表面等離子共振技術

關于表面等離子共振技術簡介表面等離子共振技術(SurfacePlasmonResonancetechnology，SPR)是20世紀90年代發(fā)展起來的，應用SPR原理檢測生物傳感芯片(biosensorchip)上配位體與分析物作用的一種新技術。第2頁,共76頁，2024年2月25日，星期天發(fā)展簡史1902年，Wood在光學實驗中發(fā)現(xiàn)SPR現(xiàn)象1941年，F(xiàn)ano解釋了SPR現(xiàn)象1971年，Kretschmann為SPR傳感器結構奠定了基礎1983年，Liedberg將SPR用于IgG與其抗原的反應測定1987年，Knoll等人開始SPR成像研究1990年，BiacoreAB公司開發(fā)出首臺商品化SPR儀器第3頁,共76頁，2024年2月25日，星期天SPR用途簡介實時分析，簡便快捷地監(jiān)測DNA與蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)分子之間以及藥物—蛋白質(zhì)、核酸—核酸、抗原—抗體、受體—配體等等生物分子之間的相互作用，在生命科學、醫(yī)療檢測、藥物篩選、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、毒品檢測、法醫(yī)鑒定等領域具有廣泛的應用需求。第4頁,共76頁，2024年2月25日，星期天表面等離子共振原理1.消逝波2.等離子波3.SPR的光學原理第5頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1.消逝波當光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時（n1>n2）就會有全反射現(xiàn)象的產(chǎn)生。n1sinθ1=n2sinθ2菲涅爾定理：密疏密疏第6頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1.消逝波這表示沿X軸方向傳播而振幅衰減的一個波，這就是消逝波。全反射的光波會透過光疏介質(zhì)約為光波波長的一個深度，再沿界面流動約半個波長再返回光密介質(zhì)。光的總能量沒有發(fā)生改變。透入光疏介質(zhì)的光波成為消逝波。界面疏密第7頁,共76頁，2024年2月25日，星期天2.等離子波

等離子體

等離子體通常是指由密度相當高的自由正、負電荷組成的氣體，其中正、負帶電粒子數(shù)目幾乎相等。

金屬表面等離子波

把金屬的價電子看成是均勻正電荷背景下運動的電子氣體，這實際上也是一種等離子體。由于電磁振蕩形成了等離子波。第8頁,共76頁，2024年2月25日，星期天3.SPR光學原理第9頁,共76頁，2024年2月25日，星期天3.SPR光學原理我們在前面提到光在棱鏡與金屬膜表面上發(fā)生全反射現(xiàn)象時，會形成消逝波進入到光疏介質(zhì)中，而在介質(zhì)（假設為金屬介質(zhì)）中又存在一定的等離子波。當兩波相遇時可能會發(fā)生共振。第10頁,共76頁，2024年2月25日，星期天3.SPR光學原理當消逝波與表面等離子波發(fā)生共振時，檢測到的反射光強會大幅度地減弱。能量從光子轉移到表面等離子，入射光的大部分能量被表面等離子波吸收，使得反射光的能量急劇減少。第11頁,共76頁，2024年2月25日，星期天3.SPR光學原理可以從反射光強的響應曲線看到一個最小的尖峰，此時對應的入射光波長為共振波長，對應的入射角為SPR角。SPR角隨金表面折射率變化而變化，而折射率的變化又與金表面結合的分子質(zhì)量成正比。這就是SPR對物質(zhì)結合檢測的基本原理。第12頁,共76頁，2024年2月25日，星期天SPR的響應模式n1sinθ1=n2sinθ2因為sinθ2=1

所以sinθ1=n2/n1第13頁,共76頁，2024年2月25日，星期天SPR的檢測模式直接檢測：適用于大分子（>1000Da）第14頁,共76頁，2024年2月25日，星期天SPR的檢測模式

抑制模式：將待測小分子固定在傳感器表面，在樣品中加入過量對應大分子。第15頁,共76頁，2024年2月25日，星期天SPR儀的結構及工作原理朱倩90513126第16頁,共76頁，2024年2月25日，星期天Biacore3000BiacoreControl工作儀器第17頁,共76頁，2024年2月25日，星期天Biacore3000工作儀器核心部件：傳感器芯片液體處理系統(tǒng)光學系統(tǒng)其他：

LED狀態(tài)指示器溫度控制系統(tǒng)第18頁,共76頁，2024年2月25日，星期天Biacore3000核心部件第19頁,共76頁，2024年2月25日，星期天Biacore3000的光學系統(tǒng)第20頁,共76頁，2024年2月25日，星期天Biacore3000傳感器基本結構光波導耦合器件金屬膜分子敏感膜第21頁,共76頁，2024年2月25日，星期天第22頁,共76頁，2024年2月25日，星期天傳感芯片——光波導耦合器件Krestschmann棱鏡型Otto棱鏡型光纖在線傳輸式光纖終端反射式光柵型金屬膜分子敏感膜第23頁,共76頁，2024年2月25日，星期天棱鏡型裝置工作原理(a)Otto型(b)Kretschmann型第24頁,共76頁，2024年2月25日，星期天光纖型光波導耦合器在線傳輸式SPR光纖傳感器第25頁,共76頁，2024年2月25日，星期天光纖型光波導耦合器終端反射式SPR光纖傳感器第26頁,共76頁，2024年2月25日，星期天光柵型光波導耦合器第27頁,共76頁，2024年2月25日，星期天光源He2Ne激光器LED白熾燈——鹵鎢燈第28頁,共76頁，2024年2月25日，星期天傳感芯片——金屬膜反射率高化學穩(wěn)定性好厚度合適第29頁,共76頁，2024年2月25日，星期天金屬材料的選擇1、可見光范圍內(nèi)反射率較高：Ag、Al、Au、Cu2、化學穩(wěn)定性好Ag、Al、Au、CuAg、Au第30頁,共76頁，2024年2月25日，星期天Ag膜、Au膜的比較

金膜(實線)和銀膜(虛線)SPR光譜理論值恒定波長,反射系數(shù)與入射角度關系波長:1和2為750nm,3為600nm,4為500nm恒定入射角度,反射系數(shù)與波長關系入射角度:1為80ü,2為70ü,3為72ü,4為6815ü,5為6515ü第31頁,共76頁，2024年2月25日，星期天金屬膜厚度對SPR譜的影響λ=63218nm介質(zhì)為水(n=1.333)棱鏡折射率為1.51550nm第32頁,共76頁，2024年2月25日，星期天傳感芯片——分子敏感膜成膜方法：金屬膜直接吸附法共價連接法（生物素-親和素、葡聚糖凝膠、水凝膠、高分子膜、多肽等）單分子復合膜法分子印膜技術第33頁,共76頁，2024年2月25日，星期天Biacore3000液體處理系統(tǒng)第34頁,共76頁，2024年2月25日，星期天Biacore3000的LED狀態(tài)指示器

LED（light-emittingdiode）Ready：亮/滅Error：亮/滅Temperature：穩(wěn)定/閃爍SensorChip：穩(wěn)定/閃爍Run：亮/滅第35頁,共76頁，2024年2月25日，星期天Biacore3000的溫度控制系統(tǒng)

第36頁,共76頁，2024年2月25日，星期天SPR技術的應用黃辰90513125第37頁,共76頁，2024年2月25日，星期天第38頁,共76頁，2024年2月25日，星期天物理學應用若某種物理量會引起特定敏感膜折射率的變化，就可以采用SPR傳感技術進行檢測。例如，基于溫度變化引起特定敏感膜的吸濕量變化，并導致其折射率變化，從而利用SPR傳感技術進行檢測的濕度傳感系統(tǒng)，以及基于氫化無定型硅的熱光效應的溫度傳感系統(tǒng)等。第39頁,共76頁，2024年2月25日，星期天化學應用通過檢測共振角或共振波長的變化來檢測待測分子的成分、濃度以及參與化學反應的特性第40頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學應用第41頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學應用第42頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學應用主要用于檢測生物分子的結合作用或者通過生物分子結合作用的檢測來完成特定生物分子的識別及其濃度的測定第43頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學應用第44頁,共76頁，2024年2月25日，星期天藥物領域藥物與蛋白之間的相互作用藥物篩選與新藥開發(fā)SPR技術因其實時效性，高通量，特異性及能在天然狀態(tài)下研究藥物分子與靶點的相互作用，為新藥研發(fā)提供了有力的工具維生素檢測生物毒素檢測細菌和病原菌檢測農(nóng)、獸藥殘留量檢測食品工業(yè)及環(huán)境監(jiān)測領域生物傳感器的在線分析能力和高靈敏度，微量樣品需求的特點，使得這種儀器成為食品及環(huán)境安全監(jiān)控的理想工具第45頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學應用第46頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學應用SPR技術因其高效靈敏、無需額外標記等優(yōu)勢，廣泛應用與蛋白質(zhì)檢測和蛋白-蛋白相互作用等蛋白質(zhì)組學研究，它能在保持蛋白質(zhì)天然狀態(tài)的情況下實時提供靶蛋白的細胞器分布，結合動力學及濃度變化等功能信息，為蛋白質(zhì)組研究開辟了全新模式第47頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學應用第48頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學應用利用生物傳感器，可監(jiān)測和定量測定病人血清中的生物藥劑和抗體滴度的可行性，跟蹤檢測動物模型、人類臨床試驗第49頁,共76頁，2024年2月25日，星期天第50頁,共76頁，2024年2月25日，星期天利用SPR技術在胞外環(huán)境中研究控制基因轉錄、細胞周期、細胞分裂和凋亡的信號傳遞途徑，從而可以準確地設計出這些生化作用催化劑的拮抗物，應用于癌癥的治療。第51頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學應用第52頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學應用SPR生物傳感器用于遺傳分析是一個嶄新的領域。如用于檢測點突變，用于檢測區(qū)分野生的和經(jīng)遺傳修飾的大豆基因序列等第53頁,共76頁，2024年2月25日，星期天展望未來如今，SPR技術已被廣泛地用來分析生物分子第54頁,共76頁，2024年2月25日，星期天展望未來涉及的研究領域包括第55頁,共76頁，2024年2月25日，星期天展望未來SPR技術在分子生物學研究領域中應用的范圍非常廣，在研究基因工程中：載體與質(zhì)粒DNA之間的相互作用，以評價載體效率DNA序列特異性抗體的性質(zhì)鑒定等方面，SPR技術都發(fā)揮了重要作用SPR技術與其他分析技術的聯(lián)合應用，必將加速分子生物學的研究進展，使我們對生命現(xiàn)象的了解更加深入第56頁,共76頁，2024年2月25日，星期天Thanksforyourattention!90513101馬吟醒90513126朱倩90513129薛夏沫90513125黃辰Mar19th2008第57頁,共76頁，2024年2月25日，星期天SPR的特點及發(fā)展方向AdvantagesDisadvantagesFutureDevelopmentExamples第58頁,共76頁，2024年2月25日，星期天MainAdvantages實時監(jiān)測無需標記樣品樣品需要極少

檢測過程方便快捷，靈敏度較高應用范圍廣泛-第59頁,共76頁，2024年2月25日，星期天OtherAdvantages跟蹤監(jiān)控不干擾反應的平衡不需要對樣品進行處理能在混濁的甚至不透明的樣品中進行

第60頁,共76頁，2024年2月25日，星期天Disadvantages傳感曲線經(jīng)常不符合假一級動力學多價結合多步結合反應空間位阻效應配體或者分析物的不均一擴散速度限制重結合現(xiàn)象第61頁,共76頁，2024年2月25日，星期天Disadvantages檢測成本易用性穩(wěn)定性檢測效率第62頁,共76頁，2024年2月25日，星期天改進與發(fā)展Development增強穩(wěn)定性提高檢測靈敏度實現(xiàn)多通道檢測聯(lián)用裝置微型化降低成本第63頁,共76頁，2024年2月25日，星期天穩(wěn)定性生物分子&金屬薄膜結合+一層SAM(self-assemblesmonolayer)

自組裝單分子層在金屬薄膜層上覆蓋羧甲基葡聚糖凝膠

notonlybutalso第64頁,共76頁，2024年2月25日，星期天微流控多通道SPR檢測第65頁,共76頁，2024年2月25日，星期天SPRImagingLayoutandphotographofthemicrofluidicchipdesignedforcouplingwithSPRimagingsystem

第66頁,共76頁，2024年2月25日，星期天聯(lián)用MALDI-TOF質(zhì)譜法結合“二維”

SPR—可對相互作用進行定量分析

MALDI-TOF—提供定性分析的詳細結果第67頁,共76頁，2024年2月25日，星期天RP-HPLC高效液相層析技術用于SPR技術中研究溶細胞肽與抗微生物肽和細胞膜磷脂的相互作用情況，以了解肽的構想及溶解活性。第68頁,共76頁，2024年2月25日，星期天電化學與SPR聯(lián)用

為固液表面發(fā)生的各種電化學現(xiàn)象和過程提供有價值的信息電誘導分子吸附/脫附，