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表面等离子体共振技术本讲稿第一页，共五十六页目 录3-1 表面等离子体共振（SPR）的产生3-1-1 SPR简史3-1-2 金属内部的等离子体振动3-1-3 金属表面的等离子体振动3-1-4 产生表面等离子体共振的方法3-2 SPR传感器的基本概念3-2-1 传感器的基本原理3-2-2 传感器的基本结构3-3 典型的SPR传感器及其应用本讲稿第二页，共五十六页3-1-1 SPR简史简史F1902年，年，Wood在光学实验中发现在光学实验中发现SPR现象现象F1941年，年，Fano解释了解释了SPR现象现象F1971年，年，Kretschmann结构为结构为SPR传感器奠定了基础传感器奠定了基础F1982年，年，Lundstrm将将SPR用于气体的传感（第一次）用于气体的传感（第一次）F1983年，年，liedberg将将SPR用于用于IgG与其抗原的反应测定与其抗原的反应测定F1987年，年，Knoll等人开始等人开始SPR成像研究成像研究F1990年，年，Biacore AB公司开发出首台商品化公司开发出首台商品化SPR仪器仪器 表表面面等等离离子子体体共共振振（Surface plasmon resonance，SPR），又又称称表表面面等等离离子子体体子子共共振振，表表面面等等离离激激元元共共振振，是是一一种种物物理理光光学学现现象象，有有关仪器和应用技术已经成为物理学、化学和生物学研究的重要工具，。关仪器和应用技术已经成为物理学、化学和生物学研究的重要工具，。本讲稿第三页，共五十六页 在金属中，价电子为整个晶体所共在金属中，价电子为整个晶体所共有，形成所谓费米电子气。价电子可在有，形成所谓费米电子气。价电子可在晶体中移动，而金属离子则被束缚于晶晶体中移动，而金属离子则被束缚于晶格位置上，但总的电子密度和离子密度格位置上，但总的电子密度和离子密度是相同的，从整体来说金属是电中性的是相同的，从整体来说金属是电中性的。人们把这种情况形象地称为。人们把这种情况形象地称为“金属离金属离子浸没于电子的海洋中子浸没于电子的海洋中”。这种情况和。这种情况和气体放电中的等离子体相似，因此可以气体放电中的等离子体相似，因此可以把金属看作是一种电荷密度很高的低温把金属看作是一种电荷密度很高的低温（室温）等离子体，而气体放电中的等（室温）等离子体，而气体放电中的等离子体是一种高温等离子体，电荷密度离子体是一种高温等离子体，电荷密度比金属中的低。比金属中的低。金属板中电子气的位移（上）金属离子（上）金属离子（+）位于）位于“电子海洋电子海洋”中（灰色背景），中（灰色背景），（下）电子集体向右移动（下）电子集体向右移动本讲稿第四页，共五十六页五五十十年年代代，为为了了解解快快速速电电子子穿穿过过金金属属箔箔时时的的能能量量损损失失，人人们们进进行行了了大大量量的的实实验验和和理理论论工工作作。Pine和和Bohm认认为为，其其中中能能量量损损失失的的部部分分原原因因是是激激发发了了金金属属箔箔中中电电子子的的等等离离子子体体振振动动（Plasma oscillation），又又称称为为等等离离子子体体子子（plasmon）。Ritchie从从理理论论上上探探讨讨了了无无限限大大纯纯净净金金属属箔箔中中由由于于等等离离子子体体振振动动而而导导致致的的电电子子能能量量损损失失，同同时时也也考考虑虑了了有有限限大大金金属属箔箔的的情情况况，指指出出：不不仅仅等等离离子子体体内内部部存存在在角角频频率率为为p的的等等离离子子体体振振动动，而而且且在在等等离离子子体体和和真真空空的的界界面面，还还存存在在表表面面等等离离子子体体振振动动（Surface plasma oscillation），其其角角频频率率为为 。Powell和和Swan 用用高高能能电电子子发发射射法法测测定定了了金金属属铝铝的的特特征征电电子子能能量量损损失失，其其实实验验结结果果可可用用Ritchie的的理理论论来来解解释释。Stern和和Ferrell将将表表面面等等离离子子体体振振动动的的量量子子称称为为表表面面等等离离子子体体子子（Surface plasmon），研研究究了了金金属属表表面面有有覆覆盖盖物物时时的的表表面面等等离离子子体体振振动动，发发现现金金属属表表面面很很薄薄的的氧氧化化物物层层也也会会引引起起这这种种振振动动的的明明显显改改变变。他他们们还还预预言言：由由于于表表面面等等离离子子体体振振动动对对表表面面涂涂层层的的敏敏感感，那那么么通通过过选选择择合合适适的的涂涂层层，表表面面特特征征能能量量损损失的值会在一定范围内发生变化。失的值会在一定范围内发生变化。本讲稿第五页，共五十六页除除电电子子以以外外，用用电电磁磁波波，如如光光波波，也也能能激激发发表表面面等等离离子子体体振振动动。二二十十世世纪纪初初，Wood 首首次次描描述述了了衍衍射射光光栅栅的的反反常常衍衍射射现现象象，这这实实际际上上就就是是由由于于光光波波激激发发了了表表面面等等离离子子体体振振动动所所致致。六六十十年年代代晚晚期期，Kretschmann 和和Otto采采用用棱棱镜镜耦耦合合的的全全内内反反射射方方法法，实实现现了了用用光光波波激激发发表表面面等等离离子子体体振振动动，为为SPR技技术术的的应应用用起起了了巨巨大大的的推推动动作作用用。他他们们的的实实验验方法简单而巧妙，仍然是目前方法简单而巧妙，仍然是目前SPR装置上应用最为广泛的技术。装置上应用最为广泛的技术。(A)Kretschman (B)OttoPrism gMetal mSample s0kevkspxzPrism gSample sMetal m0kevksp本讲稿第六页，共五十六页3-1-2 金属内部的等离子体振动金属内部的等离子体振动 因为金属中的价电子可以自由移动，入射光可能激起电子气的纵向振动。因为金属中的价电子可以自由移动，入射光可能激起电子气的纵向振动。如果由于入射电子的作用，金属中电子向右移动了一段距离如果由于入射电子的作用，金属中电子向右移动了一段距离，因此在右边就有了电子堆积。，因此在右边就有了电子堆积。设设n ne e为电子密度，右边出现的面电荷密度为为电子密度，右边出现的面电荷密度为-n-ne ee e，左边的面电荷密度为，左边的面电荷密度为+n ne ee e，则，则金属的极化强度金属的极化强度p p为：为：由极化产生的电场由极化产生的电场EpEp为为:在这个电场的作用下，电子有向左移的倾向，于是产生了振动。如果不考虑振动能量的在这个电场的作用下，电子有向左移的倾向，于是产生了振动。如果不考虑振动能量的衰减，单位体积内的电子气的振动方程式为：衰减，单位体积内的电子气的振动方程式为：式中式中m m为电子的质量，为电子的质量，e e为电子的电荷量，为电子的电荷量，p p为无衰减时的等离子体振动的角频率，则为无衰减时的等离子体振动的角频率，则 或或本讲稿第七页，共五十六页等离子体子（等离子体子（plasmonplasmon，又称等离激元）的量子能量为：，又称等离激元）的量子能量为：对金属来说，对金属来说，n ne e10102323/cm/cm3 3，将此值代入式（，将此值代入式（5-65-6），可得金属中等离子体子的量子），可得金属中等离子体子的量子能量约为：能量约为：如果考虑了金属内电子的衰减，弛豫时间为如果考虑了金属内电子的衰减，弛豫时间为，在外电场，在外电场的存在下，电子只沿的存在下，电子只沿z z方向运动，则电子的运动方程（方向运动，则电子的运动方程（DrudeDrude方程）为：方程）为：本讲稿第八页，共五十六页由此可得：由此可得：代入代入 ，则复数介电常数，则复数介电常数若忽略衰减，即若忽略衰减，即 时，有：时，有：根据等离子体理论，产生固体等离子体波应满足根据等离子体理论，产生固体等离子体波应满足本讲稿第九页，共五十六页3-1-3 金属表面的等离子体振动金属表面的等离子体振动 上节所述的是金属内部的等离子体振动，即体积等离子体振动（上节所述的是金属内部的等离子体振动，即体积等离子体振动（Volume Volume plasma oscillationplasma oscillation）。而在金属表面也存在电荷密度振动，称为表面等离）。而在金属表面也存在电荷密度振动，称为表面等离子体振动，其角频率子体振动，其角频率s s与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系：与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系：若金属表面覆盖有介电常数为若金属表面覆盖有介电常数为 的薄层，则这种特殊表面的等离子体振动的角的薄层，则这种特殊表面的等离子体振动的角频率频率 msms为：为：本讲稿第十页，共五十六页3-1-4 产生表面等离子体共振的方法产生表面等离子体共振的方法表面等离子体振动产生的电荷密度波，沿着金属和电介质的界面传播，形成表面等表面等离子体振动产生的电荷密度波，沿着金属和电介质的界面传播，形成表面等离子体波（离子体波（Surface plasma waveSurface plasma wave，SPWSPW），其场矢量在界面处达到最大，并在两种），其场矢量在界面处达到最大，并在两种介质中逐渐衰减。表面等离子体波是介质中逐渐衰减。表面等离子体波是TMTM极化波，即横波，其磁场矢量与传播方向垂极化波，即横波，其磁场矢量与传播方向垂直，与界面平行，而电场矢量则垂直于界面。直，与界面平行，而电场矢量则垂直于界面。在半无穷电介质和金属界面处，角频率为在半无穷电介质和金属界面处，角频率为 的表面等离子体波的波矢量为：的表面等离子体波的波矢量为：式中式中c c是真空中的光速，是真空中的光速，m m和和a a分别是金属和电介质的介电常数。表面等离子体波的分别是金属和电介质的介电常数。表面等离子体波的波矢量是复数，因为金属的介电常数是复数（波矢量是复数，因为金属的介电常数是复数（m m=mrmr+i+imimi）。金属的）。金属的mrmr/mimi比比高，波矢量的实部分可近似为：高，波矢量的实部分可近似为：本讲稿第十一页，共五十六页电磁波在真空中的速度电磁波在真空中的速度c c与在不导电的均匀介质中的速度与在不导电的均匀介质中的速度v v之比称为电介质的折射率之比称为电介质的折射率n n：在光波的频率下，电介质一般为非磁性的，在光波的频率下，电介质一般为非磁性的，1 1，有：，有：则：则：频率为频率为的通过电介质传递的光的波矢量的通过电介质传递的光的波矢量kaka为：为：本讲稿第十二页，共五十六页要使光波和表面等离子体波之间发生共振，必须有：要使光波和表面等离子体波之间发生共振，必须有：但但是是，电电介介质质中中光光的的（kaka）总总是是在在（kspwkspw）的的左左边边，从从不不交交叉叉，即即（kspwkspw）（kaka）。因因此此，电电介介质质中中的的光光不不能能直直接接激激发发表表面面等等离离子子体体子子共共振振（SPRSPR），必必 须须 要要 设设 法法 移移 动动（kspwkspw）或或（kaka）的的色色散散曲曲线线的的位位置置，使使两两者者相相交交。可可利利用用光光学学耦耦合合器器件件，如如棱棱镜镜、光光栅栅以以及及光光学学波波导导器器件件达到这一目的达到这一目的。本讲稿第十三页，共五十六页棱镜耦合 棱镜是棱镜是SPRSPR研究中应用最为广泛的光学耦合器件。棱镜由高折射率的非吸研究中应用最为广泛的光学耦合器件。棱镜由高折射率的非吸收性的光学材料构成，其底部镀有厚度为收性的光学材料构成，其底部镀有厚度为50nm50nm左右的高反射率的金属薄膜（一左右的高反射率的金属薄膜（一般为金或银），膜下面是电介质。在般为金或银），膜下面是电介质。在SPRSPR传感器中，该电介质即为待测样品。传感器中，该电介质即为待测样品。由光源发出的由光源发出的p p-偏振光以一定的角度偏振光以一定的角度0 0入射到棱镜中，在棱镜与金属的界面处将发入射到棱镜中，在棱镜与金属的界面处将发生反射和折射。当生反射和折射。当0 0大于临界角大于临界角c c时，光线将发生全内反射，即全部返回到棱镜中，时，光线将发生全内反射，即全部返回到棱镜中，然后，从棱镜的另一个侧面折射出去。这里入射光应当用然后，从棱镜的另一个侧面折射出去。这里入射光应当用p p-偏振光，因为其电场分量偏振光，因为其电场分量与界面垂直，这与表面等离子体波的情况一致。与界面垂直，这与表面等离子体波的情况一致。本讲稿第十四页，共五十六页在全内反射的情况下，电场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是向金属在全内反射的情况下，电场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失波。该消失波沿介质中传输振幅呈指数衰减的消失波。该消失波沿X X轴方向传播的与表面平行的轴方向传播的与表面平行的波矢分量波矢分量kevkev为：为：通过调节通过调节0 或或a a，可使，可使kev=kspwkev=kspw，消失波与表面等离子体波共振，即表面等离，消失波与表面等离子体波共振，即表面等离子体子共振，有：子体子共振，有：由上式可见，若入射光的波长一定，即由上式可见，若入射光的波长一定，即a a一定时，一定时，n ns s改变，则必须改变改变，则必须改变0 0以满足共振以满足共振条件；若条件；若0 0一定时，一定时，n ns s改变，则必须改变改变，则必须改变a a以满足共振条件，这可通过改变入以满足共振条件，这可通过改变入射光的波长射光的波长来实现。此时来实现。此时0 0和和分别称为共振角和共振波长。分别称为共振角和共振波长。本讲稿第十五页，共五十六页典型的SPR光谱 本讲稿第十六页，共五十六页目 录3-1 表面等离子体共振（SPR）的产生3-1-1 SPR简史3-1-2 金属内部的等离子体振动3-1-3 金属表面的等离子体振动3-1-4 产生表面等离子体共振的方法3-2 SPR传感器的基本概念3-2-1 传感器的基本原理3-2-2 传感器的基本结构3-3 典型的SPR传感器及其应用本讲稿第十七页，共五十六页3-2-1 传感器的基本原理传感器的基本原理表面等离子体子共振的产生与入射光的角度表面等离子体子共振的产生与入射光的角度、波长、波长、金属薄、金属薄膜的介电常数膜的介电常数 s s及电介质的折射率及电介质的折射率n ns s有关，发生共振时有关，发生共振时和和 分别称为分别称为共振角度和共振波长。对于同一种金属薄膜，如果固定共振角度和共振波长。对于同一种金属薄膜，如果固定，则，则 与与nsns有有关；固定关；固定，则，则与与nsns有关。有关。如果将电介质换成待测样品，测出共振时的如果将电介质换成待测样品，测出共振时的或或，就可以得到样，就可以得到样品的介电常数品的介电常数 s s或折射率或折射率n ns s；如果样品的化学或生物性质发生变化，；如果样品的化学或生物性质发生变化，引起引起n ns s的改变，则的改变，则或或 也会发生变化，这样，检测这一变化就可也会发生变化，这样，检测这一变化就可获得样品性质的变化。获得样品性质的变化。固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变化的固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变化的SPRSPR光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射率变化的射率变化的SPRSPR光谱。光谱。SPRSPR光谱的改变反映了体系性质的变化。光谱的改变反映了体系性质的变化。本讲稿第十八页，共五十六页3-2-2 传感器的基本结构传感器的基本结构一般来说，一个一般来说，一个SPR传感器的包括：光学系统、敏感元件、数据采集和处理系统。传感器的包括：光学系统、敏感元件、数据采集和处理系统。SPR传感器的光学部分包含光源、光学耦合器件、角度（或波长）调节部件以及光检测传感器的光学部分包含光源、光学耦合器件、角度（或波长）调节部件以及光检测器件，用于产生器件，用于产生SPR并检测并检测SPR光谱的变化。光谱的变化。敏感元件主要指金属薄膜及其表面修饰的敏感物质，用于将待测对象的化学或生物信息敏感元件主要指金属薄膜及其表面修饰的敏感物质，用于将待测对象的化学或生物信息转换成折射率的变化，是转换成折射率的变化，是SPR传感器的关键。从传感器的关键。从SPR的原理可知，实际上是样品的折射的原理可知，实际上是样品的折射率的变化引起率的变化引起SPR光谱的变化。如果金属薄膜未经任何修饰，这样的传感器是没有什么光谱的变化。如果金属薄膜未经任何修饰，这样的传感器是没有什么选择性的，只能用于一些简单体系的测定，因而一般都要进行修饰，以获得对被测对象选择性的，只能用于一些简单体系的测定，因而一般都要进行修饰，以获得对被测对象的选择性识别能力。的选择性识别能力。数据采集和处理系统用于采集和处理光检测器产生的电子信号。现在光检测器越来越多数据采集和处理系统用于采集和处理光检测器产生的电子信号。现在光检测器越来越多地采用阵列检测器，如光电二极管阵列和电荷耦合器件，以便同时检测多个角度或波长地采用阵列检测器，如光电二极管阵列和电荷耦合器件，以便同时检测多个角度或波长处的信号变化。数据采集和处理均由计算机完成。处的信号变化。数据采集和处理均由计算机完成。本讲稿第十九页，共五十六页4种检测方式种检测方式1.1.角度调制：固定角度调制：固定inin，改变，改变inin2.2.波长调制：固定波长调制：固定inin ，改变，改变inin3.3.强度调制：固定强度调制：固定inin 、inin，改变光强，改变光强4.4.相位调制：固定相位调制：固定inin 、inin，测相差，测相差本讲稿第二十页，共五十六页一一个个SPR传传感感器器的的主主要要性性能能特特点点，如如灵灵敏敏度度、稳稳定定性性、分分辨辨率率、选选择择性性和和响响应应时时间间等等，取决于其各个组成部分的性能。取决于其各个组成部分的性能。SPR传传感感器器使使用用时时，一一般般是是先先在在金金属属薄薄膜膜表表面面修修饰饰一一层层敏敏感感物物质质，以以便便与与样样品品中中的的待待测测组组分分选选择择性性地地作作用用。这这一一相相互互作作用用会会引引起起敏敏感感层层折折射射率率的的改改变变，导导致致SPR信信号号的的变变化化，从从而而获获得得待待测测样样品品的的化化学学或或生生物物信信息息。如如果果不不对对金金属属薄薄膜膜进进行行修修饰饰，这这样样的的传传感感器器也也可可用用于于一一些些简简单单体体系系的的检检测测，如如一一些些浓浓度度随随折折射射率率变变化化的的溶溶液液（乙乙醇醇、蔗蔗糖糖、葡葡萄萄糖糖等等的的水水溶溶液液）。金金和和银银相相对对来来说说比比较较稳稳定定，且且反反射射率率高高，是是比比较较常常用用的的两两种种金金属属。在在生生物物体体系的测量中，常常有氯离子存在，用银膜不太合适，一般都用金膜。系的测量中，常常有氯离子存在，用银膜不太合适，一般都用金膜。本讲稿第二十一页，共五十六页目 录3-1 表面等离子体共振（SPR）的产生3-1-1 SPR简史3-1-2 金属内部的等离子体振动3-1-3 金属表面的等离子体振动3-1-4 产生表面等离子体共振的方法3-2 SPR传感器的基本概念3-2-1 传感器的基本原理3-2-2 传感器的基本结构3-3 典型的SPR传感器及其应用本讲稿第二十二页，共五十六页ComputerPrismL C P DG CCDAuBSample inSample outGlass slideAu filmPrism0.1mmL：卤钨灯；：卤钨灯；C：平行光管；：平行光管；P：偏振片；：偏振片；D：光阑；：光阑；G：光栅；：光栅；B：玻片：玻片基于波长调制的基于波长调制的SPR传感器装置传感器装置本讲稿第二十三页，共五十六页葡萄糖溶液的测定葡萄糖溶液的测定SPR光谱（葡萄糖，银膜）光谱（葡萄糖，银膜）响应曲线（葡萄糖，银膜）响应曲线（葡萄糖，银膜）裸金属膜对其表面溶液的折射率变化非常敏感，可用于一些简单样品的分析，裸金属膜对其表面溶液的折射率变化非常敏感，可用于一些简单样品的分析，此处用此处用SPR传感器测定了医用葡萄糖注射液的浓度。该法所得结果与药典法传感器测定了医用葡萄糖注射液的浓度。该法所得结果与药典法相符，可用于葡萄糖注射液生产过程的实时在线监测。相符，可用于葡萄糖注射液生产过程的实时在线监测。本讲稿第二十四页，共五十六页乙肝表面抗原（乙肝表面抗原（HBsAg）的测定）的测定 病毒性肝炎是人群中最常见的传染性疾病之一，对人体健康危害很大。我国是乙型病毒性肝炎是人群中最常见的传染性疾病之一，对人体健康危害很大。我国是乙型肝炎的高发区，人群总感染率高达肝炎的高发区，人群总感染率高达60%，乙型肝炎表面抗原（，乙型肝炎表面抗原（HBsAg）携带者至少有）携带者至少有1.2亿，其中约亿，其中约10%最终转化为各种慢性肝病，包括慢性肝炎、肝硬化甚至肝癌。最终转化为各种慢性肝病，包括慢性肝炎、肝硬化甚至肝癌。作为乙型肝炎的早期诊断指标之一，作为乙型肝炎的早期诊断指标之一，HBsAg的测定在临床上具有重要意义。目的测定在临床上具有重要意义。目前用到的临床检验方法有：血细胞凝集法（前用到的临床检验方法有：血细胞凝集法（PHA、RPHA）、酶联免疫法（）、酶联免疫法（EIA、ELISA）、放射免疫法（）、放射免疫法（RIA）、全血凝集法、斑点杂交法、聚合酶链反应法）、全血凝集法、斑点杂交法、聚合酶链反应法（PCR）等等，其中放射免疫法较为灵敏，可检出血清中）等等，其中放射免疫法较为灵敏，可检出血清中0.1ng/mL的的HBsAg，但，但存在放射性污染的问题。酶联免疫吸附法（存在放射性污染的问题。酶联免疫吸附法（ELISA）由于简单、方便、快速，目）由于简单、方便、快速，目前是临床诊断中最常用的，其检出限一般为前是临床诊断中最常用的，其检出限一般为1ng/mL HBsAg。如果能进一步提高。如果能进一步提高灵敏度，对及早发现、诊断和治疗乙型肝炎无疑具有非常重要的意义。灵敏度，对及早发现、诊断和治疗乙型肝炎无疑具有非常重要的意义。本讲稿第二十五页，共五十六页利用胱胺将利用胱胺将HBsAgHBsAg单克隆抗体固定于金膜表面单克隆抗体固定于金膜表面 本讲稿第二十六页，共五十六页以以A A蛋白为连接层固定蛋白为连接层固定HBsAgHBsAg单克隆抗体单克隆抗体M M：金膜，：金膜，G G：玻片，：玻片，AgAg：血清中的：血清中的HBsAgHBsAg，AbAb：HBsAgHBsAg单克隆抗体，单克隆抗体，PAPA：A A蛋白蛋白本讲稿第二十七页，共五十六页胱胺固定法中胱胺固定法中HBsAgHBsAg与抗体结合前后的与抗体结合前后的SPRSPR光谱图光谱图 检测限为检测限为0.01ng/mL 本讲稿第二十八页，共五十六页固定化固定化DNA单层的电致开关行为研究单层的电致开关行为研究 固定化DNA探针的取向直接影响到固液两相之间的DNA杂交。固定化DNA易于被电场驱动远离或靠近固体表面，构成一种纳米尺度上的“开关”。SPR传感技术是一种对金属薄膜表面介质层的折射率变化极为敏感的光学传感技术,非常适合于研究固定化单分子层的性质。然而，如果在SPR传感器中使用经典的三电极体系施加电场，对金膜本身的SPR光谱有较大影响。Knoll et al.Langmuir 2005,21:348-353本讲稿第二十九页，共五十六页ComputerPrismL C P DG CCDAuBSample inSample outITO filmGlass slideAu filmPrism1.34mm1.48mmEL：卤钨灯；：卤钨灯；C：平行光管；：平行光管；P：偏振片；：偏振片；D：光阑；：光阑；G：光栅；：光栅；E：直流电源；：直流电源；B：ITO导电玻璃导电玻璃本讲稿第三十页，共五十六页Auglass+Au +Au conductive layerglassconductive layer+glassconductive layer-（A）金膜不带电荷；（）金膜不带电荷；（B）金膜带负电荷；（）金膜带负电荷；（C）金膜带正电荷）金膜带正电荷.A B C金膜表面固定化金膜表面固定化DNA探针的取向探针的取向本讲稿第三十一页，共五十六页电场对金膜表面固定化电场对金膜表面固定化DNA探针的作用探针的作用（a）金膜带正电荷；（）金膜带正电荷；（b）断开电路；）断开电路；（c）金膜带负电荷；（）金膜带负电荷；（d）断开电路）断开电路.不同强度的电场对不同强度的电场对DNA探针的作用探针的作用电场在电场在-1.5V与与1.5 V间切换间切换（1）金膜带负电荷；（）金膜带负电荷；（2）金膜带正电荷）金膜带正电荷本讲稿第三十二页，共五十六页（1）金金膜膜带带负负电电荷荷；（2）金金膜膜不不带带电电荷；（荷；（3）金膜带正电荷）金膜带正电荷.不同强度的电场对固定化不同强度的电场对固定化DNA探针捕获探针捕获cDNA的影响的影响电场对不同浓度电场对不同浓度cDNA杂交的影响杂交的影响E=1.5VCDNA=2.83 nM电场对电场对DNA杂交的作用杂交的作用本讲稿第三十三页，共五十六页表面覆盖率的影响表面覆盖率的影响 电场（金膜与电场（金膜与ITO导电玻璃之间电位差为导电玻璃之间电位差为1.5 V）对不同表面覆盖率的）对不同表面覆盖率的DNA探针的作用探针的作用5.87 1012 电场（金膜与电场（金膜与ITO导电玻璃之间的电位差为导电玻璃之间的电位差为1.5 V）对）对不同表面覆盖率的不同表面覆盖率的DNA杂交的影响，杂交的影响，cDNA浓度为浓度为5.65 nmol/L本讲稿第三十四页，共五十六页 基于基于SiO2包被金膜的纳米金颗粒催化增长增强包被金膜的纳米金颗粒催化增长增强SPR传感器及其传感器及其DNA检测检测应用应用(Biosens.Bioelectron.2007,22,1106-1110)SiO2 AuabNADH+HAuCl4dc(a)生物素化的生物素化的DNA探针；探针；(b)目标目标DNA；(c)巯基巯基DNA修饰的纳米金颗粒；修饰的纳米金颗粒；(d)纳米金颗粒催化增长纳米金颗粒催化增长.SiO2包被金膜的纳米金颗粒催化增长增强包被金膜的纳米金颗粒催化增长增强SPR传感检测传感检测DNA原理示意图原理示意图本讲稿第三十五页，共五十六页SiO2层对金沉积的阻挡作用层对金沉积的阻挡作用 金膜金膜 SiO2包被的金膜包被的金膜（1）与催化增长试剂反应前；（）与催化增长试剂反应前；（2）与催化增长试剂反应后）与催化增长试剂反应后本讲稿第三十六页，共五十六页SPR传传感感器器:(a)cDNA,(a)单单碱碱基基错错配配DNA,(a)随随机机DNA；纳纳米米金金颗颗粒粒增增强强SPR传传感感器器:(b)cDNA,(b)单单碱碱基基错错配配DNA,(b)随随机机DNA；纳纳米米金金颗颗粒粒催催化化增增长长增增强强SPR传传感感器器:(c)cDNA,(c)单单碱碱基错配基错配DNA,(c)随机随机DNA.不同方法检测不同方法检测DNA的比较的比较(a)cDNA(a)cDNA；(b)(b)单单碱碱基基错错配配DNADNA；(c)(c)随随机机DNADNA；三三种种传传感感器器分分别别为为(I)(I)纳纳米米金金颗颗粒粒催催化化增增长长增增强强SPRSPR传传感感器器；(II)(II)纳纳米米金金颗颗粒粒增增强强SPRSPR传传感感器器；(III)SPR(III)SPR传传感器感器.CDNA=3.3nM本讲稿第三十七页，共五十六页Sensors&Actuators 2007,123,227-232.(a)金膜；金膜；(b)聚电解质自组装多层膜聚电解质自组装多层膜(PAH/PSS)3；(c)亲和素；亲和素；(d)生物素化的生物素化的DNA探针；探针；(e)目目标标DNA；(f)巯基巯基DNA修饰的纳米金颗粒；修饰的纳米金颗粒；(g)纳米金颗粒催化增长纳米金颗粒催化增长.NADH+HAuCl4gdcbafe基于聚电解质自组装多层膜修饰金膜的纳米金颗粒催化增长增强基于聚电解质自组装多层膜修饰金膜的纳米金颗粒催化增长增强SPR传感器及其传感器及其DNA检测应用检测应用本讲稿第三十八页，共五十六页聚电解质自组装薄膜对金属沉积的阻挡作用聚电解质自组装薄膜对金属沉积的阻挡作用不同层数的不同层数的(PAH/PSS)修饰的金膜对金属沉积的阻挡作用修饰的金膜对金属沉积的阻挡作用本讲稿第三十九页，共五十六页SPR传传感感器器:(a)cDNA,(a)单单碱碱基基错错配配DNA,(a)随随机机DNA；纳纳米米金金颗颗粒粒增增强强SPR传传感感器器:(b)cDNA,(b)单单碱碱基基错错配配DNA,(b)随随机机DNA；纳纳米米金金颗颗粒粒催催化化增增长长增增强强SPR传传感感器器:(c)cDNA,(c)单碱基错配单碱基错配DNA,(c)随机随机DNA.(a)cDNA；(b)单单碱碱基基错错配配DNA；(c)随随机机DNA；三三种种传传感感器器分分别别为为(I)纳纳米米金金颗颗粒粒催催化化增增长长增增强强SPR传传感感器器；(II)纳纳 米米 金金 颗颗 粒粒 增增 强强 SPR传传 感感 器器；(III)SPR传感器传感器.CDNA=3.3nM不同方法检测不同方法检测DNA的比较的比较本讲稿第四十页，共五十六页（1）氨基修饰的）氨基修饰的DNA探针固定在金膜表面后的探针固定在金膜表面后的SPR光谱；（光谱；（2）与）与33 nmol/L cDNA杂交之后的杂交之后的SPR光谱；光谱；（3）再与纳米金颗粒标记的巯基）再与纳米金颗粒标记的巯基DNA反应之后的反应之后的SPR光谱；（光谱；（4）在）在Au膜（膜（vs ITO导电玻璃）电位为导电玻璃）电位为-10 V时用时用6 SSC缓冲溶液反复冲洗后的缓冲溶液反复冲洗后的SPR光谱；（光谱；（5）再生处理后的）再生处理后的SPR光谱光谱金膜在金膜带负电的情况下反复冲洗DNA探针纳米金颗粒标记的巯基DNAacDNAababbaaabb ba a再生cDNA:5-GGTTGTGAGGCG CTGCCCAAGCGA-3 Analyst 2008,133（9):1274-1279 基于纳米金颗粒辅助的电洗脱识别单碱基错配基于纳米金颗粒辅助的电洗脱识别单碱基错配DNA本讲稿第四十一页，共五十六页（1）氨基修饰的）氨基修饰的DNA探针固定在金膜表面后的探针固定在金膜表面后的SPR光谱；（光谱；（2）与）与33 nM smDNA1杂交之后的杂交之后的SPR光谱；光谱；（3）再与纳米金颗粒标记的巯基）再与纳米金颗粒标记的巯基DNA反应之后的反应之后的SPR光谱；（光谱；（4）在）在Au膜（膜（vs ITO导电玻璃）电位为导电玻璃）电位为-8 V时时用用6 SSC缓冲溶液反复冲洗后的缓冲溶液反复冲洗后的SPR光谱；（光谱；（5）再生处理后的）再生处理后的SPR光谱光谱金膜在金膜带负电的情况下反复冲洗DNA探针纳 米 金 颗粒 标 记 的巯基DNAab再生smDNAababaabbabaasmDNA1:5-GGTTGTGAGGCG GTGCCCAAGCGA-3 错配位点在与纳米金颗粒标记的巯基错配位点在与纳米金颗粒标记的巯基DNA相对应部分相对应部分本讲稿第四十二页，共五十六页smDNAababbaabaa金膜在金膜带负电的情况下反复冲洗DNA探针纳 米 金 颗粒 标 记 的巯基DNAab再生smDNA6:5-GGTTGTGAGGCC CTGCCCAAGCGA-3 （1）氨基修饰的）氨基修饰的DNA探针固定在金膜表面后的探针固定在金膜表面后的SPR光谱；（光谱；（2）与）与33 nM smDNA1杂交之后的杂交之后的SPR光谱；光谱；（3）再与纳米金颗粒标记的巯基）再与纳米金颗粒标记的巯基DNA反应之后的反应之后的SPR光谱；（光谱；（4）在）在Au膜（膜（vs ITO导电玻璃）电位为导电玻璃）电位为-10 V时用时用6 SSC缓冲溶液反复冲洗后的缓冲溶液反复冲洗后的SPR光谱；（光谱；（5）再生处理后的）再生处理后的SPR光谱光谱错配碱基在与金膜表面固定化错配碱基在与金膜表面固定化DNA探针相对应的部分探针相对应的部分 本讲稿第四十三页，共五十六页（1）与）与33 nM smDNA1（A）或）或smDNA6（B）杂交；（）杂交；（2）与过量的纳米金颗粒标记的巯基）与过量的纳米金颗粒标记的巯基DNA或者巯基或者巯基DNA反应；（反应；（3）当）当Au膜（相对于膜（相对于ITO导电玻璃）的电位为导电玻璃）的电位为-8V（A）或）或-10V（B）时用）时用6 SSC缓冲溶液反复冲洗缓冲溶液反复冲洗5 min；（；（4）再生）再生电洗脱对有或无纳米金颗粒参与的单碱基错配电洗脱对有或无纳米金颗粒参与的单碱基错配DNA杂杂交形成的交形成的dsDNA的影响的影响本讲稿第四十四页，共五十六页基于角度调制的基于角度调制的SPR传感装置传感装置SPR对对附附着着在在金金属属薄薄膜膜表表面面的的介介质质折折射射率率非非常常敏敏感感,当当表表面面介介质质的的属属性性改改变变或或者者附附着着量量改改变变时时，共共振振角角将将不不同同。因因此此，SPR谱谱（共共振角的变化振角的变化vs时间）能够反映与金属膜表面接触的体系的变化。时间）能够反映与金属膜表面接触的体系的变化。本讲稿第四十五页，共五十六页典型响应模式典型响应模式Science 2002,295:2103-2105本讲稿第四十六页，共五十六页Biacore 2000Dimensions:760 x 350 x 610 mmNet Weight:50 kgSpreeta 2000典型仪器典型仪器本讲稿第四十七页，共五十六页微流控微流控SPR芯片芯片The Integrated microfluidics Cartridges used in the Biacore3000本讲稿第四十八页，共五十六页SPR的应用对生物分子进行识别及定量检测研究生物分子间的相互作用用SPR可获得的信息：1.两个分子之间结合的特异性2.目标分子的浓度3.结合以及解离过程的动力学参数4.结合的强度本讲稿第四十九页，共五十六页SPR的优点1.待测物无需标记2.适用于混浊、不透明或者有色溶液3.能实时、连续监测反应动态过程4.检测方便、快捷5.应用范围广本讲稿第五十页，共五十六页SPR缺点1.难以区分非特异性吸附2.对温度、样品组成等干扰因素敏感本讲稿第五十一页，共五十六页SPR技术发展动态1.提高检测灵敏度2.高通量检测（SPR imaging）3.与质谱等高分辨仪器联用4.敏感器件及测量装置的微型化本讲稿第五十二页，共五十六页微流控多通道SPR检测Anal.Chem.2001,73:5525-5531本讲稿第五十三页，共五十六页SPR扫描显微镜Optics Communications 2000,182:1115本讲稿第五十四页，共五十六页多波长SPR成像a 630 nma 630 nm，b 690 nmb 690 nm，c 750 nm.c 750 nm.Rev.Sci.Instrum.2000,71:3530-3538本讲稿第五十五页，共五十六页SPR-MSAnal.Chem.2000,72,4193-4198本讲稿第五十六页，共五十六页