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1、表面离子体共振表面离子体共振Surface plasmon resonance 组员：1专业课OutlineSPR技术简介SPR仪器介绍SPR应用2专业课SPR技术简介1.1.表面等离子体共振（表面等离子体共振（Surface plasmon resonanceSurface plasmon resonance，SPRSPR），），又称表面等离子体子共振，表面等离激元共振，是一种物理又称表面等离子体子共振，表面等离激元共振，是一种物理光学现象，有关仪器和应用技术已经成为物理学、化学和生光学现象，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。物学研究的重要工具。2.发展概史发展概
2、史F19021902年，年，WoodWood在光学实验中发现在光学实验中发现SPRSPR现象现象F19411941年，年，FanoFano解释了解释了SPRSPR现象现象F19711971年，年，KretschmannKretschmann结构为结构为SPRSPR传感器奠定了基础传感器奠定了基础F19831983年，年，liedbergliedberg将将SPRSPR用于用于IgGIgG与其抗原的反应测定与其抗原的反应测定F19871987年，年，KnollKnoll等人开始等人开始SPRSPR成像研究成像研究F19901990年，年，Biacore ABBiacore AB公司开发出首台商品
3、化公司开发出首台商品化SPRSPR仪器仪器F 3专业课SPR原理原理什么是等离子体？什么是等离子体？等离子体 =PLASMA = 电浆等离子体的发现： 等离子体通常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 ，是物质存在的一种状态，与固态、液态和气态并列，称为物质的第四态。宇宙中大部分物质处于等离子状态。1879年，英国物理学家 William Crookes-物质第四状态1929年，美国化学物理学家 Langmuir-等离子体4专业课等离子体成分，对外呈现电中性5专业课 等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统，它的主要特征是：1、离子间存在长程库仑作用。2、等
4、离子的运动与电磁场的运动紧密耦合，形态和性质受外加电磁场的影响强烈。3、存在极其丰富的集体效应和集体运动模式(如各种静电波、漂移波等)。4、等离子体对边界条件十分敏感。6专业课 在金属中，价电子为整个晶体所在金属中，价电子为整个晶体所共有，形成所谓费米电子气。价电子共有，形成所谓费米电子气。价电子可在晶体中移动，而金属离子则被束可在晶体中移动，而金属离子则被束缚于晶格位置上，但总的电子密度和缚于晶格位置上，但总的电子密度和离子密度是相同的，从整体来说金属离子密度是相同的，从整体来说金属是电中性的。人们把这种情况形象地是电中性的。人们把这种情况形象地称为称为“金属离子浸没于电子的海洋中金属离子浸
5、没于电子的海洋中”。这种情况和气体放电中的等离子。这种情况和气体放电中的等离子体相似，因此可以把金属看作是一种体相似，因此可以把金属看作是一种电荷密度很高的低温（室温）等离子电荷密度很高的低温（室温）等离子体，而气体放电中的等离子体是一种体，而气体放电中的等离子体是一种高温等离子体，电荷密度比金属中的高温等离子体，电荷密度比金属中的低。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（灰中（灰色背景），（下）电子集体向右移动色背景），（下）电子集体向右移动 什么是金属等离子体？什么是金属等离子体？7专业课等离子波等离子波e正电荷过剩区域库仑力引力斥力
6、平衡点电子间相互斥力 当金属受到电磁干扰时，金属中的电子密度分布就会变得不均匀。设想在某一区域电子密度低于平均密度，那么就会形成局部的正电荷过剩。这时由于库仑引力作用，会把近邻的电子吸引到该区域，而被吸引的电子由于获得附加的动量，又会使该区域聚集过多的负电荷，然而，由于电子间的排斥作用，使电子再度离开该区域，从而形成价电子相对于正电荷背景的起伏振荡。由于库仑力的长程作用，这种局部的电子密度振荡将形成整个电子系统的集体振荡，即等离子震荡，并以密度起伏的波的形式来表现，称为等离子波。8专业课 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，其场矢量在界面处达到最大
7、，并在两种介质中逐渐衰减。表面等离子体波是TM极化波，即横磁波（Transverse Magnetic mode），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。 表面等离子体波表面等离子体波（Surface plasma wave，SPW）9专业课全反射全反射n1 sin1 = n2 sin2菲涅尔定理：菲涅尔定理：密疏密疏当光从光密介质射入光疏介质（n1n2），入射角增大到某一角度，使折射角达到90时，折射光将完全消失，而只剩下反射光，这种现象叫做全反射。10专业课 当以波动光学的角度来研究全反射时，人们发现当入射光到达界面时并不是直接产生反射光，而是先透过光疏介质约一个波
8、长的深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介质，而光的总能量没有发生改变。则透过光疏介质的波被称为消逝波。界面界面疏密消逝波消逝波11专业课SPR基本原理它它利利用用P P偏偏振振光光在在玻玻璃璃与与金金属属薄薄膜膜界界面面处处发发生生全全内内反反射射时时渗渗透透到到金金属属薄薄膜膜内内的的消消失失波波, ,引引发发金金属属中中的的自自由由电电子子产产生生表表面面等等离离子子体体子子, , 当当表表面面等等离离子子体体与与消消失失波波的的频频率率相相等等时时, ,二二者者将将发发生生共共振振, ,界界面面处处的的全全反反射射条条件件将将被被破破坏坏, 呈呈现现衰衰减减全全反反射射现现象象，入入
9、射射光光被被金金属属表表面面电电子子吸吸收收, ,使使反反射射光光能能量急剧下降量急剧下降12专业课SPR基本原理当入射光波长固定时，反射光强度是入射角的函数，其中反射光强度最低时所对应的入射角称为共振角共振角13专业课SPR检测原理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（共共振振角角的的变变化化vs时时间间）能能够够反反映映与与金金属属膜膜表表面面接接触的体系的变化。触的体系的变化。14专业课棱镜耦合 棱镜是棱镜是SPRSP
10、R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，其底部镀有厚度为吸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。在膜（一般为金或银），膜下面是电介质。在SPRSPR传感器中，该电介质即为待传感器中，该电介质即为待测样品。由光源发出的测样品。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。当金属的界面处将发生反射和折射。当0 0大于临界角大于
11、临界角c c时，光线将发生全内时，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。这里入射光应当用入射光应当用p p- -偏振光，因为其电场分量与界面垂直，这与表面等离子体偏振光，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。波的情况一致。 15专业课 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 、金属薄膜的介电常数金属薄膜的介电常数 s s及电介质的折射率及电介质的折射率n ns s有关，发生共有关，发生共振时振时和
12、和 分别称为共振角度和共振波长。对于同一种金分别称为共振角度和共振波长。对于同一种金属薄膜，如果固定属薄膜，如果固定，则，则 与与nsns有关；固定有关；固定 ，则，则与与nsns有有关。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，就可以得到样品的介电常数以得到样品的介电常数 s s或折射率或折射率n ns s；如果样品的化学或；如果样品的化学或生物性质发生变化，引起生物性质发生变化，引起n ns s的改变，则的改变，则或或 也会发生变也会发生变化，这样，检测这一变化就可获得样品性质的变化。化，这样，检测这一变化就可获得样品性质的变化。固定入射
13、光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变固定入射光的波长，改变入射角，可得到角度随反射率变化的化的SPRSPR光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，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可得到波长随反射率变化的SPRSPR光谱。光谱。SPRSPR光谱的改变反映光谱的改变反映了体系性质的变化。了体系性质的变化。16专业课 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、数据采集和传感器的包括：光学系统、敏感元件、数据采集和处理系统。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）调节传感器
14、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，用于产生部件以及光检测器件，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，是化学或生物信息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的的原理可知，实际上是样品的折射率的变化引起原理可知，实际上是样品的折射率的变化引起SPR光谱的变化。如果金光谱的变化。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，只能用于一属薄膜未经任何修
15、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，以获得对被测对象的选择些简单体系的测定，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。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，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处的信号变化。数据采集和处理均由计算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。机完成。17专业课4种
16、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：波长调制：固定固定inin ，改变，改变inin3.3.强度调制：强度调制：固定固定inin 、inin，改变光强，改变光强4.4.相位调制：相位调制：固定固定inin 、inin，测相差，测相差18专业课一一个个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、选选择择性性和响应时间等，取决于其各个组成部分的性能。和响应时间等，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
17、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
18、种金金属属。在在生生物物体体系系的的测测量量中中，常常常常有有氯氯离离子子存存在在，用用银银膜膜不不太太合合适适，一一般般都都用用金金膜。膜。19专业课SPR传感器的基本结构1.光波导耦合器件2.金属膜3.分子敏感膜20专业课光波导耦合器件Krestschmann棱镜型Otto棱镜型光纤在线传输式光纤终端反射式光栅型金属膜分子敏感膜21专业课金属膜u反射率高u化学稳定性好Au 膜和Ag 膜是SPR 中最常用的两种金属薄膜u膜的厚度：50-100nm22专业课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
19、膜技术23专业课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24专业课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25专业课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26专业课提高SPR检测灵敏度的方法纳米技术的应用以纳米粒子作为载体，夹心法测定采用新型检测方法光声光谱( PAS) 、光热偏转光谱(PDS)、反射干涉光谱、Ellipsometric Microscopy、电化学法27专业课微流控多通
20、道SPR检测Anal. Chem. 2001,73: 5525-553128专业课SPR扫描显微镜Optics Communications 2000, 182 : 111529专业课多波长SPR成像a 630 nma 630 nm，b 690 nmb 690 nm，c 750 nm.c 750 nm.Rev. Sci. Instrum. 2000, 71: 3530-353830专业课SPR-MSAnal. Chem. 2000, 72,4193-419831专业课SPR-MSAnal. Chem. (2000)404 A-411 A32专业课微型化Biacore 2000Dimension
21、s: 760 x 350 x 610 mmNet Weight: 50 kgSpreeta 200033专业课微流控SPR芯片The Integrated microfluidics Cartridges used in the Biacore300034专业课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35专业课FElucidate the function of novel proteins in proteomics researchFIdentify b
22、inding partners to any target molecule ligand fishingFDetermine the nature of protein complexes and their functionFUnravel the intricate molecular interactions involved in cell signaling pathwaysFStudy membrane associated molecules in near native environmentsApplications in life science research36专业
23、课Applications in life science researchFDetermine expression levels of selected proteins under different conditions, for example, health, disease, drug treatmentFInvestigate the binding properties of protein isoformsFFind antagonists to critical binding eventsFIdentify disease markers in clinical sam
24、plesFOptimize therapeutic antibodiesFEvaluate ion selectivity in signaling pathwaysFIdentify DNA damage mutations, DNA adducts etc37专业课Applications in Drug DiscoveryFProteomics target identification and ligand fishingFTarget and assay validation for High Throughput Screening (HTS)FHit to lead charac
25、terization rapid affinity ranking and detailed kinetics of interaction for small molecules binding to target proteinsFLead optimization through interaction kinetic based QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship)FEarly ADME (Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion) rapid in vitro as
26、says for defined ADME parameters, such as protein binding studiesFClinical trials stratification of patient response to therapeuticsFProduction and manufacturing process and batch QC of therapeutic antibodies and proteins38专业课Applications in Food AnalysisFQuality control Rapid and reliable vitamin a
27、nalysis in health and nutrition food manufacturingFFood Safety Reliable screening for veterinary drug residues such as antibiotics and -Agonists in dairy and meat urveillance schemes and industryFFood Safety Optimization of screening assays for monitoring hazardous natural toxins in food and feedFR&D Assay construction for the identification of hormone disrupters and to investigate their mechanism of actionFProcess control Monitoring of specific analytes in food and beverage production39专业课 40专业课
