表面等离子共振技术

表面等离子共振技术第1页/共77页简介表面等离子共振技术(SurfacePlasmonResonancetechnology，SPR)是20世纪90年代发展起来的，应用SPR原理检测生物传感芯片(biosensorchip)上配位体与分析物作用的一种新技术。第2页/共77页发展简史1902年，Wood在光学实验中发现SPR现象1941年，Fano解释了SPR现象1971年，Kretschmann为SPR传感器结构奠定了基础1983年，Liedberg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定1987年，Knoll等人开始SPR成像研究1990年，BiacoreAB公司开发出首台商品化SPR仪器第3页/共77页SPR用途简介实时分析，简便快捷地监测DNA与蛋白质之间、蛋白质分子之间以及药物—蛋白质、核酸—核酸、抗原—抗体、受体—配体等等生物分子之间的相互作用，在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测、法医鉴定等领域具有广泛的应用需求。第4页/共77页表面等离子共振原理1.消逝波2.等离子波3.SPR的光学原理第5页/共77页1.消逝波当光从光密介质入射到光疏介质时（n1>n2）就会有全反射现象的产生。n1sinθ1=n2sinθ2菲涅尔定理：密疏密疏第6页/共77页1.消逝波这表示沿X轴方向传播而振幅衰减的一个波，这就是消逝波。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逝波。界面疏密第7页/共77页2.等离子波

等离子体

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。

金属表面等离子波

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，这实际上也是一种等离子体。由于电磁振荡形成了等离子波。第8页/共77页3.SPR光学原理第9页/共77页3.SPR光学原理我们在前面提到光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在介质（假设为金属介质）中又存在一定的等离子波。当两波相遇时可能会发生共振。第10页/共77页3.SPR光学原理当消逝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。第11页/共77页3.SPR光学原理可以从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SPR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。第12页/共77页SPR的响应模式n1sinθ1=n2sinθ2因为sinθ2=1

所以sinθ1=n2/n1第13页/共77页SPR的检测模式直接检测：适用于大分子（>1000Da）第14页/共77页SPR的检测模式

抑制模式：将待测小分子固定在传感器表面，在样品中加入过量对应大分子。第15页/共77页SPR仪的结构及工作原理朱倩90513126第16页/共77页Biacore3000BiacoreControl工作仪器第17页/共77页Biacore3000工作仪器核心部件：传感器芯片液体处理系统光学系统其他：

LED状态指示器温度控制系统第18页/共77页Biacore3000核心部件第19页/共77页Biacore3000的光学系统第20页/共77页Biacore3000传感器基本结构光波导耦合器件金属膜分子敏感膜第21页/共77页第22页/共77页传感芯片——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第23页/共77页棱镜型装置工作原理(a)Otto型(b)Kretschmann型第24页/共77页光纤型光波导耦合器在线传输式SPR光纤传感器第25页/共77页光纤型光波导耦合器终端反射式SPR光纤传感器第26页/共77页光栅型光波导耦合器第27页/共77页光源He2Ne激光器LED白炽灯——卤钨灯第28页/共77页传感芯片——金属膜反射率高化学稳定性好厚度合适第29页/共77页金属材料的选择1、可见光范围内反射率较高：Ag、Al、Au、Cu2、化学稳定性好Ag、Al、Au、CuAg、Au第30页/共77页Ag膜、Au膜的比较

金膜(实线)和银膜(虚线)SPR光谱理论值恒定波长,反射系数与入射角度关系波长:1和2为750nm,3为600nm,4为500nm恒定入射角度,反射系数与波长关系入射角度:1为80Ü,2为70Ü,3为72Ü,4为6815Ü,5为6515Ü第31页/共77页金属膜厚度对SPR谱的影响λ=63218nm介质为水(n=1.333)棱镜折射率为1.51550nm第32页/共77页传感芯片——分子敏感膜成膜方法：金属膜直接吸附法共价连接法（生物素-亲和素、葡聚糖凝胶、水凝胶、高分子膜、多肽等）单分子复合膜法分子印膜技术第33页/共77页Biacore3000液体处理系统第34页/共77页Biacore3000的LED状态指示器

LED（light-emittingdiode）Ready：亮/灭Error：亮/灭Temperature：稳定/闪烁SensorChip：稳定/闪烁Run：亮/灭第35页/共77页Biacore3000的温度控制系统

第36页/共77页SPR技术的应用黄辰90513125第37页/共77页物理学应用化学应用生物学应用第38页/共77页物理学应用若某种物理量会引起特定敏感膜折射率的变化，就可以采用SPR传感技术进行检测。例如，基于温度变化引起特定敏感膜的吸湿量变化，并导致其折射率变化，从而利用SPR传感技术进行检测的湿度传感系统，以及基于氢化无定型硅的热光效应的温度传感系统等。第39页/共77页化学应用待测分子与被敏感膜有选择性地化学吸附或与敏感膜中的特定分子发生化学反应引起敏感膜的光学属性(主要是折射率)的变化表面等离子共振条件的变化通过检测共振角或共振波长的变化来检测待测分子的成分、浓度以及参与化学反应的特性第40页/共77页生物学应用生物学检测领域药物领域食品工业及环境监测领域蛋白质组学领域临床诊断领域遗传分析领域第41页/共77页生物学应用生物学检测领域第42页/共77页生物学应用生物学检测主要用于检测生物分子的结合作用或者通过生物分子结合作用的检测来完成特定生物分子的识别及其浓度的测定第43页/共77页生物学应用生物学检测领域药物领域食品工业及环境监测领域第44页/共77页药物领域药物与蛋白之间的相互作用药物筛选与新药开发SPR技术因其实时效性，高通量，特异性及能在天然状态下研究药物分子与靶点的相互作用，为新药研发提供了有力的工具维生素检测生物毒素检测细菌和病原菌检测农、兽药残留量检测食品工业及环境监测领域生物传感器的在线分析能力和高灵敏度，微量样品需求的特点，使得这种仪器成为食品及环境安全监控的理想工具第45页/共77页生物学应用生物学检测领域药物领域食品工业及环境监测领域蛋白质组学领域第46页/共77页生物学应用蛋白质组学SPR技术因其高效灵敏、无需额外标记等优势，广泛应用与蛋白质检测和蛋白-蛋白相互作用等蛋白质组学研究，它能在保持蛋白质天然状态的情况下实时提供靶蛋白的细胞器分布，结合动力学及浓度变化等功能信息，为蛋白质组研究开辟了全新模式第47页/共77页生物学应用生物学检测领域药物领域食品工业及环境监测领域蛋白质组学领域临床诊断领域第48页/共77页生物学应用临床诊断利用生物传感器，可监测和定量测定病人血清中的生物药剂和抗体滴度的可行性，跟踪检测动物模型、人类临床试验第49页/共77页系统性红斑狼疮（SLE）患者血浆中含有C4bBP它与PS结合并阻断PS的抗凝血作用SLE患者常伴有血栓发生第50页/共77页利用SPR技术在胞外环境中研究控制基因转录、细胞周期、细胞分裂和凋亡的信号传递途径，从而可以准确地设计出这些生化作用催化剂的拮抗物，应用于癌症的治疗。第51页/共77页生物学应用生物学检测领域药物领域食品工业及环境监测领域蛋白质组学领域临床诊断领域遗传分析领域第52页/共77页生物学应用遗传分析SPR生物传感器用于遗传分析是一个崭新的领域。如用于检测点突变，用于检测区分野生的和经遗传修饰的大豆基因序列等第53页/共77页展望未来如今，SPR技术已被广泛地用来分析生物分子蛋白质-蛋白质药物-蛋白质蛋白质-核酸核酸-核酸结合位点和反应物浓度第54页/共77页展望未来涉及的研究领域包括免疫识别信号传导药物筛选抗体定性蛋白质构象变化第55页/共77页展望未来SPR技术在分子生物学研究领域中应用的范围非常广，在研究基因工程中：载体与质粒DNA之间的相互作用，以评价载体效率DNA序列特异性抗体的性质鉴定等方面，SPR技术都发挥了重要作用SPR技术与其他分析技术的联合应用，必将加速分子生物学的研究进展，使我们对生命现象的了解更加深入第56页/共77页Thanksforyourattention!90513101马吟醒90513126朱倩90513129薛夏沫90513125黄辰Mar19th2008第57页/共77页SPR的特点及发展方向AdvantagesDisadvantagesFutureDevelopmentExamples第58页/共77页MainAdvantages实时监测无需标记样品样品需要极少

检测过程方便快捷，灵敏度较高应用范围广泛-第59页/共77页OtherAdvantages跟踪监控不干扰反应的平衡不需要对样品进行处理能在混浊的甚至不透明的样品中进行

第60页/共77页Disadvantages传感曲线经常不符合假一级动力学多价结合多步结合反应空间位阻效应配体或者分析物的不均一扩散速度限制重结合现象第61页/共77页Disadvantages检测成本易用性稳定性检测效率第62页/共77页改进与发展Development增强稳定性提高检测灵敏度实现多通道检测联用装置微型化降低成本第63页/共77页稳定性生物分子&金属薄膜结合+一层SAM(self-assemblesmonolayer)

自组装单分子层在金属薄膜层上覆盖羧甲基葡聚糖凝胶

notonlybutalso第64页/共77页微流控多通道SPR检测第65页/共77页SPRImagingLayoutandphotographofthemicrofluidicchipdesignedforcouplingwithSPRimagingsystem

第66页/共77页联用MALDI-TOF质谱法结合“二维”

SPR—可对相互作用进行定量分析

MALDI-TOF—提供定性分析的详细结果第67页/共77页RP-HPLC高效液相层析技术用于SPR技术中研究溶细胞肽与抗微生物肽和细胞膜磷脂的相互作用情况，以了解肽的构想及溶解活性。第68页/共77页电化学与SPR联用

为固液表面发生的各种电化学现象和过程提供有价值