第3章表面等離子體共振技術(shù)課件

目錄3-1表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生

3-1-1SPR簡(jiǎn)史

3-1-2金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)

3-1-3金屬表面的等離子體振動(dòng)

3-1-4產(chǎn)生表面等離子體共振的方法3-2SPR傳感器的基本概念

3-2-1傳感器的基本原理

3-2-2傳感器的基本結(jié)構(gòu)3-3典型的SPR傳感器及其應(yīng)用目錄3-1表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生13-1-1SPR簡(jiǎn)史1902年，Wood在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)SPR現(xiàn)象1941年，F(xiàn)ano解釋了SPR現(xiàn)象1971年，Kretschmann結(jié)構(gòu)為SPR傳感器奠定了基礎(chǔ)1982年，Lundstr?m將SPR用于氣體的傳感（第一次）1983年，liedberg將SPR用于IgG與其抗原的反應(yīng)測(cè)定1987年，Knoll等人開始SPR成像研究1990年，BiacoreAB公司開發(fā)出首臺(tái)商品化SPR儀器

表面等離子體共振（Surfaceplasmonresonance，SPR），又稱表面等離子體子共振，表面等離激元共振，是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，有關(guān)儀器和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)研究的重要工具，。3-1-1SPR簡(jiǎn)史1902年，Wood在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)S2

在金屬中，價(jià)電子為整個(gè)晶體所共有，形成所謂費(fèi)米電子氣。價(jià)電子可在晶體中移動(dòng)，而金屬離子則被束縛于晶格位置上，但總的電子密度和離子密度是相同的，從整體來說金屬是電中性的。人們把這種情況形象地稱為“金屬離子浸沒于電子的海洋中”。這種情況和氣體放電中的等離子體相似，因此可以把金屬看作是一種電荷密度很高的低溫（室溫）等離子體，而氣體放電中的等離子體是一種高溫等離子體，電荷密度比金屬中的低。金屬板中電子氣的位移（上）金屬離子（+）位于“電子海洋”中（灰色背景），（下）電子集體向右移動(dòng)在金屬中，價(jià)電子為整個(gè)晶體所共有，形成3 五十年代，為了解快速電子穿過金屬箔時(shí)的能量損失，人們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論工作。Pine和Bohm認(rèn)為，其中能量損失的部分原因是激發(fā)了金屬箔中電子的等離子體振動(dòng)（Plasmaoscillation），又稱為等離子體子（plasmon）。Ritchie從理論上探討了無限大純凈金屬箔中由于等離子體振動(dòng)而導(dǎo)致的電子能量損失，同時(shí)也考慮了有限大金屬箔的情況，指出：不僅等離子體內(nèi)部存在角頻率為ωp的等離子體振動(dòng)，而且在等離子體和真空的界面，還存在表面等離子體振動(dòng)（Surfaceplasmaoscillation），其角頻率為。Powell和Swan用高能電子發(fā)射法測(cè)定了金屬鋁的特征電子能量損失，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用Ritchie的理論來解釋。Stern和Ferrell將表面等離子體振動(dòng)的量子稱為表面等離子體子（Surfaceplasmon），研究了金屬表面有覆蓋物時(shí)的表面等離子體振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)金屬表面很薄的氧化物層也會(huì)引起這種振動(dòng)的明顯改變。他們還預(yù)言：由于表面等離子體振動(dòng)對(duì)表面涂層的敏感，那么通過選擇合適的涂層，表面特征能量損失的值會(huì)在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化。 五十年代，為了解快速電子穿過金屬箔時(shí)的能量損失，人們進(jìn)行4

除電子以外，用電磁波，如光波，也能激發(fā)表面等離子體振動(dòng)。二十世紀(jì)初，Wood首次描述了衍射光柵的反常衍射現(xiàn)象，這實(shí)際上就是由于光波激發(fā)了表面等離子體振動(dòng)所致。六十年代晚期，Kretschmann和Otto采用棱鏡耦合的全內(nèi)反射方法，實(shí)現(xiàn)了用光波激發(fā)表面等離子體振動(dòng)，為SPR技術(shù)的應(yīng)用起了巨大的推動(dòng)作用。他們的實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單而巧妙，仍然是目前SPR裝置上應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。(A)Kretschman(B)OttoPrismgMetalmSamples0kevkspxzPrismgSamplesMetalm0k'evksp 除電子以外，用電磁波，如光波，也能激發(fā)表面等離子體振動(dòng)。53-1-2金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)因?yàn)榻饘僦械膬r(jià)電子可以自由移動(dòng)，入射光可能激起電子氣的縱向振動(dòng)。如果由于入射電子的作用，金屬中電子向右移動(dòng)了一段距離，因此在右邊就有了電子堆積。設(shè)ne為電子密度，右邊出現(xiàn)的面電荷密度為-nee，左邊的面電荷密度為+nee，則金屬的極化強(qiáng)度p為：由極化產(chǎn)生的電場(chǎng)Ep為:在這個(gè)電場(chǎng)的作用下，電子有向左移的傾向，于是產(chǎn)生了振動(dòng)。如果不考慮振動(dòng)能量的衰減，單位體積內(nèi)的電子氣的振動(dòng)方程式為：式中m為電子的質(zhì)量，e為電子的電荷量，p為無衰減時(shí)的等離子體振動(dòng)的角頻率，則

或3-1-2金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)因?yàn)榻饘僦械膬r(jià)電子可以自6等離子體子（plasmon，又稱等離激元）的量子能量為：對(duì)金屬來說，ne≈1023/cm3，將此值代入式（5-6），可得金屬中等離子體子的量子能量約為：如果考慮了金屬內(nèi)電子的衰減，弛豫時(shí)間為τ，在外電場(chǎng)的存在下，電子只沿z方向運(yùn)動(dòng)，則電子的運(yùn)動(dòng)方程（Drude方程）為：等離子體子（plasmon，又稱等離激元）的量子能量為：7由此可得：代入，則復(fù)數(shù)介電常數(shù)若忽略衰減，即時(shí)，有：根據(jù)等離子體理論，產(chǎn)生固體等離子體波應(yīng)滿足由此可得：83-1-3金屬表面的等離子體振動(dòng)上節(jié)所述的是金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)，即體積等離子體振動(dòng)（Volumeplasmaoscillation）。而在金屬表面也存在電荷密度振動(dòng)，稱為表面等離子體振動(dòng)，其角頻率ωs與體積等離子體的不同，它們之間存在以下關(guān)系：若金屬表面覆蓋有介電常數(shù)為的薄層，則這種特殊表面的等離子體振動(dòng)的角頻率ms為：3-1-3金屬表面的等離子體振動(dòng)上節(jié)所述的是金屬內(nèi)部的等93-1-4產(chǎn)生表面等離子體共振的方法表面等離子體振動(dòng)產(chǎn)生的電荷密度波，沿著金屬和電介質(zhì)的界面?zhèn)鞑?，形成表面等離子體波（Surfaceplasmawave，SPW），其場(chǎng)矢量在界面處達(dá)到最大，并在兩種介質(zhì)中逐漸衰減。表面等離子體波是TM極化波，即橫波，其磁場(chǎng)矢量與傳播方向垂直，與界面平行，而電場(chǎng)矢量則垂直于界面。在半無窮電介質(zhì)和金屬界面處，角頻率為的表面等離子體波的波矢量為：式中c是真空中的光速，εm和εa分別是金屬和電介質(zhì)的介電常數(shù)。表面等離子體波的波矢量是復(fù)數(shù)，因?yàn)榻饘俚慕殡姵?shù)是復(fù)數(shù)（εm=εmr+iεmi）。金屬的εmr/εmi比高，波矢量的實(shí)部分可近似為：3-1-4產(chǎn)生表面等離子體共振的方法表面等離子體振動(dòng)產(chǎn)生的10電磁波在真空中的速度c與在不導(dǎo)電的均勻介質(zhì)中的速度v之比稱為電介質(zhì)的折射率n：在光波的頻率下，電介質(zhì)一般為非磁性的，≈1，有：則：頻率為ω的通過電介質(zhì)傳遞的光的波矢量ka為：電磁波在真空中的速度c與在不導(dǎo)電的均勻介質(zhì)中的速度v之比稱為11要使光波和表面等離子體波之間發(fā)生共振，必須有：

但是，電介質(zhì)中光的（ka）總是在（kspw）的左邊，從不交叉，即（kspw）<（ka）。因此，電介質(zhì)中的光不能直接激發(fā)表面等離子體子共振（SPR），必須要設(shè)法移動(dòng)（kspw）或（ka）的色散曲線的位置，使兩者相交?？衫霉鈱W(xué)耦合器件，如棱鏡、光柵以及光學(xué)波導(dǎo)器件達(dá)到這一目的。要使光波和表面等離子體波之間發(fā)生共振，必須有：但是，12棱鏡耦合

棱鏡是SPR研究中應(yīng)用最為廣泛的光學(xué)耦合器件。棱鏡由高折射率的非吸收性的光學(xué)材料構(gòu)成，其底部鍍有厚度為50nm左右的高反射率的金屬薄膜（一般為金或銀），膜下面是電介質(zhì)。在SPR傳感器中，該電介質(zhì)即為待測(cè)樣品。由光源發(fā)出的p-偏振光以一定的角度θ0入射到棱鏡中，在棱鏡與金屬的界面處將發(fā)生反射和折射。當(dāng)θ0大于臨界角θc時(shí)，光線將發(fā)生全內(nèi)反射，即全部返回到棱鏡中，然后，從棱鏡的另一個(gè)側(cè)面折射出去。這里入射光應(yīng)當(dāng)用p-偏振光，因?yàn)槠潆妶?chǎng)分量與界面垂直，這與表面等離子體波的情況一致。棱鏡耦合棱鏡是SPR研究中應(yīng)用最為廣泛的光學(xué)耦合器13在全內(nèi)反射的情況下，電場(chǎng)在金屬與棱鏡的界面處并不立即消失，而是向金屬介質(zhì)中傳輸振幅呈指數(shù)衰減的消失波。該消失波沿X軸方向傳播的與表面平行的波矢分量kev為：通過調(diào)節(jié)θ0

或ωa，可使kev=kspw，消失波與表面等離子體波共振，即表面等離子體子共振，有：由上式可見，若入射光的波長(zhǎng)一定，即ωa一定時(shí)，ns改變，則必須改變?chǔ)?以滿足共振條件；若θ0一定時(shí)，ns改變，則必須改變?chǔ)豠以滿足共振條件，這可通過改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)λ來實(shí)現(xiàn)。此時(shí)θ0和λ分別稱為共振角和共振波長(zhǎng)。在全內(nèi)反射的情況下，電場(chǎng)在金屬與棱鏡的界面處并不立即消失，而14典型的SPR光譜典型的SPR光譜15目錄3-1表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生

3-1-1SPR簡(jiǎn)史

3-1-2金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)

3-1-3金屬表面的等離子體振動(dòng)

3-1-4產(chǎn)生表面等離子體共振的方法3-2SPR傳感器的基本概念

3-2-1傳感器的基本原理

3-2-2傳感器的基本結(jié)構(gòu)3-3典型的SPR傳感器及其應(yīng)用目錄3-1表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生163-2-1傳感器的基本原理表面等離子體子共振的產(chǎn)生與入射光的角度θ、波長(zhǎng)、金屬薄膜的介電常數(shù)s及電介質(zhì)的折射率ns有關(guān)，發(fā)生共振時(shí)θ和分別稱為共振角度和共振波長(zhǎng)。對(duì)于同一種金屬薄膜，如果固定θ，則與ns有關(guān)；固定，則θ與ns有關(guān)。如果將電介質(zhì)換成待測(cè)樣品，測(cè)出共振時(shí)的θ或，就可以得到樣品的介電常數(shù)s或折射率ns；如果樣品的化學(xué)或生物性質(zhì)發(fā)生變化，引起ns的改變，則θ或也會(huì)發(fā)生變化，這樣，檢測(cè)這一變化就可獲得樣品性質(zhì)的變化。固定入射光的波長(zhǎng)，改變?nèi)肷浣?，可得到角度隨反射率變化的SPR光譜；同樣地，固定入射光的角度，改變波長(zhǎng)，可得到波長(zhǎng)隨反射率變化的SPR光譜。SPR光譜的改變反映了體系性質(zhì)的變化。3-2-1傳感器的基本原理表面等離子體子共振的產(chǎn)生與入射光173-2-2傳感器的基本結(jié)構(gòu)一般來說，一個(gè)SPR傳感器的包括：光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。SPR傳感器的光學(xué)部分包含光源、光學(xué)耦合器件、角度（或波長(zhǎng)）調(diào)節(jié)部件以及光檢測(cè)器件，用于產(chǎn)生SPR并檢測(cè)SPR光譜的變化。敏感元件主要指金屬薄膜及其表面修飾的敏感物質(zhì)，用于將待測(cè)對(duì)象的化學(xué)或生物信息轉(zhuǎn)換成折射率的變化，是SPR傳感器的關(guān)鍵。從SPR的原理可知，實(shí)際上是樣品的折射率的變化引起SPR光譜的變化。如果金屬薄膜未經(jīng)任何修飾，這樣的傳感器是沒有什么選擇性的，只能用于一些簡(jiǎn)單體系的測(cè)定，因而一般都要進(jìn)行修飾，以獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象的選擇性識(shí)別能力。數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)用于采集和處理光檢測(cè)器產(chǎn)生的電子信號(hào)?，F(xiàn)在光檢測(cè)器越來越多地采用陣列檢測(cè)器，如光電二極管陣列和電荷耦合器件，以便同時(shí)檢測(cè)多個(gè)角度或波長(zhǎng)處的信號(hào)變化。數(shù)據(jù)采集和處理均由計(jì)算機(jī)完成。3-2-2傳感器的基本結(jié)構(gòu)一般來說，一個(gè)SPR傳感器的包括184種檢測(cè)方式角度調(diào)制：固定λin，改變?chǔ)萯n波長(zhǎng)調(diào)制：固定θin，改變?chǔ)薸n強(qiáng)度調(diào)制：固定θin、λin，改變光強(qiáng)相位調(diào)制：固定θin、λin，測(cè)相差4種檢測(cè)方式角度調(diào)制：固定λin，改變?chǔ)萯n19一個(gè)SPR傳感器的主要性能特點(diǎn)，如靈敏度、穩(wěn)定性、分辨率、選擇性和響應(yīng)時(shí)間等，取決于其各個(gè)組成部分的性能。SPR傳感器使用時(shí)，一般是先在金屬薄膜表面修飾一層敏感物質(zhì)，以便與樣品中的待測(cè)組分選擇性地作用。這一相互作用會(huì)引起敏感層折射率的改變，導(dǎo)致SPR信號(hào)的變化，從而獲得待測(cè)樣品的化學(xué)或生物信息。如果不對(duì)金屬薄膜進(jìn)行修飾，這樣的傳感器也可用于一些簡(jiǎn)單體系的檢測(cè)，如一些濃度隨折射率變化的溶液（乙醇、蔗糖、葡萄糖等的水溶液）。金和銀相對(duì)來說比較穩(wěn)定，且反射率高，是比較常用的兩種金屬。在生物體系的測(cè)量中，常常有氯離子存在，用銀膜不太合適，一般都用金膜。一個(gè)SPR傳感器的主要性能特點(diǎn)，如靈敏度、穩(wěn)定性、分辨率、選20目錄3-1表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生

3-1-1SPR簡(jiǎn)史

3-1-2金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)

3-1-3金屬表面的等離子體振動(dòng)

3-1-4產(chǎn)生表面等離子體共振的方法3-2SPR傳感器的基本概念

3-2-1傳感器的基本原理

3-2-2傳感器的基本結(jié)構(gòu)3-3典型的SPR傳感器及其應(yīng)用目錄3-1表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生21ComputerPrismLCPDGCCDAuBSample

inSampleoutGlassslideAufilmPrism0.1mmL：鹵鎢燈；C：平行光管；P：偏振片；D：光闌；G：光柵；B：玻片基于波長(zhǎng)調(diào)制的SPR傳感器裝置ComputerPrismL22葡萄糖溶液的測(cè)定SPR光譜（葡萄糖，銀膜）響應(yīng)曲線（葡萄糖，銀膜）裸金屬膜對(duì)其表面溶液的折射率變化非常敏感，可用于一些簡(jiǎn)單樣品的分析，此處用SPR傳感器測(cè)定了醫(yī)用葡萄糖注射液的濃度。該法所得結(jié)果與藥典法相符，可用于葡萄糖注射液生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。葡萄糖溶液的測(cè)定SPR光譜（葡萄糖，銀膜）響應(yīng)曲線（葡萄糖23乙肝表面抗原（HBsAg）的測(cè)定病毒性肝炎是人群中最常見的傳染性疾病之一，對(duì)人體健康危害很大。我國(guó)是乙型肝炎的高發(fā)區(qū)，人群總感染率高達(dá)60%，乙型肝炎表面抗原（HBsAg）攜帶者至少有1.2億，其中約10%最終轉(zhuǎn)化為各種慢性肝病，包括慢性肝炎、肝硬化甚至肝癌。作為乙型肝炎的早期診斷指標(biāo)之一，HBsAg的測(cè)定在臨床上具有重要意義。目前用到的臨床檢驗(yàn)方法有：血細(xì)胞凝集法（PHA、RPHA）、酶聯(lián)免疫法（EIA、ELISA）、放射免疫法（RIA）、全血凝集法、斑點(diǎn)雜交法、聚合酶鏈反應(yīng)法（PCR）等等，其中放射免疫法較為靈敏，可檢出血清中0.1ng/mL的HBsAg，但存在放射性污染的問題。酶聯(lián)免疫吸附法（ELISA）由于簡(jiǎn)單、方便、快速，目前是臨床診斷中最常用的，其檢出限一般為1ng/mLHBsAg。如果能進(jìn)一步提高靈敏度，對(duì)及早發(fā)現(xiàn)、診斷和治療乙型肝炎無疑具有非常重要的意義。乙肝表面抗原（HBsAg）的測(cè)定病毒性肝炎是人群中最常見的24利用胱胺將HBsAg單克隆抗體固定于金膜表面利用胱胺將HBsAg單克隆抗體固定于金膜表面25以A蛋白為連接層固定HBsAg單克隆抗體M：金膜，G：玻片，Ag：血清中的HBsAg，Ab：HBsAg單克隆抗體，PA：A蛋白以A蛋白為連接層固定HBsAg單克隆抗體26胱胺固定法中HBsAg與抗體結(jié)合前后的SPR光譜圖檢測(cè)限為0.01ng/mL胱胺固定法中HBsAg與抗體結(jié)合前后的SPR光譜圖檢測(cè)限為27固定化DNA單層的電致開關(guān)行為研究

固定化DNA探針的取向直接影響到固液兩相之間的DNA雜交。固定化DNA易于被電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)離或靠近固體表面，構(gòu)成一種納米尺度上的“開關(guān)”。

SPR傳感技術(shù)是一種對(duì)金屬薄膜表面介質(zhì)層的折射率變化極為敏感的光學(xué)傳感技術(shù),非常適合于研究固定化單分子層的性質(zhì)。然而，如果在SPR傳感器中使用經(jīng)典的三電極體系施加電場(chǎng)，對(duì)金膜本身的SPR光譜有較大影響。Knolletal.Langmuir2005,21:348-353固定化DNA單層的電致開關(guān)行為研究固定化DN28ComputerPrismLCPDGCCDAuBSample

inSampleoutITOfilmGlassslideAufilmPrism1.34mm1.48mmEL：鹵鎢燈；C：平行光管；P：偏振片；D：光闌；G：光柵；E：直流電源；B：ITO導(dǎo)電玻璃ComputerPrismL29Auglass++Au++

Au

conductivelayerglassconductivelayer++++glassconductivelayer----（A）金膜不帶電荷；（B）金膜帶負(fù)電荷；（C）金膜帶正電荷.ABC金膜表面固定化DNA探針的取向Auglass++Au++Au30電場(chǎng)對(duì)金膜表面固定化DNA探針的作用

（a）金膜帶正電荷；（b）斷開電路；（c）金膜帶負(fù)電荷；（d）斷開電路.不同強(qiáng)度的電場(chǎng)對(duì)DNA探針的作用電場(chǎng)在-1.5V與1.5V間切換（1）金膜帶負(fù)電荷；（2）金膜帶正電荷電場(chǎng)對(duì)金膜表面固定化DNA探針的作用（a）金膜帶正電荷；（31（1）金膜帶負(fù)電荷；（2）金膜不帶電荷；（3）金膜帶正電荷.不同強(qiáng)度的電場(chǎng)對(duì)固定化DNA探針捕獲cDNA的影響電場(chǎng)對(duì)不同濃度cDNA雜交的影響E=1.5VCDNA=2.83nM電場(chǎng)對(duì)DNA雜交的作用（1）金膜帶負(fù)電荷；（2）金膜不帶電荷；（3）金膜帶正電荷.32表面覆蓋率的影響

電場(chǎng)（金膜與ITO導(dǎo)電玻璃之間電位差為1.5V）對(duì)不同表面覆蓋率的DNA探針的作用5.871012

電場(chǎng)（金膜與ITO導(dǎo)電玻璃之間的電位差為1.5V）對(duì)不同表面覆蓋率的DNA雜交的影響，cDNA濃度為5.65nmol/L表面覆蓋率的影響電場(chǎng)（金膜與ITO導(dǎo)電玻璃之間電位差為1.33

基于SiO2包被金膜的納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器及其DNA檢測(cè)應(yīng)用(Biosens.Bioelectron.2007,22,1106-1110)SiO2AuabNADH+HAuCl4dc(a)生物素化的DNA探針；(b)目標(biāo)DNA；(c)巰基DNA修飾的納米金顆粒；(d)納米金顆粒催化增長(zhǎng).SiO2包被金膜的納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感檢測(cè)DNA原理示意圖基于SiO2包被金膜的納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器及34SiO2層對(duì)金沉積的阻擋作用

金膜SiO2包被的金膜（1）與催化增長(zhǎng)試劑反應(yīng)前；（2）與催化增長(zhǎng)試劑反應(yīng)后SiO2層對(duì)金沉積的阻擋作用金膜35SPR傳感器:(a)cDNA,(a’)單堿基錯(cuò)配DNA,(a’’)隨機(jī)DNA；納米金顆粒增強(qiáng)SPR傳感器:(b)cDNA,(b’)單堿基錯(cuò)配DNA,(b’’)隨機(jī)DNA；納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器:(c)cDNA,(c’)單堿基錯(cuò)配DNA,(c’’)隨機(jī)DNA.不同方法檢測(cè)DNA的比較(a)cDNA；(b)單堿基錯(cuò)配DNA；(c)隨機(jī)DNA；三種傳感器分別為(I)納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器；(II)納米金顆粒增強(qiáng)SPR傳感器；(III)SPR傳感器.

CDNA=3.3nMSPR傳感器:(a)cDNA,(a’)單堿基錯(cuò)配DNA,36Sensors&Actuators2007,123,227-232.(a)金膜；(b)聚電解質(zhì)自組裝多層膜(PAH/PSS)3；(c)親和素；(d)生物素化的DNA探針；(e)目標(biāo)DNA；(f)巰基DNA修飾的納米金顆粒；(g)納米金顆粒催化增長(zhǎng).NADH+HAuCl4gdcbafe基于聚電解質(zhì)自組裝多層膜修飾金膜的納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器及其DNA檢測(cè)應(yīng)用Sensors&Actuators2007,123,37聚電解質(zhì)自組裝薄膜對(duì)金屬沉積的阻擋作用不同層數(shù)的(PAH/PSS)修飾的金膜對(duì)金屬沉積的阻擋作用聚電解質(zhì)自組裝薄膜對(duì)金屬沉積的阻擋作用不同層數(shù)的(PAH/P38SPR傳感器:(a)cDNA,(a’)單堿基錯(cuò)配DNA,(a’’)隨機(jī)DNA；納米金顆粒增強(qiáng)SPR傳感器:(b)cDNA,(b’)單堿基錯(cuò)配DNA,(b’’)隨機(jī)DNA；納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器:(c)cDNA,(c’)單堿基錯(cuò)配DNA,(c’’)隨機(jī)DNA.(a)cDNA；(b)單堿基錯(cuò)配DNA；(c)隨機(jī)DNA；三種傳感器分別為(I)納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器；(II)納米金顆粒增強(qiáng)SPR傳感器；(III)SPR傳感器.CDNA=3.3nM不同方法檢測(cè)DNA的比較SPR傳感器:(a)cDNA,(a’)單堿基錯(cuò)配DNA,39（1）氨基修飾的DNA探針固定在金膜表面后的SPR光譜；（2）與33nmol/LcDNA雜交之后的SPR光譜；（3）再與納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNA反應(yīng)之后的SPR光譜；（4）在Au膜（vsITO導(dǎo)電玻璃）電位為-10V時(shí)用6×SSC緩沖溶液反復(fù)沖洗后的SPR光譜；（5）再生處理后的SPR光譜金膜在金膜帶負(fù)電的情況下反復(fù)沖洗DNA探針納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNAacDNAa’b’a’b’baa’abbb’aa’再生cDNA:5-GGTTGTGAGGCGCTGCCCAAGCGA-3

Analyst2008,133（9):1274-1279基于納米金顆粒輔助的電洗脫識(shí)別單堿基錯(cuò)配DNA（1）氨基修飾的DNA探針固定在金膜表面后的SPR光譜；（240（1）氨基修飾的DNA探針固定在金膜表面后的SPR光譜；（2）與33nMsmDNA1雜交之后的SPR光譜；（3）再與納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNA反應(yīng)之后的SPR光譜；（4）在Au膜（vsITO導(dǎo)電玻璃）電位為-8V時(shí)用6×SSC緩沖溶液反復(fù)沖洗后的SPR光譜；（5）再生處理后的SPR光譜金膜在金膜帶負(fù)電的情況下反復(fù)沖洗DNA探針納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNAab再生smDNAa’b’’a’b’’aa’b’’bab’’a’asmDNA1:5-GGTTGTGAGGCGGTGCCCAAGCGA-3

錯(cuò)配位點(diǎn)在與納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNA相對(duì)應(yīng)部分（1）氨基修飾的DNA探針固定在金膜表面后的SPR光譜；（241smDNAa’’b’a’’b’baa’’b’aa金膜在金膜帶負(fù)電的情況下反復(fù)沖洗DNA探針納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNAab再生smDNA6:5-GGTTGTGAGGCCCTGCCCAAGCGA-3

（1）氨基修飾的DNA探針固定在金膜表面后的SPR光譜；（2）與33nMsmDNA1雜交之后的SPR光譜；（3）再與納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNA反應(yīng)之后的SPR光譜；（4）在Au膜（vsITO導(dǎo)電玻璃）電位為-10V時(shí)用6×SSC緩沖溶液反復(fù)沖洗后的SPR光譜；（5）再生處理后的SPR光譜錯(cuò)配堿基在與金膜表面固定化DNA探針相對(duì)應(yīng)的部分smDNAa’’b’a’’b’baa’’b’aa金膜在金膜帶42（1）與33nMsmDNA1（A）或smDNA6（B）雜交；（2）與過量的納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNA或者巰基DNA反應(yīng)；（3）當(dāng)Au膜（相對(duì)于ITO導(dǎo)電玻璃）的電位為-8V（A）或-10V（B）時(shí)用6×SSC緩沖溶液反復(fù)沖洗5min；（4）再生電洗脫對(duì)有或無納米金顆粒參與的單堿基錯(cuò)配DNA雜交形成的dsDNA的影響（1）與33nMsmDNA1（A）或smDNA6（B）43基于角度調(diào)制的SPR傳感裝置SPR對(duì)附著在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率非常敏感,當(dāng)表面介質(zhì)的屬性改變或者附著量改變時(shí)，共振角將不同。因此，SPR譜（共振角的變化vs時(shí)間）能夠反映與金屬膜表面接觸的體系的變化?；诮嵌日{(diào)制的SPR傳感裝置SPR對(duì)附著在金屬薄膜表面的介質(zhì)44典型響應(yīng)模式Science2002,295:2103-2105典型響應(yīng)模式Science2002,295:2103-45Biacore2000Dimensions:760x350x610mmNetWeight:50kgSpreeta2000典型儀器Biacore2000Spreeta2000典型儀器46微流控SPR芯片TheIntegratedmicrofluidicsCartridgesusedintheBiacore?3000微流控SPR芯片TheIntegratedmicrofl47SPR的應(yīng)用對(duì)生物分子進(jìn)行識(shí)別及定量檢測(cè) 研究生物分子間的相互作用 用SPR可獲得的信息：兩個(gè)分子之間結(jié)合的特異性目標(biāo)分子的濃度結(jié)合以及解離過程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)結(jié)合的強(qiáng)度SPR的應(yīng)用對(duì)生物分子進(jìn)行識(shí)別及定量檢測(cè) 用SPR可獲得的信48SPR的優(yōu)點(diǎn)待測(cè)物無需標(biāo)記適用于混濁、不透明或者有色溶液能實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)反應(yīng)動(dòng)態(tài)過程檢測(cè)方便、快捷應(yīng)用范圍廣SPR的優(yōu)點(diǎn)待測(cè)物無需標(biāo)記49SPR缺點(diǎn)難以區(qū)分非特異性吸附對(duì)溫度、樣品組成等干擾因素敏感SPR缺點(diǎn)難以區(qū)分非特異性吸附50SPR技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)提高檢測(cè)靈敏度高通量檢測(cè)（SPRimaging）與質(zhì)譜等高分辨儀器聯(lián)用敏感器件及測(cè)量裝置的微型化SPR技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)提高檢測(cè)靈敏度51微流控多通道SPR檢測(cè)Anal.Chem.

2001,73:5525-5531微流控多通道SPR檢測(cè)Anal.Chem.2001,7352SPR掃描顯微鏡OpticsCommunications2000,

182:11–15SPR掃描顯微鏡OpticsCommunications53多波長(zhǎng)SPR成像a630nm，b690nm，c750nm.Rev.Sci.Instrum.

2000,71:3530-3538多波長(zhǎng)SPR成像a630nm，b690nm，c7554SPR-MSAnal.Chem.

2000,72,4193-4198SPR-MSAnal.Chem.2000,72,41955使用時(shí)，直接刪除本頁(yè)！精品課件，你值得擁有！精品課件，你值得擁有！使用時(shí)，直接刪除本頁(yè)！精品課件，你值得擁有！精品課件，你值得56使用時(shí)，直接刪除本頁(yè)！精品課件，你值得擁有！精品課件，你值得擁有！使用時(shí)，直接刪除本頁(yè)！精品課件，你值得擁有！精品課件，你值得57使用時(shí)，直接刪除本頁(yè)！精品課件，你值得擁有！精品課件，你值得擁有！使用時(shí)，直接刪除本頁(yè)！精品課件，你值得擁有！精品課件，你值得58SPR-MSAnal.Chem.(2000)404A-411ASPR-MSAnal.Chem.(2000)59目錄3-1表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生

3-1-1SPR簡(jiǎn)史

3-1-2金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)

3-1-3金屬表面的等離子體振動(dòng)

3-1-4產(chǎn)生表面等離子體共振的方法3-2SPR傳感器的基本概念

3-2-1傳感器的基本原理

3-2-2傳感器的基本結(jié)構(gòu)3-3典型的SPR傳感器及其應(yīng)用目錄3-1表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生603-1-1SPR簡(jiǎn)史1902年，Wood在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)SPR現(xiàn)象1941年，F(xiàn)ano解釋了SPR現(xiàn)象1971年，Kretschmann結(jié)構(gòu)為SPR傳感器奠定了基礎(chǔ)1982年，Lundstr?m將SPR用于氣體的傳感（第一次）1983年，liedberg將SPR用于IgG與其抗原的反應(yīng)測(cè)定1987年，Knoll等人開始SPR成像研究1990年，BiacoreAB公司開發(fā)出首臺(tái)商品化SPR儀器

表面等離子體共振（Surfaceplasmonresonance，SPR），又稱表面等離子體子共振，表面等離激元共振，是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，有關(guān)儀器和應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)成為物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)研究的重要工具，。3-1-1SPR簡(jiǎn)史1902年，Wood在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)S61

在金屬中，價(jià)電子為整個(gè)晶體所共有，形成所謂費(fèi)米電子氣。價(jià)電子可在晶體中移動(dòng)，而金屬離子則被束縛于晶格位置上，但總的電子密度和離子密度是相同的，從整體來說金屬是電中性的。人們把這種情況形象地稱為“金屬離子浸沒于電子的海洋中”。這種情況和氣體放電中的等離子體相似，因此可以把金屬看作是一種電荷密度很高的低溫（室溫）等離子體，而氣體放電中的等離子體是一種高溫等離子體，電荷密度比金屬中的低。金屬板中電子氣的位移（上）金屬離子（+）位于“電子海洋”中（灰色背景），（下）電子集體向右移動(dòng)在金屬中，價(jià)電子為整個(gè)晶體所共有，形成62 五十年代，為了解快速電子穿過金屬箔時(shí)的能量損失，人們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)和理論工作。Pine和Bohm認(rèn)為，其中能量損失的部分原因是激發(fā)了金屬箔中電子的等離子體振動(dòng)（Plasmaoscillation），又稱為等離子體子（plasmon）。Ritchie從理論上探討了無限大純凈金屬箔中由于等離子體振動(dòng)而導(dǎo)致的電子能量損失，同時(shí)也考慮了有限大金屬箔的情況，指出：不僅等離子體內(nèi)部存在角頻率為ωp的等離子體振動(dòng)，而且在等離子體和真空的界面，還存在表面等離子體振動(dòng)（Surfaceplasmaoscillation），其角頻率為。Powell和Swan用高能電子發(fā)射法測(cè)定了金屬鋁的特征電子能量損失，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果可用Ritchie的理論來解釋。Stern和Ferrell將表面等離子體振動(dòng)的量子稱為表面等離子體子（Surfaceplasmon），研究了金屬表面有覆蓋物時(shí)的表面等離子體振動(dòng)，發(fā)現(xiàn)金屬表面很薄的氧化物層也會(huì)引起這種振動(dòng)的明顯改變。他們還預(yù)言：由于表面等離子體振動(dòng)對(duì)表面涂層的敏感，那么通過選擇合適的涂層，表面特征能量損失的值會(huì)在一定范圍內(nèi)發(fā)生變化。 五十年代，為了解快速電子穿過金屬箔時(shí)的能量損失，人們進(jìn)行63

除電子以外，用電磁波，如光波，也能激發(fā)表面等離子體振動(dòng)。二十世紀(jì)初，Wood首次描述了衍射光柵的反常衍射現(xiàn)象，這實(shí)際上就是由于光波激發(fā)了表面等離子體振動(dòng)所致。六十年代晚期，Kretschmann和Otto采用棱鏡耦合的全內(nèi)反射方法，實(shí)現(xiàn)了用光波激發(fā)表面等離子體振動(dòng)，為SPR技術(shù)的應(yīng)用起了巨大的推動(dòng)作用。他們的實(shí)驗(yàn)方法簡(jiǎn)單而巧妙，仍然是目前SPR裝置上應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。(A)Kretschman(B)OttoPrismgMetalmSamples0kevkspxzPrismgSamplesMetalm0k'evksp 除電子以外，用電磁波，如光波，也能激發(fā)表面等離子體振動(dòng)。643-1-2金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)因?yàn)榻饘僦械膬r(jià)電子可以自由移動(dòng)，入射光可能激起電子氣的縱向振動(dòng)。如果由于入射電子的作用，金屬中電子向右移動(dòng)了一段距離，因此在右邊就有了電子堆積。設(shè)ne為電子密度，右邊出現(xiàn)的面電荷密度為-nee，左邊的面電荷密度為+nee，則金屬的極化強(qiáng)度p為：由極化產(chǎn)生的電場(chǎng)Ep為:在這個(gè)電場(chǎng)的作用下，電子有向左移的傾向，于是產(chǎn)生了振動(dòng)。如果不考慮振動(dòng)能量的衰減，單位體積內(nèi)的電子氣的振動(dòng)方程式為：式中m為電子的質(zhì)量，e為電子的電荷量，p為無衰減時(shí)的等離子體振動(dòng)的角頻率，則

或3-1-2金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)因?yàn)榻饘僦械膬r(jià)電子可以自65等離子體子（plasmon，又稱等離激元）的量子能量為：對(duì)金屬來說，ne≈1023/cm3，將此值代入式（5-6），可得金屬中等離子體子的量子能量約為：如果考慮了金屬內(nèi)電子的衰減，弛豫時(shí)間為τ，在外電場(chǎng)的存在下，電子只沿z方向運(yùn)動(dòng)，則電子的運(yùn)動(dòng)方程（Drude方程）為：等離子體子（plasmon，又稱等離激元）的量子能量為：66由此可得：代入，則復(fù)數(shù)介電常數(shù)若忽略衰減，即時(shí)，有：根據(jù)等離子體理論，產(chǎn)生固體等離子體波應(yīng)滿足由此可得：673-1-3金屬表面的等離子體振動(dòng)上節(jié)所述的是金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)，即體積等離子體振動(dòng)（Volumeplasmaoscillation）。而在金屬表面也存在電荷密度振動(dòng)，稱為表面等離子體振動(dòng)，其角頻率ωs與體積等離子體的不同，它們之間存在以下關(guān)系：若金屬表面覆蓋有介電常數(shù)為的薄層，則這種特殊表面的等離子體振動(dòng)的角頻率ms為：3-1-3金屬表面的等離子體振動(dòng)上節(jié)所述的是金屬內(nèi)部的等683-1-4產(chǎn)生表面等離子體共振的方法表面等離子體振動(dòng)產(chǎn)生的電荷密度波，沿著金屬和電介質(zhì)的界面?zhèn)鞑?，形成表面等離子體波（Surfaceplasmawave，SPW），其場(chǎng)矢量在界面處達(dá)到最大，并在兩種介質(zhì)中逐漸衰減。表面等離子體波是TM極化波，即橫波，其磁場(chǎng)矢量與傳播方向垂直，與界面平行，而電場(chǎng)矢量則垂直于界面。在半無窮電介質(zhì)和金屬界面處，角頻率為的表面等離子體波的波矢量為：式中c是真空中的光速，εm和εa分別是金屬和電介質(zhì)的介電常數(shù)。表面等離子體波的波矢量是復(fù)數(shù)，因?yàn)榻饘俚慕殡姵?shù)是復(fù)數(shù)（εm=εmr+iεmi）。金屬的εmr/εmi比高，波矢量的實(shí)部分可近似為：3-1-4產(chǎn)生表面等離子體共振的方法表面等離子體振動(dòng)產(chǎn)生的69電磁波在真空中的速度c與在不導(dǎo)電的均勻介質(zhì)中的速度v之比稱為電介質(zhì)的折射率n：在光波的頻率下，電介質(zhì)一般為非磁性的，≈1，有：則：頻率為ω的通過電介質(zhì)傳遞的光的波矢量ka為：電磁波在真空中的速度c與在不導(dǎo)電的均勻介質(zhì)中的速度v之比稱為70要使光波和表面等離子體波之間發(fā)生共振，必須有：

但是，電介質(zhì)中光的（ka）總是在（kspw）的左邊，從不交叉，即（kspw）<（ka）。因此，電介質(zhì)中的光不能直接激發(fā)表面等離子體子共振（SPR），必須要設(shè)法移動(dòng)（kspw）或（ka）的色散曲線的位置，使兩者相交。可利用光學(xué)耦合器件，如棱鏡、光柵以及光學(xué)波導(dǎo)器件達(dá)到這一目的。要使光波和表面等離子體波之間發(fā)生共振，必須有：但是，71棱鏡耦合

棱鏡是SPR研究中應(yīng)用最為廣泛的光學(xué)耦合器件。棱鏡由高折射率的非吸收性的光學(xué)材料構(gòu)成，其底部鍍有厚度為50nm左右的高反射率的金屬薄膜（一般為金或銀），膜下面是電介質(zhì)。在SPR傳感器中，該電介質(zhì)即為待測(cè)樣品。由光源發(fā)出的p-偏振光以一定的角度θ0入射到棱鏡中，在棱鏡與金屬的界面處將發(fā)生反射和折射。當(dāng)θ0大于臨界角θc時(shí)，光線將發(fā)生全內(nèi)反射，即全部返回到棱鏡中，然后，從棱鏡的另一個(gè)側(cè)面折射出去。這里入射光應(yīng)當(dāng)用p-偏振光，因?yàn)槠潆妶?chǎng)分量與界面垂直，這與表面等離子體波的情況一致。棱鏡耦合棱鏡是SPR研究中應(yīng)用最為廣泛的光學(xué)耦合器72在全內(nèi)反射的情況下，電場(chǎng)在金屬與棱鏡的界面處并不立即消失，而是向金屬介質(zhì)中傳輸振幅呈指數(shù)衰減的消失波。該消失波沿X軸方向傳播的與表面平行的波矢分量kev為：通過調(diào)節(jié)θ0

或ωa，可使kev=kspw，消失波與表面等離子體波共振，即表面等離子體子共振，有：由上式可見，若入射光的波長(zhǎng)一定，即ωa一定時(shí)，ns改變，則必須改變?chǔ)?以滿足共振條件；若θ0一定時(shí)，ns改變，則必須改變?chǔ)豠以滿足共振條件，這可通過改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)λ來實(shí)現(xiàn)。此時(shí)θ0和λ分別稱為共振角和共振波長(zhǎng)。在全內(nèi)反射的情況下，電場(chǎng)在金屬與棱鏡的界面處并不立即消失，而73典型的SPR光譜典型的SPR光譜74目錄3-1表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生

3-1-1SPR簡(jiǎn)史

3-1-2金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)

3-1-3金屬表面的等離子體振動(dòng)

3-1-4產(chǎn)生表面等離子體共振的方法3-2SPR傳感器的基本概念

3-2-1傳感器的基本原理

3-2-2傳感器的基本結(jié)構(gòu)3-3典型的SPR傳感器及其應(yīng)用目錄3-1表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生753-2-1傳感器的基本原理表面等離子體子共振的產(chǎn)生與入射光的角度θ、波長(zhǎng)、金屬薄膜的介電常數(shù)s及電介質(zhì)的折射率ns有關(guān)，發(fā)生共振時(shí)θ和分別稱為共振角度和共振波長(zhǎng)。對(duì)于同一種金屬薄膜，如果固定θ，則與ns有關(guān)；固定，則θ與ns有關(guān)。如果將電介質(zhì)換成待測(cè)樣品，測(cè)出共振時(shí)的θ或，就可以得到樣品的介電常數(shù)s或折射率ns；如果樣品的化學(xué)或生物性質(zhì)發(fā)生變化，引起ns的改變，則θ或也會(huì)發(fā)生變化，這樣，檢測(cè)這一變化就可獲得樣品性質(zhì)的變化。固定入射光的波長(zhǎng)，改變?nèi)肷浣?，可得到角度隨反射率變化的SPR光譜；同樣地，固定入射光的角度，改變波長(zhǎng)，可得到波長(zhǎng)隨反射率變化的SPR光譜。SPR光譜的改變反映了體系性質(zhì)的變化。3-2-1傳感器的基本原理表面等離子體子共振的產(chǎn)生與入射光763-2-2傳感器的基本結(jié)構(gòu)一般來說，一個(gè)SPR傳感器的包括：光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。SPR傳感器的光學(xué)部分包含光源、光學(xué)耦合器件、角度（或波長(zhǎng)）調(diào)節(jié)部件以及光檢測(cè)器件，用于產(chǎn)生SPR并檢測(cè)SPR光譜的變化。敏感元件主要指金屬薄膜及其表面修飾的敏感物質(zhì)，用于將待測(cè)對(duì)象的化學(xué)或生物信息轉(zhuǎn)換成折射率的變化，是SPR傳感器的關(guān)鍵。從SPR的原理可知，實(shí)際上是樣品的折射率的變化引起SPR光譜的變化。如果金屬薄膜未經(jīng)任何修飾，這樣的傳感器是沒有什么選擇性的，只能用于一些簡(jiǎn)單體系的測(cè)定，因而一般都要進(jìn)行修飾，以獲得對(duì)被測(cè)對(duì)象的選擇性識(shí)別能力。數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)用于采集和處理光檢測(cè)器產(chǎn)生的電子信號(hào)?，F(xiàn)在光檢測(cè)器越來越多地采用陣列檢測(cè)器，如光電二極管陣列和電荷耦合器件，以便同時(shí)檢測(cè)多個(gè)角度或波長(zhǎng)處的信號(hào)變化。數(shù)據(jù)采集和處理均由計(jì)算機(jī)完成。3-2-2傳感器的基本結(jié)構(gòu)一般來說，一個(gè)SPR傳感器的包括774種檢測(cè)方式角度調(diào)制：固定λin，改變?chǔ)萯n波長(zhǎng)調(diào)制：固定θin，改變?chǔ)薸n強(qiáng)度調(diào)制：固定θin、λin，改變光強(qiáng)相位調(diào)制：固定θin、λin，測(cè)相差4種檢測(cè)方式角度調(diào)制：固定λin，改變?chǔ)萯n78一個(gè)SPR傳感器的主要性能特點(diǎn)，如靈敏度、穩(wěn)定性、分辨率、選擇性和響應(yīng)時(shí)間等，取決于其各個(gè)組成部分的性能。SPR傳感器使用時(shí)，一般是先在金屬薄膜表面修飾一層敏感物質(zhì)，以便與樣品中的待測(cè)組分選擇性地作用。這一相互作用會(huì)引起敏感層折射率的改變，導(dǎo)致SPR信號(hào)的變化，從而獲得待測(cè)樣品的化學(xué)或生物信息。如果不對(duì)金屬薄膜進(jìn)行修飾，這樣的傳感器也可用于一些簡(jiǎn)單體系的檢測(cè)，如一些濃度隨折射率變化的溶液（乙醇、蔗糖、葡萄糖等的水溶液）。金和銀相對(duì)來說比較穩(wěn)定，且反射率高，是比較常用的兩種金屬。在生物體系的測(cè)量中，常常有氯離子存在，用銀膜不太合適，一般都用金膜。一個(gè)SPR傳感器的主要性能特點(diǎn)，如靈敏度、穩(wěn)定性、分辨率、選79目錄3-1表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生

3-1-1SPR簡(jiǎn)史

3-1-2金屬內(nèi)部的等離子體振動(dòng)

3-1-3金屬表面的等離子體振動(dòng)

3-1-4產(chǎn)生表面等離子體共振的方法3-2SPR傳感器的基本概念

3-2-1傳感器的基本原理

3-2-2傳感器的基本結(jié)構(gòu)3-3典型的SPR傳感器及其應(yīng)用目錄3-1表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生80ComputerPrismLCPDGCCDAuBSample

inSampleoutGlassslideAufilmPrism0.1mmL：鹵鎢燈；C：平行光管；P：偏振片；D：光闌；G：光柵；B：玻片基于波長(zhǎng)調(diào)制的SPR傳感器裝置ComputerPrismL81葡萄糖溶液的測(cè)定SPR光譜（葡萄糖，銀膜）響應(yīng)曲線（葡萄糖，銀膜）裸金屬膜對(duì)其表面溶液的折射率變化非常敏感，可用于一些簡(jiǎn)單樣品的分析，此處用SPR傳感器測(cè)定了醫(yī)用葡萄糖注射液的濃度。該法所得結(jié)果與藥典法相符，可用于葡萄糖注射液生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。葡萄糖溶液的測(cè)定SPR光譜（葡萄糖，銀膜）響應(yīng)曲線（葡萄糖82乙肝表面抗原（HBsAg）的測(cè)定病毒性肝炎是人群中最常見的傳染性疾病之一，對(duì)人體健康危害很大。我國(guó)是乙型肝炎的高發(fā)區(qū)，人群總感染率高達(dá)60%，乙型肝炎表面抗原（HBsAg）攜帶者至少有1.2億，其中約10%最終轉(zhuǎn)化為各種慢性肝病，包括慢性肝炎、肝硬化甚至肝癌。作為乙型肝炎的早期診斷指標(biāo)之一，HBsAg的測(cè)定在臨床上具有重要意義。目前用到的臨床檢驗(yàn)方法有：血細(xì)胞凝集法（PHA、RPHA）、酶聯(lián)免疫法（EIA、ELISA）、放射免疫法（RIA）、全血凝集法、斑點(diǎn)雜交法、聚合酶鏈反應(yīng)法（PCR）等等，其中放射免疫法較為靈敏，可檢出血清中0.1ng/mL的HBsAg，但存在放射性污染的問題。酶聯(lián)免疫吸附法（ELISA）由于簡(jiǎn)單、方便、快速，目前是臨床診斷中最常用的，其檢出限一般為1ng/mLHBsAg。如果能進(jìn)一步提高靈敏度，對(duì)及早發(fā)現(xiàn)、診斷和治療乙型肝炎無疑具有非常重要的意義。乙肝表面抗原（HBsAg）的測(cè)定病毒性肝炎是人群中最常見的83利用胱胺將HBsAg單克隆抗體固定于金膜表面利用胱胺將HBsAg單克隆抗體固定于金膜表面84以A蛋白為連接層固定HBsAg單克隆抗體M：金膜，G：玻片，Ag：血清中的HBsAg，Ab：HBsAg單克隆抗體，PA：A蛋白以A蛋白為連接層固定HBsAg單克隆抗體85胱胺固定法中HBsAg與抗體結(jié)合前后的SPR光譜圖檢測(cè)限為0.01ng/mL胱胺固定法中HBsAg與抗體結(jié)合前后的SPR光譜圖檢測(cè)限為86固定化DNA單層的電致開關(guān)行為研究

固定化DNA探針的取向直接影響到固液兩相之間的DNA雜交。固定化DNA易于被電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)離或靠近固體表面，構(gòu)成一種納米尺度上的“開關(guān)”。

SPR傳感技術(shù)是一種對(duì)金屬薄膜表面介質(zhì)層的折射率變化極為敏感的光學(xué)傳感技術(shù),非常適合于研究固定化單分子層的性質(zhì)。然而，如果在SPR傳感器中使用經(jīng)典的三電極體系施加電場(chǎng)，對(duì)金膜本身的SPR光譜有較大影響。Knolletal.Langmuir2005,21:348-353固定化DNA單層的電致開關(guān)行為研究固定化DN87ComputerPrismLCPDGCCDAuBSample

inSampleoutITOfilmGlassslideAufilmPrism1.34mm1.48mmEL：鹵鎢燈；C：平行光管；P：偏振片；D：光闌；G：光柵；E：直流電源；B：ITO導(dǎo)電玻璃ComputerPrismL88Auglass++Au++

Au

conductivelayerglassconductivelayer++++glassconductivelayer----（A）金膜不帶電荷；（B）金膜帶負(fù)電荷；（C）金膜帶正電荷.ABC金膜表面固定化DNA探針的取向Auglass++Au++Au89電場(chǎng)對(duì)金膜表面固定化DNA探針的作用

（a）金膜帶正電荷；（b）斷開電路；（c）金膜帶負(fù)電荷；（d）斷開電路.不同強(qiáng)度的電場(chǎng)對(duì)DNA探針的作用電場(chǎng)在-1.5V與1.5V間切換（1）金膜帶負(fù)電荷；（2）金膜帶正電荷電場(chǎng)對(duì)金膜表面固定化DNA探針的作用（a）金膜帶正電荷；（90（1）金膜帶負(fù)電荷；（2）金膜不帶電荷；（3）金膜帶正電荷.不同強(qiáng)度的電場(chǎng)對(duì)固定化DNA探針捕獲cDNA的影響電場(chǎng)對(duì)不同濃度cDNA雜交的影響E=1.5VCDNA=2.83nM電場(chǎng)對(duì)DNA雜交的作用（1）金膜帶負(fù)電荷；（2）金膜不帶電荷；（3）金膜帶正電荷.91表面覆蓋率的影響

電場(chǎng)（金膜與ITO導(dǎo)電玻璃之間電位差為1.5V）對(duì)不同表面覆蓋率的DNA探針的作用5.871012

電場(chǎng)（金膜與ITO導(dǎo)電玻璃之間的電位差為1.5V）對(duì)不同表面覆蓋率的DNA雜交的影響，cDNA濃度為5.65nmol/L表面覆蓋率的影響電場(chǎng)（金膜與ITO導(dǎo)電玻璃之間電位差為1.92

基于SiO2包被金膜的納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器及其DNA檢測(cè)應(yīng)用(Biosens.Bioelectron.2007,22,1106-1110)SiO2AuabNADH+HAuCl4dc(a)生物素化的DNA探針；(b)目標(biāo)DNA；(c)巰基DNA修飾的納米金顆粒；(d)納米金顆粒催化增長(zhǎng).SiO2包被金膜的納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感檢測(cè)DNA原理示意圖基于SiO2包被金膜的納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器及93SiO2層對(duì)金沉積的阻擋作用

金膜SiO2包被的金膜（1）與催化增長(zhǎng)試劑反應(yīng)前；（2）與催化增長(zhǎng)試劑反應(yīng)后SiO2層對(duì)金沉積的阻擋作用金膜94SPR傳感器:(a)cDNA,(a’)單堿基錯(cuò)配DNA,(a’’)隨機(jī)DNA；納米金顆粒增強(qiáng)SPR傳感器:(b)cDNA,(b’)單堿基錯(cuò)配DNA,(b’’)隨機(jī)DNA；納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器:(c)cDNA,(c’)單堿基錯(cuò)配DNA,(c’’)隨機(jī)DNA.不同方法檢測(cè)DNA的比較(a)cDNA；(b)單堿基錯(cuò)配DNA；(c)隨機(jī)DNA；三種傳感器分別為(I)納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器；(II)納米金顆粒增強(qiáng)SPR傳感器；(III)SPR傳感器.

CDNA=3.3nMSPR傳感器:(a)cDNA,(a’)單堿基錯(cuò)配DNA,95Sensors&Actuators2007,123,227-232.(a)金膜；(b)聚電解質(zhì)自組裝多層膜(PAH/PSS)3；(c)親和素；(d)生物素化的DNA探針；(e)目標(biāo)DNA；(f)巰基DNA修飾的納米金顆粒；(g)納米金顆粒催化增長(zhǎng).NADH+HAuCl4gdcbafe基于聚電解質(zhì)自組裝多層膜修飾金膜的納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器及其DNA檢測(cè)應(yīng)用Sensors&Actuators2007,123,96聚電解質(zhì)自組裝薄膜對(duì)金屬沉積的阻擋作用不同層數(shù)的(PAH/PSS)修飾的金膜對(duì)金屬沉積的阻擋作用聚電解質(zhì)自組裝薄膜對(duì)金屬沉積的阻擋作用不同層數(shù)的(PAH/P97SPR傳感器:(a)cDNA,(a’)單堿基錯(cuò)配DNA,(a’’)隨機(jī)DNA；納米金顆粒增強(qiáng)SPR傳感器:(b)cDNA,(b’)單堿基錯(cuò)配DNA,(b’’)隨機(jī)DNA；納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器:(c)cDNA,(c’)單堿基錯(cuò)配DNA,(c’’)隨機(jī)DNA.(a)cDNA；(b)單堿基錯(cuò)配DNA；(c)隨機(jī)DNA；三種傳感器分別為(I)納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器；(II)納米金顆粒增強(qiáng)SPR傳感器；(III)SPR傳感器.CDNA=3.3nM不同方法檢測(cè)DNA的比較SPR傳感器:(a)cDNA,(a’)單堿基錯(cuò)配DNA,98（1）氨基修飾的DNA探針固定在金膜表面后的SPR光譜；（2）與33nmol/LcDNA雜交之后的SPR光譜；（3）再與納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNA反應(yīng)之后的SPR光譜；（4）在Au膜（vsITO導(dǎo)電玻璃）電位為-10V時(shí)用6×SSC緩沖溶液反復(fù)沖洗后的SPR光譜；（5）再生處理后的SPR光譜金膜在金膜帶負(fù)電的情況下反復(fù)沖洗DNA探針納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNAacDNAa’b’a’b’baa’abbb’aa’再生cDNA:5-GGTTGTGAGGCGCTGCCCAAGCGA-3

Analyst2008,133（9):1274-1279基于納米金顆粒輔助的電洗脫識(shí)別單堿基錯(cuò)配DNA（1）氨