情况，从而了解它们之间的互作信息。
2.细胞表面受体配体相互作用的研究SPR技术也可以用于研究细胞表面受体和配体之间的相互作用。
将感兴趣的细胞固定在金属膜上，并将潜在的配体注入到介质层中，可以观察到细胞表面受体与配体之间的共振消失情况，从而了解它们之间的互作信息。
3.药物筛选SPR技术可以用于筛选有效的药物分子。
通过将药物分子固定在金属膜上，观察其与可能的靶分子之间相互作用的共振消失情况，可以判断其是否具有良好的互作性，从而筛选出有效的药物分子。
表面等离子共振传感器
• 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）。
表面等离子共振
表面等离子共振编辑词条表面等离子共振（SPR）是一种物理现象，（Surface Plasmon Resonance, SPR）当入射光以临界角入射到两种不同折射率的介质界面（比如玻璃表面的金或银镀层）时，可引起金属自由电子的共振，由于共振致使电子吸收了光能量，从而使反射光在一定角度内大大减弱。
（Surface Plasmon Resonance, SPR）当入射光以临界角入射到两种不同折射率的介质界面（比如玻璃表面的金或银镀层）时，可引起金属自由电子的共振，由于共振致使电子吸收了光能量，从而使反射光在一定角度内大大减弱。
其中，使反射光在一定角度内完全消失的入射角称为SPR角。
SPR随表面折射率的变化而变化，而折射率的变化又和结合在金属表面的生物分子质量成正比。
因此可以通过获取生物反应过程中SPR角的动态变化，得到生物分子之间相互作用的特异性信号（图1）。
生物分子相互作用分析是基于SPR原理的新型生物传感分析技术，无须进行标记，也可以无须纯化各种生物组分。
在天然条件下通过传感器芯片实时、原位和动态测量各种生物分子如多肽、蛋白质、寡核苷酸、寡聚糖，以及病毒、细菌、细胞、小分子化合物之间的相互作用过程。
表面等离子共振是表面增强拉曼的重要增强机理之一，由于贵金属纳米粒子的尺寸效应及量子效应通过激发光照射能引起表面等离子共振，从而大大增强拉曼散射信号，已达到痕量检测的目的。
表面等离子共振广泛应用于研究结合特异性、抗体选择、抗体质控、疾病机制、药物发明、生物治疗、生物处理、生物标记物、配体垂钓、基因调控、细胞信号传导、亲和层析、结构-功能关系、小分子间相互作用等。
表面等离子共振（SPR）是一种光学现象，可被用来实时跟踪在天然状态下生物分子间的相互作用。
这种方法对生物分子无任何损伤，且不需任何标记物。
先将一种生物分子（靶分子）键合在生物传感器表面，再将含有另一种能与靶分子产生相互作用的生物分子（分析物）的溶液注入并流经生物传感器表面。
表面等离子体共振传感器剖析
表面等离子体共振传感器程玉培 1433591摘要:表面等离子体子共振(SPR) 技术是一种简单、直接的传感技术。
它通过测量金属表面附近折射率的变化, 来研究物质的性质。
表面等离子体子共振传感器已经成为生物传感器研究领域的热点。
关键词表面等离子体子共振传感器生物分子间相互作用前言生物化学是运用化学的理论和方法研究生命物质的边缘学科。
其任务主要是了解生物的化学组成、结构及生命过程中各种化学变化。
化学的核心是化学键，即分子间的相互作用，而要研究生命过程中的各种化学变化，归根到底就是要研究生物分子之间的相互作用。
生物分子之间的相互作用是生命现象发生的基础，研究生物分子之间的相互作用可以阐明生物反应的机理，揭示生命现象的本质。
近年来，研究生物分子之间相互作用的技术不断出现，其中表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）在生物学以及相关领域的研究应用取得了很大进展，SPR技术可以现场，实时地测定生物分子间的相互作用而无需标记，可以连续监测吸附和解离过程，并可以进行多种成分相互作用的研究。
1 表面等离子体共振传感器概述1.1 表面等离子体共振传感器简介表面等离子体子共振( surface plasmon resonance , SPR) 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) 。
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。
1.2 表面等离子体共振传感器研究背景及现状表面等离了体共振效应的发现可以追溯到上世纪初。
关于SPR效应的最早记载是源于1902年Wood发现光波通过光栅后，光频谱出现小区域内的能量损失现象。
1941年，Fano针对这一现象根据金属和空气界面上表面的电磁波理论和边界条件进行了详尽的解释。
表面等离子体共振传感器的仿真
传感器与微系统（Transducer and Microsystem Technologies）2010年第29卷第7期表面等离子体共振传感器的仿真邢冰冰1，耿照新1，2，王继业1，钮金真1，王静1（1．中央民族大学信息工程学院，北京100081；2．北京大学微电子研究院微米/纳米加工技术国家重点实验室，北京100871）摘要：为了得到基于相位检测、角度检测和波长检测的表面等离子体共振（SPR）生物传感器的高检测精度，利用Matlab建立了Kretschmann模型SPR传感器的数值仿真软件。
系统地进行了棱镜折射率、测试介质折射率、金膜的厚度等因素对3种不同检测方式的SPR曲线的影响。
理论分析结果表明：角度调制时与介质折射率增加时，SPR角也相应增加，相位检测对传感层的折射率具有选择性。
关键词：表面等离子体共振；微流体；聚合物棱镜中图分类号：TH302文献标识码：A文章编号：1000—9787（2010）07—0056—04 Simulation of surface plasmon resonance sensorXING Bing-bing1，GENG Zhao-xin1，2，WANG Ji-ye1，NIU Jin-zhen1，WANG Jing1（1．School of Information Engineering，Minzu University of China，Beijing100081，China；2．National Key Laboratory of Nano/Micro Fabrication Technology，the Department of Microelectronics，Peking University，Beijing100871，China）Abstract：To realize high detection precision of surface plasmon resonance（SPR）biosensor based on phase detection，angle detection and wavelength detection，numerical simulation software for SPR sensor with Kretschmann model was set up using Matlab．Effect of refractive index（RI）of prism，RI of sample and the thickness of Au thin film on SPR curve of three different detecting method is described．Theoretical analysis resultsshow that the SPR angle increase with the increase of RI of sample when the angle modulation．The phase detectionhas selectivity to the refractive index of the sensing layer．Key words：surface plasmon resonance（SPR）；microfluidic；polymer prism0引言在过去的二十多年中，表面等离子体共振（SPR）传感技术被证明在生命科学、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［1 4］。
表面等离子体共振传感器技术研究
表面等离子体共振传感器技术研究表面等离子体共振传感器（Surface Plasmon Resonance Sensor，SPR传感器）是一种新型的、高灵敏度和高选择性的生物传感器，具有广泛的应用潜力。
它可以用于生物分子的检测和分析，如蛋白质、抗体、DNA、细胞和药物等，也可以被应用于环境监测、食品检测和医学诊断等领域。
SPR传感器的工作原理是利用表面等离子体（Surface Plasmon）的存在，从而实现离子和分子之间的相互作用。
通过将金属薄膜与液态生物样品接触，实现光折射率的变化，从而标记出生物学样本的存在。
当外加一定频率和角度的光线进入到金属表面时，电磁波会在表面金属和液体之间形成驻波，这个过程被称为表面等离子体共振。
当有生物物质与该金属薄膜结合时，由于这种共振现象发生改变，即折射率发生变化，从而可以测出生物物质的存在和浓度。
SPR传感器的优势在于它不需要样品的标记。
传统的生物传感器需要将分子或者细胞标记为荧光分子、酶单位或者其他颜色，这会对样品造成损害。
使用SPR 传感器则不需要对样品做任何处理，这极大地减少了样品损伤的可能性，同时也减少了误差的可能性。
同时，SPR传感器也具有高灵敏度和高选择性的优势。
SPR传感器是完美的选择性工具，因为它可以测量非常小的分子浓度和非常低的检测限制。
其灵敏度远高于其他的生物检测技术，如比色法和电化学分析法等。
因此，SPR传感器可以被应用于各种复杂和敏感的样品中，进行高精度的检测。
如果将SPR传感器应用于实际应用中，需要充分了解并控制表面是如何工作的。
与传统的生物传感器不同，SPR传感器需要准确地控制金属表面一致性，并对传感器的设计和样品的堆积方式进行优化。
同时还需要对环境温度、pH值、离子浓度等参数进行仔细调整，以保证传感器得到最佳的结果。
由于样品的高度复杂性和需要特别的样品设计，因此目前SPR传感器的实际应用面还比较小。
除了药物开发、生物学分析和医学诊断等领域，SPR传感器还可以被应用于快速的检测和监测环境污染物，包括水质、空气和土壤中的污染物。
表面等离子体共振传感器原理及应用
表面等离子体共振传感器原理及应用随着科技的不断进步，传感器技术的应用范围越来越广泛，其中表面等离子体共振传感器应用尤为广泛。
那么，表面等离子体共振传感器是什么？其原理是什么？它又有哪些应用呢？本文将为您一一解答。
一、表面等离子体共振传感器概述表面等离子体共振传感器（Surface Plasmon Resonance, SPR）是一种利用表面等离子体共振现象，通过检测光的角度变化来实现物质的检测的生物传感器。
它的优点是实时性好，无需标记物，灵敏度高，动态范围广，且不受样品状态和环境影响等诸多因素影响，因此大量应用于物质的检测、药物筛选、生物学研究等方面。
二、表面等离子体共振传感器原理表面等离子体共振传感器利用了表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）现象。
所谓表面等离子体共振，即在金属表面和介质间，当入射角度与金属表面垂直时，光在金属表面与介质之间形成一个表面等离子体波，这个波是一种电磁波在某些材料表面的特殊性质。
当样品分子在金属表面形成生物分子层时，会改变金属层的有效折射率，导致表面等离子体波的共振角度发生变化。
通过检测表面等离子体波的共振角度变化，可以实现生化分子的检测。
三、表面等离子体共振传感器组成表面等离子体共振传感器主要由以下三个部分组成：1、金属薄膜：通常使用金、银等金属，它们的物理和化学性质决定了该传感器的基本性质。
2、生物分子层：它是负责检测目标分子的靶分子，通常为一种特异性非常强的蛋白质、抗体、DNA等。
3、光学系统：主要负责检测生物分子层对表面等离子体波的影响。
四、表面等离子体共振传感器应用表面等离子体共振传感器具有广泛的应用前景，主要涉及以下几个方面：1、药物筛选：表面等离子体共振传感器可以用于药物分子相互作用的检测，如药物和受体之间的相互作用等。
2、生物学研究：表面等离子体共振传感器可以用于研究蛋白质、抗体等生物分子的相互作用。
3、食品安全：表面等离子体共振传感器可以用于检测食品中的农药、重金属、细菌等有害物质的含量。
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[5] Gaurav Gupta, Jun Kondoh .Tuning and sensitivity enhancement of surface plasmon resonance sensor. Sensors and Actuators B 122 (2007) 381–388.
SPR setup
Kretschmann configuration
Fig. 3. Three-layer Kretschmann [5] configuration for SPR excitation
Here, k0 =2π/λ0 is the wave vector in free space, λ0 the freespace wavelength, npthe refractive index of the prism, ns the fractive index of the dielectric sample, and εm the [5] complex dielectric constant of the metal .
Fig.6. Light reflection in the Kretschmann geometry of the ATR method. Assuming the structure prism–metal– dielectric in the y-z plane is infinite
Fig. 5. Experimental and theoretical SPR reflection spectra. Dots for experimental spectra and solid line for theoretical spectra.
History
• Woods explaining the concept of surface plasma [2] excitation in gratings in 1902 . • Kretschmann et al. proposed the practical means of excitation of SPR at the metal–dielectric interface in the [3] prism based configuration in 1968 . • The first major application work utilizing SPR was [4] reported in 1983 by Liedberg et al .
Surface plasmon resonance
Figure1. The configuration of anre2. The workings of the SPR
[1] chip
[1] Sabban, Sari. Development of an in vitro model system for studying the interaction of Equus caballus IgE with its high- affinity FcεRI receptor (PhD thesis), (2011) The University of Sheffield
Fig. 8. SPR reflection curves as functions of incident angle obtained using Fresnel formulae for two different dielectric media and three different prism materials: (a) np = 1.597, (b) np = 1.51391 and (c) np = 1.456. Curves A, C, and E are for ns = 1.33, and curves B, D, and F are for ns = 1.36 [5].
Fig. 4. Schematic of prism-based SPR setup working in angular interrogation mode. LD: laser diode(670nm); P: polarizer; PD: [5] photodiode; ADC: analog-to-digital converter .
2 反射率R=|rpmd|
Fig.7 Log Log plot of n(solid line) and k(dash line) vs wavelength for silver【6】
[6] David W. Lynch and W. R. Hunter. 350-357
Theoretical SPR reflection curves
[2] R.W. Wood, On a remarkable case of uneven distribution of light in a diffraction grating
spectrum, Phil. Mag. 4 (1902) 396–402. [3] E. Kretschmann, H. Raether, Radiative decay of non-radiative surface plasmon excited by light, Z. Naturforsh 23A (1968) 2135–2136. [4] B. Liedberg, C. Nylander, I. Lundstr¨om, Surface plasmon resonance for gas detection and biosensing, Sens. Actuators B 4 (1983) 299–304.
[5] Gaurav Gupta, Jun Kondoh .Tuning and sensitivity enhancement of surface plasmon resonance sensor Sensors and Actuators B 122 (2007) 381–388.
Result