SPR技術(shù)簡介ppt課件

1、ppt課件.1表面離子體共振表面離子體共振Surface plasmon resonance 組員：ppt課件.2Outline SPR技術(shù)簡介 SPR儀器介紹 SPR應(yīng)用ppt課件.3 SPR技術(shù)簡介1.1.表面等離子體共振（表面等離子體共振（Surface plasmon resonanceSurface plasmon resonance，SPRSPR），），又稱表面等離子體子共振，表面等離激元共振，是一種物理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。物學(xué)

2、研究的重要工具。2.發(fā)展概史發(fā)展概史F19021902年，年，WoodWood在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)SPRSPR現(xiàn)象現(xiàn)象F19411941年，年，F(xiàn)anoFano解釋了解釋了SPRSPR現(xiàn)象現(xiàn)象F19711971年，年，KretschmannKretschmann結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)為SPRSPR傳感器奠定了基礎(chǔ)傳感器奠定了基礎(chǔ)F19831983年，年，liedbergliedberg將將SPRSPR用于用于IgGIgG與其抗原的反應(yīng)測定與其抗原的反應(yīng)測定F19871987年，年，KnollKnoll等人開始等人開始SPRSPR成像研究成像研究F19901990年，年，Biacore ABBi

3、acore AB公司開發(fā)出首臺商品化公司開發(fā)出首臺商品化SPRSPR儀器儀器F ppt課件.4SPR原理原理什么是等離子體？什么是等離子體？等離子體 =PLASMA = 電漿等離子體的發(fā)現(xiàn)： 等離子體通常指由密度相當(dāng)高的自由正、負(fù)電荷組成的氣體，其中正、負(fù)帶電粒子數(shù)目幾乎相等 ，是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，與固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)并列，稱為物質(zhì)的第四態(tài)。宇宙中大部分物質(zhì)處于等離子狀態(tài)。 1879年，英國物理學(xué)家 William Crookes-物質(zhì)第四狀態(tài) 1929年，美國化學(xué)物理學(xué)家 Langmuir-等離子體ppt課件.5等離子體成分，對外呈現(xiàn)電中性ppt課件.6 等離子體是由大量帶電粒子組成的非凝聚

4、系統(tǒng)，它的主要特征是： 1、離子間存在長程庫侖作用。 2、等離子的運(yùn)動與電磁場的運(yùn)動緊密耦合，形態(tài)和性質(zhì)受外加電磁場的影響強(qiáng)烈。 3、存在極其豐富的集體效應(yīng)和集體運(yùn)動模式(如各種靜電波、漂移波等)。 4、等離子體對邊界條件十分敏感。ppt課件.7 在金屬中，價(jià)電子為整個(gè)晶體所在金屬中，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)電共有，形成所謂費(fèi)米電子氣。價(jià)電子可在晶體中移動，而金屬離子則子可在晶體中移動，而金屬離子則被束縛于晶格位置上，但總的電子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。人們把這種來說金屬是電中性的。人們把

5、這種情況形象地稱為情況形象地稱為“金屬離子浸沒于金屬離子浸沒于電子的海洋中電子的海洋中”。這種情況和氣體。這種情況和氣體放電中的等離子體相似，因此可以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。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（上）金屬離子（+）位于）位于“電子海洋電子海洋”中（灰中（灰色背景），（下）電子集體向右移動色背景），（下）電子集體向右移動 什么是金屬等離子體？什么

6、是金屬等離子體？ppt課件.8等離子波等離子波e正電荷過剩區(qū)域庫侖力引力斥力平衡點(diǎn)電子間相互斥力 當(dāng)金屬受到電磁干擾時(shí)，金屬中的電子密度分布就會變得不均勻。設(shè)想在某一區(qū)域電子密度低于平均密度，那么就會形成局部的正電荷過剩。這時(shí)由于庫侖引力作用，會把近鄰的電子吸引到該區(qū)域，而被吸引的電子由于獲得附加的動量，又會使該區(qū)域聚集過多的負(fù)電荷，然而，由于電子間的排斥作用，使電子再度離開該區(qū)域，從而形成價(jià)電子相對于正電荷背景的起伏振蕩。由于庫侖力的長程作用，這種局部的電子密度振蕩將形成整個(gè)電子系統(tǒng)的集體振蕩，即等離子震蕩，并以密度起伏的波的形式來表現(xiàn)，稱為等離子波。ppt課件.9 表面等離子體振動產(chǎn)生的電

7、荷密度波，沿著金屬和電介質(zhì)的界面?zhèn)鞑ィ纬杀砻娴入x子體波，其場矢量在界面處達(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，即橫磁波（Transverse Magnetic mode），其磁場矢量與傳播方向垂直，與界面平行，而電場矢量則垂直于界面。 表面等離子體波表面等離子體波（Surface plasma wave，SPW）ppt課件.10全反射全反射n1 sin1 = n2 sin2菲涅爾定理：菲涅爾定理：密疏密疏當(dāng)光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)（n1n2），入射角增大到某一角度，使折射角達(dá)到90時(shí)，折射光將完全消失，而只剩下反射光，這種現(xiàn)象叫做全反射。ppt課件.11 當(dāng)以波動光學(xué)

8、的角度來研究全反射時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)入射光到達(dá)界面時(shí)并不是直接產(chǎn)生反射光，而是先透過光疏介質(zhì)約一個(gè)波長的深度，再沿界面流動約半個(gè)波長再返回光密介質(zhì)，而光的總能量沒有發(fā)生改變。則透過光疏介質(zhì)的波被稱為消逝波。界面界面疏密消逝波消逝波ppt課件.12SPR基本原理它利用它利用P P偏振光在玻偏振光在玻璃與金屬薄膜界面璃與金屬薄膜界面處發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)處發(fā)生全內(nèi)反射時(shí)滲透到金屬薄膜內(nèi)滲透到金屬薄膜內(nèi)的消失波的消失波, ,引發(fā)金屬引發(fā)金屬中的自由電子產(chǎn)生中的自由電子產(chǎn)生表面等離子 體 子表面等離子 體 子 , , 當(dāng)表面等離子體與當(dāng)表面等離子體與消失波的頻率相等消失波的頻率相等時(shí)時(shí), ,二者將發(fā)生共振二者將

9、發(fā)生共振, ,界面處的全反射條界面處的全反射條件將被破壞件將被破壞, 呈現(xiàn)衰呈現(xiàn)衰減全反射現(xiàn)象，減全反射現(xiàn)象，入入射光被射光被金屬表面電金屬表面電子子吸收吸收, ,使反射光能使反射光能量急劇下降量急劇下降ppt課件.13SPR基本原理當(dāng)入射光波長固定時(shí)，反射光強(qiáng)度是入射角的函數(shù)，其中反射光強(qiáng)度最低時(shí)所對應(yīng)的入射角稱為共振角共振角ppt課件.14SPR檢測原理SPR對附著在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率非常敏感對附著在金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率非常敏感,當(dāng)表面當(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，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（共振角的變化譜（共振角的變

10、化vs時(shí)間）能夠反映與金屬膜表面接時(shí)間）能夠反映與金屬膜表面接觸的體系的變化。觸的體系的變化。ppt課件.15棱鏡耦合 棱鏡是棱鏡是SPRSPR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，其底部鍍有厚度為吸收性的光學(xué)材料構(gòu)成，其底部鍍有厚度為50nm50nm左右的高反射率的金屬薄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)。在膜（一般為金或銀），膜下面是電介質(zhì)。在SPRSPR傳感器中，該電介質(zhì)即為待傳感器中，該電介質(zhì)即為待測樣品。由光源發(fā)出的測樣品。由光源發(fā)出的p p- -偏振光以一定的角度偏振光以一

11、定的角度0 0入射到棱鏡中，在棱鏡與入射到棱鏡中，在棱鏡與金屬的界面處將發(fā)生反射和折射。當(dāng)金屬的界面處將發(fā)生反射和折射。當(dāng)0 0大于臨界角大于臨界角c c時(shí)，光線將發(fā)生全時(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)用里入射光應(yīng)當(dāng)用p p- -偏振光，因?yàn)槠潆妶龇至颗c界面垂直，這與表面等離子偏振光，因?yàn)槠潆妶龇至颗c界面垂直，這與表面等離子體波的情況一致。體波的情況一致。 ppt課件.16 傳感器的基本原理傳感器的基本原理 表面等離子體子共振的產(chǎn)生與入射光的角度表面等離子體子共振的產(chǎn)生與

12、入射光的角度、波長、波長 、金屬薄膜的介電常數(shù)金屬薄膜的介電常數(shù) s s及電介質(zhì)的折射率及電介質(zhì)的折射率n ns s有關(guān)，發(fā)生共有關(guān)，發(fā)生共振時(shí)振時(shí)和和 分別稱為共振角度和共振波長。對于同一種金分別稱為共振角度和共振波長。對于同一種金屬薄膜，如果固定屬薄膜，如果固定，則，則 與與nsns有關(guān)；固定有關(guān)；固定 ，則，則與與nsns有有關(guān)。關(guān)。 如果將電介質(zhì)換成待測樣品，測出共振時(shí)的如果將電介質(zhì)換成待測樣品，測出共振時(shí)的或或 ，就可，就可以得到樣品的介電常數(shù)以得到樣品的介電常數(shù) s s或折射率或折射率n ns s；如果樣品的化學(xué)或；如果樣品的化學(xué)或生物性質(zhì)發(fā)生變化，引起生物性質(zhì)發(fā)生變化，引起n n

13、s s的改變，則的改變，則或或 也會發(fā)生變也會發(fā)生變化，這樣，檢測這一變化就可獲得樣品性質(zhì)的變化?；?，這樣，檢測這一變化就可獲得樣品性質(zhì)的變化。 固定入射光的波長，改變?nèi)肷浣?，可得到角度隨反射率變固定入射光的波長，改變?nèi)肷浣牵傻玫浇嵌入S反射率變化的化的SPRSPR光譜；同樣地，固定入射光的角度，改變波長，光譜；同樣地，固定入射光的角度，改變波長，可得到波長隨反射率變化的可得到波長隨反射率變化的SPRSPR光譜。光譜。SPRSPR光譜的改變反映光譜的改變反映了體系性質(zhì)的變化。了體系性質(zhì)的變化。ppt課件.17 傳感器的基本結(jié)構(gòu)傳感器的基本結(jié)構(gòu)一般來說，一個(gè)一般來說，一個(gè)SPR傳感器的包括：光學(xué)

14、系統(tǒng)、敏感元件、數(shù)據(jù)采集和傳感器的包括：光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)。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）調(diào)節(jié)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）調(diào)節(jié)部件以及光檢測器件，用于產(chǎn)生部件以及光檢測器件，用于產(chǎn)生SPR并檢測并檢測SPR光譜的變化。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)，用于將待測對象的敏感元件主要指金屬薄膜及其表面修飾的敏感物質(zhì)，用于將待測對象的化學(xué)或生物信息轉(zhuǎn)換成折射率的變化，是化學(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。從傳感器的關(guān)鍵。從SPR的的原理可知，實(shí)際上是樣品的折射率的變化引起

15、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，只能用于一些簡單體系的測定，因而一般都要進(jìn)行修飾，以獲得對被測對象的選擇些簡單體系的測定，因而一般都要進(jìn)行修飾，以獲得對被測對象的選擇性識別能力。性識別能力。數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)用于采集和處理光檢測器產(chǎn)生的電子信號?，F(xiàn)在光數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)用于采集和處理光檢測器產(chǎn)生的電子信號?，F(xiàn)在光檢測器越來越多地采用陣列檢測器，如光電二極管陣列和電荷耦合器件，檢測器越來越多地采用陣列檢測器，如光電二極管陣列和電荷耦合

16、器件，以便同時(shí)檢測多個(gè)角度或波長處的信號變化。數(shù)據(jù)采集和處理均由計(jì)算以便同時(shí)檢測多個(gè)角度或波長處的信號變化。數(shù)據(jù)采集和處理均由計(jì)算機(jī)完成。機(jī)完成。ppt課件.184種檢測方式種檢測方式角度調(diào)制：固定角度調(diào)制：固定inin，改變，改變inin波長調(diào)制：波長調(diào)制：固定固定inin ，改變，改變inin強(qiáng)度調(diào)制：強(qiáng)度調(diào)制：固定固定inin 、inin，改變光強(qiáng)，改變光強(qiáng)相位調(diào)制：相位調(diào)制：固定固定inin 、inin，測相差，測相差ppt課件.19一個(gè)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

17、分的性能。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組分選擇性地作用。這一相互作用會引起敏感層折射率與樣品中的待測組分選擇性地作用。這一相互作用會引起敏感層折射率的改變，導(dǎo)致的改變，導(dǎo)致SPR信號的變化，從而獲得待測樣品的化學(xué)或生物信息。信號的變化，從而獲得待測樣品的化學(xué)或生物信息。如果不對金屬薄膜進(jìn)行修飾，這樣的傳感器也可用于一些簡單體系的檢如果不對金屬薄膜進(jìn)行修飾，這樣的傳感器也可用于一些簡單體系的檢測，如一些濃度隨折射率變化的溶液（乙醇、蔗糖、葡萄糖等的

18、水溶測，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）。金和銀相對來說比較穩(wěn)定，且反射率高，是比較常用的兩種金屬。液）。金和銀相對來說比較穩(wěn)定，且反射率高，是比較常用的兩種金屬。在生物體系的測量中，常常有氯離子存在，用銀膜不太合適，一般都用在生物體系的測量中，常常有氯離子存在，用銀膜不太合適，一般都用金膜。金膜。ppt課件.20SPR傳感器的基本結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)耦合器件金屬膜分子敏感膜ppt課件.21光波導(dǎo)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ppt課件.22金屬膜u反射率高u化學(xué)穩(wěn)定性好Au 膜和Ag 膜是SPR 中最常

19、用的兩種金屬薄膜u膜的厚度：50-100nmppt課件.23分子敏感膜成膜方法：金屬膜直接吸附法共價(jià)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(fù)合膜法1. 分子印膜技術(shù)ppt課件.24SPR的優(yōu)點(diǎn)待測物無需標(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)測反應(yīng)動態(tài)過程檢測方便、快捷應(yīng)用范圍廣ppt課件.25SPR缺點(diǎn)難以區(qū)分非特異性吸附對溫度、樣品組成等干擾因素敏感ppt課件.26SPR技術(shù)發(fā)展動態(tài)提高檢測靈敏度高通量檢測（SPR imaging）與質(zhì)譜等高分辨儀器聯(lián)用敏感器件及測量裝置的微型化ppt課件.27提高SPR檢測靈敏度的方法 納米技術(shù)的應(yīng)用以納米粒子作為載

20、體，夾心法測定 采用新型檢測方法光聲光譜( PAS) 、光熱偏轉(zhuǎn)光譜(PDS)、反射干涉光譜、Ellipsometric Microscopy、電化學(xué)法ppt課件.28微流控多通道SPR檢測Anal. Chem. 2001,73: 5525-5531ppt課件.29SPR掃描顯微鏡Optics Communications 2000, 182 : 1115ppt課件.30多波長SPR成像a 630 nma 630 nm，b 690 nmb 690 nm，c 750 nm.c 750 nm.Rev. Sci. Instrum. 2000, 71: 3530-3538ppt課件.31SPR-MSA

21、nal. Chem. 2000, 72,4193-4198ppt課件.32SPR-MSAnal. Chem. (2000)404 A-411 Appt課件.33微型化Biacore 2000Dimensions: 760 x 350 x 610 mmNet Weight: 50 kgSpreeta 2000ppt課件.34微流控SPR芯片The Integrated microfluidics Cartridges used in the Biacore3000ppt課件.35SPR的應(yīng)用對生物分子進(jìn)行識別及定量檢測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)

22、分子的濃度 結(jié)合以及解離過程的動力學(xué)參數(shù)1. 結(jié)合的強(qiáng)度ppt課件.36FElucidate the function of novel proteins in proteomics researchFIdentify binding partners to any target molecule ligand fishingFDetermine the nature of protein complexes and their functionFUnravel the intricate molecular interactions involved in cell signaling pa

23、thwaysFStudy membrane associated molecules in near native environmentsApplications in life science researchppt課件.37Applications in life science researchFDetermine expression levels of selected proteins under different conditions, for example, health, disease, drug treatmentFInvestigate the binding p

24、roperties of protein isoformsFFind antagonists to critical binding eventsFIdentify disease markers in clinical samplesFOptimize therapeutic antibodiesFEvaluate ion selectivity in signaling pathwaysFIdentify DNA damage mutations, DNA adducts etcppt課件.38Applications in Drug DiscoveryFProteomics target

25、 identification and ligand fishingFTarget and assay validation for High Throughput Screening (HTS)FHit to lead characterization rapid affinity ranking and detailed kinetics of interaction for small molecules binding to target proteinsFLead optimization through interaction kinetic based QSAR (Quantitative Structure Activity Relationship)FEarly ADME (Absorption, Distribution, Metabolism, Excretion) rapid i