表面等离子共振技术SPR综述.doc
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1、个人收集整理 勿做商业用途表面等离子共振技术(surfaceplasmonresonancetechnology,SPR)综述作者:刘闯等 来源:北京大学单分子与纳米生物学实验室摘要:SPR技术作为检测,分析生物分子相互作用的有效工具,有些国家已经生产出成熟的商业化的SPR传感系统。对SPR生物传感器的工作原理,应用领域,最新进展作出阐述,并对其在生物分子检测领域的应用和研究发展前景进行了讨论。引 言:表面等离子共振技术(surface plasmon resonance technology, SPR)是20世纪90年代发展起来的一种生物分子检测技术,是基于SPR检测生物传感芯片(biose
2、nsor chip)上配位体与分析物作用的一种前沿技术,在20世纪初,Wood观测到连续光谱的偏振光照射金属光栅时出现了反常的衍射现象,并且对这种现象进行 了公开描述。1941年,Fano用金属与空气界面的表面电磁波激发模型对这一现象给出了解释。1957年,Ritchie发现,当电子穿过金属薄片时存 在数量消失峰。他将这种消失峰称之为“能量降低的”等离子模式,并指出了这种模式和薄膜边界的关系,第一次提出了用于描述金属内部电子 密度纵向波动的“金属等离子体的概念.2年后,Powell和Swan用实验证实了Ritche的理论。随后,Stem和Farrell给出了这种等离 子体模式的共振条件,并将其
3、称为“表面等离子共振技术(surface plasmon resonance , SPR)”。1968年,Otto和Kretschmann等人研究了金属和介质界面用光学方式激发SPR的问题。并分别设计了两种棱镜耦合方式。此后, SPR技术获得了长足的发展。1990年,国际上第一台商业生产的生物传感器在瑞典的Biocore公司诞生.实践证明,SPR传感器与传统检测手段比 较,具有无需对样品进行标记,实时监测,灵敏度高等突出优点。所以,在医学诊断,生物监测,生物技术,药品研制和食品安全检测等领域有广阔的应用前景.基本原理1 消失波,在波动光学没有发展起来以前,菲涅尔定理很好地描述了光在介质表面的行
4、走路径。(n1 sin1 = n2 sin2 ), 可以看出,当光从光密介质入射到光疏介质时(n1n2)就会有全反射现象的产生.但以波动光学的角度来重新研究全反射的时候就会发现,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失波。本文为互联网收集,请勿用作商业用途个人收集整理,勿做商业用途图2 消失波在界面的传播2表面等离子波; 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,内部不形成空间电荷。如果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
5、是一种等离子体。当金属受到电磁干扰的时,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 电子系统的纵向集体振荡,并以密度起伏的波的形式来表现。可知,金属中的价电子相当于正离子背景的这种振荡与导电气体中的等离子振荡相似,故称为金属中的 等离子振荡。表面等离子振荡也是如此,我们可以看
6、成其内部也有一定的电子振荡波的存在。3当光线在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时,会在金属膜中产生消失波,消失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。因此,可以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,对应的入射角为共振角.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传感系统一般是由光学系统,传统系统和检测系统这3部分组成的。其中,光学系统包括光源和光路,用以产生合乎性能
7、要求的入射光;传感 系统利用上述原理将待测信息转换为敏感膜的折射率的变化,并通过光学耦合转换为共振角或共振波长的变化;检测系统检测反射光的发光强度,记录共振吸收峰的 位置,当入射波以某一角度或某一波长入射,近场波矢K和SPW的波矢相等,发生谐振,入射光能量耦合到SPW波,反射光强度出现一个凹陷。此时的入射光角 度称为SPR角.SPR角随金表面折射率的变化而变化,而折射率的变化又与金表面结合的分子质量成正比图3 SPR检测原理 当入射波以某一角度或某一波长入射,近场波矢K和SPW的波矢相等,发生谐振,入射光能量耦合到SPW波,反射光强度出现一个凹陷。此时的入射光角度称为SPR角。SPR角随金表面
8、折射率的变化而变化,而折射率的变化又与金表面结合的分子质量成正比。 (生物秀实验频道)仪器工作原理:以瑞典的Biacore 3000型SPR仪为例,介绍这种仪器的工作原理。Biacore3000由工作单元和一台安装有Biacore Control软件的电脑组成。工作单元又分为液体处理单元和光学系统。Biacore3000的工作单元由以下6部分组成两个液体传送泵:其中一个泵负责保持稳定流速的液体流过传感芯片表面,另一个泵负责自动自动进样装置中的样品传送自动上样装置( autosampler):负责样品的混合、注射和回收.一体化U型射流器(Integrated u-Fluidic Cartridg
9、e, IFC):包含液体传送通道,样品环和阀门.检测单元:包括能够产生和测量SPR信号的光电组分。四个可探测的液体池(flow cell):该液体池通过将IFC靠在传感芯片上而形成.微处理装置(microprocessors):它能控制泵,自动上样装置,和IFC的阀门并且能对SPR信号作基本的处理。传感芯片插入检测单元的芯片盒中,引入(dock)仪器后于IFC共同形成液体池。IFC通过连接块与缓冲液相连。连接块上有注射口,通过注射口可以将样品加载到IFC上。温度控制SPR 信号对于温度变化非常敏感,所以在整个实验过程中保持传感芯片表面的温度恒定是非常重要的Biacore 3000采用Pelti
10、er元件来控制传感芯片的表面温度。会不停的闪烁。如果温度不稳定,仪器前部面板上的黄色LED(lightemitting diode通过预先设定,我们可以把温度控制在4-40 C之间任意一点(不能比环境温度低20度)(生物秀实验频道www.bbioo。com)LED状态指示器仪器前部面板上有5个LED状态指示器:Ready(green):灯亮表示电源打开,仪器准备就绪.Error(red):灯亮表示仪器出现问题,当电源打开时,此灯亮几秒钟,如果在其他情况下亮起都说明仪器出现了严重的问题。Temperature(yellow):灯光稳定代表温度稳定,灯光闪烁说明温度不稳定.Sensor chip(
11、green):灯光稳定代表传感芯片安装到位,灯光闪烁表明未安装传感芯片或安装不到位,出现错误。Run(green):仪器在工作时此指示灯亮起. 个人收集整理,勿做商业用途个人收集整理,勿做商业用途SPR仪的传感芯片应用于SPR仪的传感芯片(sensor chip)有两个基本特征:首先是传感芯片玻璃表面覆盖有薄薄的金层,这是产生SPR信号所必需的条件,是探测生物分子间相互作用的基础;另外一个特征 是,在金层的上面又有一种覆层,这种覆层不影响SPR效应,能够连接配体并为所要研究的分子相互作用提供适宜的环境。为方便起见通常我们把连接在传感芯片 上的分子称为配体(ligand),把代测的分子称为分析物
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