浅谈SPR生物传感器学习教案

1、会计学1浅谈浅谈SPR生物传感器生物传感器第一页，编辑于星期二：二点 二十七分。表面等离子共振（SPR）表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance）是一种物理现象，当入射光以临界角入射到两种不同折射率的介质界面（比如玻璃表面的金或银镀层）时，可引起金属自由电子的共振，由于共振致使电子吸收了光能量，从而使反射光在一定角度内大大减弱。第1页/共15页第二页，编辑于星期二：二点 二十七分。表面等离子波的形成光波电磁场作用于金属时，改变了金属中存在的自由电荷（自由电子）密度的均匀分布。在自由电荷密度较高的地方，则该区域存在过剩的负电荷，自由电荷密度较低的地方存在过剩的正电荷。过

2、剩的正电荷对邻近的负电荷过剩区域产生库仑力，使过剩的负电荷向过剩正电荷区域运动，结果使得该区域出现过多的负电荷，负电荷之间的斥力把自由电荷推离该区域。此过程形成了自由电荷相对于正电荷密度变化的起伏状的振荡（金属中的等离子体振荡）。这种振荡可存在于金属和别的介质的分界面并且沿分界面传播，形成表面等离子波（Surface Plasmon Wave，SPW）。第2页/共15页第三页，编辑于星期二：二点 二十七分。表面等离子共振的形成入射光从一种介质入射另一种介质时，入射角度大于全反射临界角时，在两种介质交界面发生全反射(Total Intemal Reflected，TIR)，入射光全部被反射，在第

3、二种介质中产生消逝波。如果第二种介质是金属薄膜，则全反射时消逝波的横磁波与金属表面的自由电子相互作用，激发 SPW（纵波）。当入射光的沿着光疏光密介质交界面方向的波矢分量跟 SPW 的波矢相同时，消逝波跟 SPW 将产生强烈耦合，此时入射光能量大部分被吸收（光的能量转移到表面等离子体和金属损耗层），从而使全反射时的反射光能量下降达到一个极小值，在反射光谱上出现共振峰。也即是激发了表面等离子体共振 SPR。第3页/共15页第四页，编辑于星期二：二点 二十七分。SPR传感器检测原理当入射光通过具有不同折射率的两种材料界面时，产生的消逝波在金属表面产生等离子共振，当波长满足共振条件时，入射光几乎被全

4、部吸收。形成的等离子在金属的100nm范围内产生电场，因此在金属表面发生的化学/生物变化会引起相应的共振波长的变化，这种变化与待测成分的浓度有关。第4页/共15页第五页，编辑于星期二：二点 二十七分。三种类型的SPR生物传感器上图为三种SPR生物传感器，（a）为棱镜SPR，（b）为光栅SPR，（c）为波导SPR。尽管棱镜最常用于SPR传感器，但光栅与波导SPR也具有自身的优点，光栅传感器生产成本低，材料来源广，而波导传感器形态多样，能够设计成平面和光纤等构造。第5页/共15页第六页，编辑于星期二：二点 二十七分。SPR 传感器的检测方式SPR 传感器检测反射光谱跟入射光之间的关系有多种方法，一

5、般分为角度调制(angle modulation，AM),波长调制(wavelength modulation，WM) ，强度调制(intensity modulation，IM)和相位调制(phase modulation，PM)。其中波长调制和强度调制的应用比较广泛，角度调制受到扰动影响产生的误差较大，相位调制灵敏度最高，但是检测系统也是最复杂的，对应用的普及有一定限制。 第6页/共15页第七页，编辑于星期二：二点 二十七分。入射光是复色光（一般是白光），平行入射。入射光的入射角度固定，对入射光的波长进行调节，在反射光谱中得到共振峰的位置随入射光波长变化的关系。待测介质的膜厚，折射率或待测

6、介质的浓度变化都可通过共振峰位置的变化推算出来。待测介质折射率增大时，传感器的共振波长也随着增大。在反射光接收端的检测设备可以采用光纤光谱仪、CC（Charge-coupled Device，电荷耦合器件）、光电二极管等。检测方式波长调制第7页/共15页第八页，编辑于星期二：二点 二十七分。探测光为单色（激光），入射光波长单一，入射光的角度固定。调节入射光的光强，分析反射光谱中共振峰的变化，得到反射光光强与待测介质的浓度或者待测介质折射率的变化之间的关系 。当入射角小于共振角时，反射光光强随待测介质折射率的增大而增大。强度调制模式的 SPR装置结构简单，成本低，但是容易受到干扰。检测方式强度调

7、制第8页/共15页第九页，编辑于星期二：二点 二十七分。光源固定，一般用激光，入射光为单色光，波长单一。调节入射角的变化，检测反射光谱，观测共振峰位置的变化与入射角度的变化之间的关系，通过共振角变可以得到折射率、膜厚或浓度变化，样品折射率越大，共振角也越大。商用的 SPR 仪器一般采用角度调制方法。检测方式角度调制第9页/共15页第十页，编辑于星期二：二点 二十七分。在相位调制工作模式下，探测光为单色光（激光），入射光波长单一，入射光角度固定。待测介质的折射率 n、膜厚 d，浓度等参数都可以通过检测反射光波和入射光波之间的相位差来求出 。目前基于相位调制技术的 SPR 传感器主要有外差干涉法，

8、M-Z干涉仪法和椭偏法等。 检测方式相位调制第10页/共15页第十一页，编辑于星期二：二点 二十七分。SPR传感器的主要应用领域适用于某种物理量会引起特定敏感膜折射率的变化。例如,基于温度变化引起特定敏感膜的吸湿量变化。待测分子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。用于检测生物分子的结合作用,或者是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,如早期抗原-抗体的相互作用。第11页/共15页第十二页，编辑于星期二：二点 二十七分。进一步提高检测灵敏度及分辨率实现多通道检测器件微型化和阵列化降低检测成本SPR传感技术的发展趋势第12页/共15页第十三页，编辑于星期二：二点 二十七分。SPR传感技术因其独特的技术优势,在最近的20多年里得到了快速发展。SPR生物传感器必将成为生