第3章_表面等離子體共振技術(shù)

1、第三章第三章表面等離子體共振技術(shù)表面等離子體共振技術(shù)目 錄3-1 表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生3-1-1 SPR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3-2 SPR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3-1-1 SPR簡(jiǎn)史簡(jiǎn)史F1902年，年，Wood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)SPR現(xiàn)象現(xiàn)象F1941年，年，F(xiàn)ano解釋了解釋了SPR現(xiàn)象現(xiàn)象F1971年，年，Kretschmann結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)為SPR傳感器奠定了基礎(chǔ)傳感器奠定了基礎(chǔ)F1982年，

2、年，Lundstrm將將SPR用于氣體的傳感（第一次）用于氣體的傳感（第一次）F1983年，年，liedberg將將SPR用于用于IgG與其抗原的反應(yīng)測(cè)定與其抗原的反應(yīng)測(cè)定F1987年，年，Knoll等人開(kāi)始等人開(kāi)始SPR成像研究成像研究F1990年，年，Biacore AB公司開(kāi)發(fā)出首臺(tái)商品化公司開(kāi)發(fā)出首臺(tái)商品化SPR儀器儀器 表面等離子體共振（表面等離子體共振（Surface plasmon resonance，SPR），又稱(chēng)表面等離子體子共振，表面等離激元共振，），又稱(chēng)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)成為物理是一種物理光學(xué)現(xiàn)象，有關(guān)儀器和應(yīng)

3、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，。學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)研究的重要工具，。 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(dòng)，而金屬離子則子可在晶體中移動(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(lái)說(shuō)金屬是電中性的。人們把這種來(lái)說(shuō)金屬是電中性的。人們把這種情況形象地稱(chēng)為情況形象地稱(chēng)為“金屬離子浸沒(méi)于金屬離子浸沒(méi)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

4、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(dòng)色背景），（下）電子集體向右移動(dòng)五十年代，為了解快速電子穿過(guò)金屬箔時(shí)的能量損失，人們進(jìn)行了五十年代，為了解快速電子穿過(guò)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。大量的實(shí)驗(yàn)和理論工作。Pine和和Bohm認(rèn)為，

5、其中能量損失的部分原因認(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)（是激發(fā)了金屬箔中電子的等離子體振動(dòng)（Plasma oscillation），又稱(chēng)為），又稱(chēng)為等離子體子（等離子體子（plasmon）。）。Ritchie從理論上探討了無(wú)限大純凈金屬箔中從理論上探討了無(wú)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)部存在角頻率為的情況，指出：不僅等離子體內(nèi)部存在角頻率為p的等離子體振動(dòng)，而的等離子體振動(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)（且

6、在等離子體和真空的界面，還存在表面等離子體振動(dòng)（Surface plasma oscillation），其角頻率為），其角頻率為 。Powell和和Swan 用高能電子發(fā)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的理論的理論來(lái)解釋。來(lái)解釋。Stern和和Ferrell將表面等離子體振動(dòng)的量子稱(chēng)為表面等離子體子將表面等離子體振動(dòng)的量子稱(chēng)為表面等離子體子（Surface plasmon），研究了金屬表面有覆蓋物時(shí)的表面等離子體振動(dòng)，），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

7、種振動(dòng)的明顯改變。他們還預(yù)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(guò)選擇合適的涂言：由于表面等離子體振動(dòng)對(duì)表面涂層的敏感，那么通過(guò)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。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。2/p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，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

8、，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，仍然是目前巧妙，仍然是目前SPR裝置上應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。裝置上應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。(A) Kretschman (B) OttoPrism gMetal mSample s0kevkspxzPrism gSample sMetal m0kevksp3-1-2 金屬內(nèi)部的

9、等離子體振動(dòng)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)。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，因此在右邊就有了電子堆積。設(shè)就有了電子堆積。設(shè)n ne e為電子密度，右邊出現(xiàn)的面電荷密度為為電子密度，右邊出現(xiàn)的面電荷密度為-n-ne ee e ，左邊，左邊的面電荷密度為的面電荷密度為+ +n ne ee e ，則金屬的極化強(qiáng)度，則金屬的極化強(qiáng)度p p為：為：由極化產(chǎn)生的電場(chǎng)由極化產(chǎn)生的電場(chǎng)EpEp為為: :在

10、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：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： 式中式中m m為電子的質(zhì)量，為電子的質(zhì)量，e e為電子的電荷量，為電子的電荷量， p p為無(wú)衰減時(shí)的等離子體振動(dòng)的為無(wú)衰減時(shí)的等離子體振動(dòng)的角頻率，則角頻率，則 enpeenpEep4422224eneEndtdmnepee0222pdtd或或等離子體子（等離子體子（plasmonplasmon，又稱(chēng)等離激元）的量子能量為：，又稱(chēng)等離激元）的量子能量為：對(duì)金屬來(lái)說(shuō)，

11、對(duì)金屬來(lái)說(shuō)，n ne e10102323/cm/cm3 3，將此值代入式（，將此值代入式（5-65-6），可得金屬中等離子），可得金屬中等離子體子的量子能量約為：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)間為如果考慮了金屬內(nèi)電子的衰減，弛豫時(shí)間為，在外電場(chǎng)，在外電場(chǎng)的存在下，電子只沿的存在下，電子只沿z z方向運(yùn)動(dòng)，則電子的運(yùn)動(dòng)方程（方向運(yùn)動(dòng)，則電子的運(yùn)動(dòng)方程（DrudeDrude方程）為：方程）為： 212)4(menep212)4(menepeVp10)exp(0tiEE)exp(02222tieEdtdmdtdm由此可得：由此可得： 代入代入 ，則復(fù)數(shù)介電常數(shù)，則復(fù)數(shù)介電常數(shù)

12、若忽略衰減，即若忽略衰減，即 時(shí)，有：時(shí)，有：根據(jù)等離子體理論，產(chǎn)生固體等離子體波應(yīng)滿足根據(jù)等離子體理論，產(chǎn)生固體等離子體波應(yīng)滿足Eime1112enpe11111114141)(2222*iimenpe122*1)(p0)(*3-1-3 金屬表面的等離子體振動(dòng)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)（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)（Volume Volume plasma oscillationplasma oscillation）。而在金屬表面也存在電荷密度振動(dòng)，稱(chēng)為表面）。而在金屬表面也存在電荷密度振動(dòng)，稱(chēng)為表面等離子體振動(dòng)，

13、其角頻率等離子體振動(dòng)，其角頻率s s與體積等離子體的不同，它們之間存在以下與體積等離子體的不同，它們之間存在以下關(guān)系：關(guān)系：若金屬表面覆蓋有介電常數(shù)為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的薄層，則這種特殊表面的等離子體振動(dòng)的角頻率動(dòng)的角頻率 msms為：為：2ps1pms3-1-4 產(chǎn)生表面等離子體共振的方法產(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?，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（形成表面等離子體波（Surface plasma waveSurface plasma wav

14、e，SPWSPW），其場(chǎng)矢量在界面），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TMTM極化波，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。于界面。 在半無(wú)窮電介質(zhì)和金屬界面處，角頻率為在半無(wú)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的表面等離子體波的波矢量為：為：式中式中c c是真空中的光速，是真空中的光速，m m和和a a分別是金屬和電介質(zhì)的介電常數(shù)。表面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

15、復(fù)數(shù)，因?yàn)榻饘俚慕殡姵?shù)是復(fù)數(shù)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)（m m=mrmr+i+imimi）。金屬的）。金屬的mrmr/ /mimi比高，波矢量的實(shí)部分可近似為：比高，波矢量的實(shí)部分可近似為：amammsspwckamramrmsspwspwckk)Re(電磁波在真空中的速度電磁波在真空中的速度c c與在不導(dǎo)電的均勻介質(zhì)中的速度與在不導(dǎo)電的均勻介質(zhì)中的速度v v之比稱(chēng)為電介之比稱(chēng)為電介質(zhì)的折射率質(zhì)的折射率n n：在光波的頻率下，電介質(zhì)一般為非磁性的，在光波的頻率下，電介質(zhì)一般為非磁性的， 1 1，有：，有：則：則：頻率為頻率為的通過(guò)電介質(zhì)傳遞的光的波矢量的通過(guò)電介質(zhì)傳遞

16、的光的波矢量kaka為：為： vcnn22amramrmsspwnnckaaaaancck要使光波和表面等離子體波之間發(fā)生共振，必須有：要使光波和表面等離子體波之間發(fā)生共振，必須有：aspwkkkkakspwkevkg0kakspw0kev=kgsin0kgkev=kspw 但是，電介質(zhì)中光的但是，電介質(zhì)中光的 （kaka）總是在總是在 （kspwkspw）的左邊，從不）的左邊，從不交叉，即交叉，即 （kspwkspw） （kaka）。）。因此，電介質(zhì)中的光不能直接激因此，電介質(zhì)中的光不能直接激發(fā)表面等離子體子共振（發(fā)表面等離子體子共振（SPRSPR），），必須要設(shè)法移動(dòng)必須要設(shè)法移動(dòng) （ks

17、pwkspw）或）或 （kaka）的色散曲線的位置，使兩）的色散曲線的位置，使兩者相交。可利用光學(xué)耦合器件，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)器件如棱鏡、光柵以及光學(xué)波導(dǎo)器件達(dá)到這一目的達(dá)到這一目的。 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)

18、即為待傳感器中，該電介質(zhì)即為待測(cè)樣品。由光源發(fā)出的測(cè)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?chǎng)分量與界面垂直，這與表面等離子偏振光，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。體波的情況一致。 在全內(nèi)

19、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 X軸方向傳播軸方向傳播的與表面平行的波矢分量的與表面平行的波矢分量kevkev為：為：通過(guò)調(diào)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)0 或或a a，可使，可使kev=kspwkev=kspw，消失波與表面等離子體波共振，即，消失波與表面等離子體波共振，即表面等離子體子共振，有：表面等離子體子共振，有：由上式可見(jiàn)，若入射光的波長(zhǎng)一定，即由上式可見(jiàn)，若入射光的波長(zhǎng)一定，即a a一定時(shí)，一定時(shí)，n ns s改變

20、，則必須改變改變，則必須改變0 0以滿足共振條件；若以滿足共振條件；若0 0一定時(shí)，一定時(shí)，n ns s改變，則必須改變改變，則必須改變a a以滿足共振條以滿足共振條件，這可通過(guò)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)件，這可通過(guò)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)0 0和和分別稱(chēng)為共振角分別稱(chēng)為共振角和共振波長(zhǎng)。和共振波長(zhǎng)。00sinsingagevckk220sinsmsmmsganncc典型的SPR光譜 Wavelength / nm620640660680700720Reflectance0.60.70.80.91.0目 錄3-1 表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生3-1-1 SPR簡(jiǎn)史3-1-2 金屬內(nèi)部

21、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3-2 SPR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3-2-1 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)生與入射光的角度、波長(zhǎng)、波長(zhǎng) 、金、金屬薄膜的介電常數(shù)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)生共振時(shí)有關(guān)，發(fā)生共振時(shí)和和 分別稱(chēng)為共振角度和共振波長(zhǎng)。對(duì)于同一種金屬薄膜，分別稱(chēng)為共振角度和共振波長(zhǎng)。對(duì)于同一種金屬薄膜，如果固定如果固定，則，則 與與ns

22、ns有關(guān)；固定有關(guān)；固定 ，則，則與與nsns有關(guān)。有關(guān)。如果將電介質(zhì)換成待測(cè)樣品，測(cè)出共振時(shí)的如果將電介質(zhì)換成待測(cè)樣品，測(cè)出共振時(shí)的或或 ，就可以，就可以得到樣品的介電常數(shù)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)或生物；如果樣品的化學(xué)或生物性質(zhì)發(fā)生變化，引起性質(zhì)發(fā)生變化，引起n ns s的改變，則的改變，則或或 也會(huì)發(fā)生變化，這也會(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。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)肷浣牵傻玫浇嵌入S反射率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的SPRSPR光譜；同樣地，固定入射

23、光的角度，改變波長(zhǎng)，可得光譜；同樣地，固定入射光的角度，改變波長(zhǎng)，可得到波長(zhǎng)隨反射率變化的到波長(zhǎng)隨反射率變化的SPRSPR光譜。光譜。SPRSPR光譜的改變反映了體系光譜的改變反映了體系性質(zhì)的變化。性質(zhì)的變化。3-2-2 傳感器的基本結(jié)構(gòu)傳感器的基本結(jié)構(gòu)一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)一般來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)）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(zhǎng)）調(diào)節(jié)部件以及光檢測(cè)器件，用于產(chǎn)生部件以及光檢測(cè)器件，用于產(chǎn)生SPR并檢測(cè)并檢測(cè)SPR光

24、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(cè)對(duì)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(cè)對(duì)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(méi)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(méi)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)象的選擇些簡(jiǎn)單體系的測(cè)定，因而一般

25、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。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)。現(xiàn)在光檢測(cè)器越來(lái)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，檢測(cè)器越來(lái)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。機(jī)完成。4種檢測(cè)方式種檢測(cè)方式1.1.角度調(diào)制：固定角度調(diào)制：固定inin，改變，改變inin2.2.波長(zhǎng)調(diào)制：波長(zhǎng)調(diào)制：固定固定inin ，改變，改變in

26、in3.3.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)4.4.相位調(diào)制：相位調(diào)制：固定固定inin 、inin，測(cè)相差，測(cè)相差一個(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(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

27、射率的改變，導(dǎo)致的改變，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。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(lái)說(shuō)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(duì)來(lái)說(shuō)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，一般都用在生物體系的測(cè)量中，常常有氯離子存在，用

28、銀膜不太合適，一般都用金膜。金膜。目 錄3-1 表面等離子體共振（SPR）的產(chǎn)生3-1-1 SPR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3-2 SPR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ComputerPrismL C P DG CCDAuBSample inSample outGlass slideAu filmPrism0.1mmL：鹵鎢燈；：鹵鎢燈；C：平行光管；：平行光管；P：偏振片；：偏振片；D：光闌；：光闌；G：光柵；：光柵；B：玻片：玻片基

29、于波長(zhǎng)調(diào)制的基于波長(zhǎng)調(diào)制的SPR傳感器裝置傳感器裝置Wavelength / nm540560580600620640Reflectance 0.40.50.60.70.80.91.00 5X10-3 0.1 0.2 0.25g/mLConcentration of glucose / g/mL0.000.050.100.150.200.250.30Wavelength shift / nm020406080100120葡萄糖溶液的測(cè)定葡萄糖溶液的測(cè)定SPR光譜（葡萄糖，銀膜）光譜（葡萄糖，銀膜） 響應(yīng)曲線（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

30、于一些簡(jiǎn)單樣品裸金屬膜對(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(guò)程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。得結(jié)果與藥典法相符，可用于葡萄糖注射液生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。乙肝表面抗原（乙肝表面抗原（HBsAg）的測(cè)定）的測(cè)定 病毒性肝炎是人群中最常見(jiàn)的傳染性疾病之一，對(duì)人體健康危害很大。病毒性肝炎是人群中最常見(jiàn)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)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

31、，乙型肝炎表面抗原（HBsAg）攜帶者至少有）攜帶者至少有1.2億，其中約億，其中約10%最終轉(zhuǎn)化為各種慢性肝病，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。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，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（義。目前用到的臨床檢驗(yàn)方法有：血細(xì)胞凝集法（PHA、RPHA）、酶）、酶聯(lián)免疫法（聯(lián)免疫法（EIA、ELISA）、放射免疫法（）、放射免疫法（RIA）、全血凝集法、斑點(diǎn)）、全血凝集法、斑點(diǎn)雜交法、聚合酶鏈反應(yīng)法（雜交法、聚合酶鏈反應(yīng)法（

32、PCR）等等，其中放射免疫法較為靈敏，可）等等，其中放射免疫法較為靈敏，可檢出血清中檢出血清中0.1ng/mL的的HBsAg，但存在放射性污染的問(wèn)題。酶聯(lián)免疫吸，但存在放射性污染的問(wèn)題。酶聯(lián)免疫吸附法（附法（ELISA）由于簡(jiǎn)單、方便、快速，目前是臨床診斷中最常用的，）由于簡(jiǎn)單、方便、快速，目前是臨床診斷中最常用的，其檢出限一般為其檢出限一般為1ng/mL HBsAg。如果能進(jìn)一步提高靈敏度，對(duì)及早發(fā)。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(wú)疑具有非常重要的意義?，F(xiàn)、診斷和治療乙型肝炎無(wú)疑具有非常重要的意義。OHC(CH2)3CHOSSNNCH(CH2)3CH NCH(CH2)

33、3CH H(CH2)2OHSSNNCH(CH2)3CHOCH(CH2)3CHOSSNH2NH2SSNH2NH2Metal filmSSNNCH(CH2)3CH NCH(CH2)3CHOanti-HBsAgH2NH2N(CH2)2OH利用胱胺將利用胱胺將HBsAgHBsAg單克隆抗體固定于金膜表面單克隆抗體固定于金膜表面 以以A A蛋白為連接層固定蛋白為連接層固定HBsAgHBsAg單克隆抗體單克隆抗體M M：金膜，：金膜，G G：玻片，：玻片，AgAg：血清中的：血清中的HBsAgHBsAg，AbAb：HBsAgHBsAg單克隆抗體，單克隆抗體，PAPA：A A蛋白蛋白Wavelength /

34、 nm640650660670680690Reflectance0.50.60.70.80.91.0PBS0.5ng/mL HBsAg5ng/mL HBsAg胱胺固定法中胱胺固定法中HBsAgHBsAg與抗體結(jié)合前后的與抗體結(jié)合前后的SPRSPR光譜圖光譜圖 檢測(cè)限為檢測(cè)限為0.01ng/mL 固定化固定化DNA單層的電致開(kāi)關(guān)行為研究單層的電致開(kāi)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(kāi)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

35、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。Knoll et al. Langmuir 2005, 21: 348-353ComputerPrismL C P DG CCDAuBSample inSample outITO filmGlass slideAu filmPrism1.34mm1.48mmEL：鹵鎢燈；：鹵鎢燈；C：平行光管；：平行光管；P：偏振片；：偏振片；D：光闌；：光闌；G：光柵；：光柵；E：直流電源；：直流電源；B：ITO導(dǎo)電玻璃導(dǎo)電玻璃SSSSAuglassSSSS+ + Au + + Au SSSSconducti

36、ve layerglassconductive layer+ + + +glassconductive layer- - - -（A）金膜不帶電荷；（）金膜不帶電荷；（B）金膜帶負(fù)電荷；（）金膜帶負(fù)電荷；（C）金膜帶正電荷）金膜帶正電荷.A B C金膜表面固定化金膜表面固定化DNA探針的取向探針的取向電場(chǎng)對(duì)金膜表面固定化電場(chǎng)對(duì)金膜表面固定化DNA探針的作用探針的作用 （a）金膜帶正電荷；（）金膜帶正電荷；（b）斷開(kāi)電路；）斷開(kāi)電路；（c）金膜帶負(fù)電荷；（）金膜帶負(fù)電荷；（d）斷開(kāi)電路）斷開(kāi)電路.不同強(qiáng)度的電場(chǎng)對(duì)不同強(qiáng)度的電場(chǎng)對(duì)DNA探針的作用探針的作用電場(chǎng)在電場(chǎng)在-1.5V與與1.5 V間切換

37、間切換（1）金膜帶負(fù)電荷；（）金膜帶負(fù)電荷；（2）金膜帶正電荷）金膜帶正電荷（1）金膜帶負(fù)電荷；（）金膜帶負(fù)電荷；（2）金膜不帶）金膜不帶電荷；（電荷；（3）金膜帶正電荷）金膜帶正電荷.不同強(qiáng)度的電場(chǎng)對(duì)固定化不同強(qiáng)度的電場(chǎng)對(duì)固定化DNA探針捕獲探針捕獲cDNA的影響的影響電場(chǎng)對(duì)不同濃度電場(chǎng)對(duì)不同濃度cDNA雜交的影響雜交的影響E=1.5VCDNA=2.83 nM電場(chǎng)對(duì)電場(chǎng)對(duì)DNA雜交的作用雜交的作用表面覆蓋率的影響表面覆蓋率的影響 電場(chǎng)（金膜與電場(chǎng)（金膜與ITO導(dǎo)電玻璃之間電位導(dǎo)電玻璃之間電位差為差為1.5 V）對(duì)不同表面覆蓋率的）對(duì)不同表面覆蓋率的DNA探針的作用探針的作用5.87 1012

38、 電場(chǎng)（金膜與電場(chǎng)（金膜與ITO導(dǎo)電玻璃之間的電導(dǎo)電玻璃之間的電位差為位差為1.5 V）對(duì)）對(duì)不同表面覆蓋率不同表面覆蓋率的的DNA雜交的雜交的影響，影響，cDNA濃度為濃度為5.65 nmol/L 基于基于SiO2包被金膜的納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)包被金膜的納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器及其傳感器及其DNA檢測(cè)應(yīng)用檢測(cè)應(yīng)用(Biosens. Bioelectron. 2007, 22, 1106-1110)SiO2 AuabNADH+HAuCl4dc(a)生物素化的生物素化的DNA探針；探針；(b)目標(biāo)目標(biāo)DNA；(c)巰基巰基DNA修飾的納米金顆粒；修飾的納米金顆粒；(d)納米金顆粒催化

39、增長(zhǎng)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)包被金膜的納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感檢測(cè)傳感檢測(cè)DNA原理示意圖原理示意圖SiO2層對(duì)金沉積的阻擋作用層對(duì)金沉積的阻擋作用 金膜金膜 SiO2包被的金膜包被的金膜 （1）與催化增長(zhǎng)試劑反應(yīng)前；（）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）與催化增長(zhǎng)試劑反應(yīng)后SPR傳感器傳感器: (a)cDNA, (a)單堿基錯(cuò)配單堿基錯(cuò)配DNA, (a)隨機(jī)隨機(jī)DNA；納米金顆粒增；納米金顆粒增強(qiáng)強(qiáng)SPR傳感器傳感器: (b)cDNA, (b)單堿基錯(cuò)單堿基錯(cuò)配配DNA, (b)隨機(jī)隨機(jī)DNA；納米金顆粒；納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)催化

40、增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器傳感器: (c)cDNA, (c)單堿基錯(cuò)配單堿基錯(cuò)配DNA, (c)隨機(jī)隨機(jī)DNA.不同方法檢測(cè)不同方法檢測(cè)DNA的比較的比較(a)cDNA(a)cDNA；(b)(b)單堿基錯(cuò)配單堿基錯(cuò)配DNADNA；(c)(c)隨機(jī)隨機(jī)DNADNA；三種傳感器分別為；三種傳感器分別為(I)(I)納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPRSPR傳感器；傳感器；(II)(II)納米金顆粒增強(qiáng)納米金顆粒增強(qiáng)SPRSPR傳感器；傳感器；(III)SPR(III)SPR傳感器傳感器. . Concentration of DNA / nM0.010.11Wavelength shift

41、/ nm0369a (a)bbcca(b,c)CDNA=3.3nMSensors & Actuators 2007, 123, 227-232.(a)金膜；金膜；(b)聚電解質(zhì)自組裝多層膜聚電解質(zhì)自組裝多層膜(PAH/PSS)3；(c)親和素；親和素；(d)生物素化的生物素化的DNA探針；探針；(e)目標(biāo)目標(biāo)DNA；(f)巰基巰基DNA修飾的納米金顆粒；修飾的納米金顆粒；(g)納米金顆粒催化增長(zhǎng)納米金顆粒催化增長(zhǎng).N A D H + HAuCl4gdcbafeWavelength / nm600620640660680700720Reflectance0.20.30.40.50.60.

42、70.80.91.01 7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)強(qiáng)SPR傳感器及其傳感器及其DNA檢測(cè)應(yīng)用檢測(cè)應(yīng)用聚電解質(zhì)自組裝薄膜對(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)的不同層數(shù)的(PAH/PSS)修飾的金膜對(duì)金屬沉積的阻擋作用修飾的金膜對(duì)金屬沉積的阻擋作用SPR傳感器傳感器: (a)cDNA, (a)單堿基錯(cuò)配單堿基錯(cuò)配DNA, (a)隨機(jī)隨機(jī)DNA；納米金顆粒增強(qiáng)；納米金顆粒增強(qiáng)SPR傳感器傳感器: (b)cDNA, (b)單堿基錯(cuò)配單堿基錯(cuò)配DNA, (b)隨機(jī)隨機(jī)DNA；納米金顆粒催化

43、增；納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器傳感器: (c)cDNA, (c)單堿基錯(cuò)單堿基錯(cuò)配配DNA, (c)隨機(jī)隨機(jī)DNA.(a)cDNA；(b)單堿基錯(cuò)配單堿基錯(cuò)配DNA；(c)隨機(jī)隨機(jī)DNA；三種傳感器分別為；三種傳感器分別為(I)納納米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)米金顆粒催化增長(zhǎng)增強(qiáng)SPR傳感器；傳感器；(II)納米金顆粒增強(qiáng)納米金顆粒增強(qiáng)SPR傳感器；傳感器；(III)SPR傳感器傳感器. CDNA=3.3nM不同方法檢測(cè)不同方法檢測(cè)DNA的比較的比較（1）氨基修飾的）氨基修飾的DNA探針固定在金膜表面后的探針固定在金膜表面后的SPR光譜；（光譜；（2）與）與33 nmol/L cDNA雜

44、交之后的雜交之后的SPR光譜；（光譜；（3）再與納米金顆粒標(biāo)記的巰基）再與納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNA反應(yīng)之后的反應(yīng)之后的SPR光譜；光譜；（4）在）在Au膜（膜（vs ITO導(dǎo)電玻璃）電位為導(dǎo)電玻璃）電位為-10 V時(shí)用時(shí)用6 SSC緩沖溶液反復(fù)沖洗后的緩沖溶液反復(fù)沖洗后的SPR光譜；（光譜；（5）再生處理后的）再生處理后的SPR光譜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DNAacDNAababbaaabb ba a再生cDNA: 5 -GGTTGTGAGGCG CTGCCCAAGCGA-3 Analyst 2008, 133（9): 1274 - 1279 基于納

45、米金顆粒輔助的電洗脫識(shí)別單堿基錯(cuò)配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）氨基修飾的DNA探針固定在金膜表面后的探針固定在金膜表面后的SPR光譜；（光譜；（2）與）與33 nM smDNA1雜雜交之后的交之后的SPR光譜；（光譜；（3）再與納米金顆粒標(biāo)記的巰基）再與納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNA反應(yīng)之后的反應(yīng)之后的SPR光譜；（光譜；（4）在在Au膜（膜（vs ITO導(dǎo)電玻璃）電位為導(dǎo)電玻璃）電位為-8 V時(shí)用時(shí)用6 SSC緩沖溶液反復(fù)沖洗后的緩沖溶液反復(fù)沖洗后的SPR光譜；光譜；（5）再生處理后的）再生處理后的SPR光譜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smDNAababaabbabaasmDNA1: 5 -GGTTGTGAGGCG GTGCCCAAGCGA-3 錯(cuò)配位點(diǎn)在與納米金顆粒標(biāo)記的巰基錯(cuò)配位點(diǎn)在與納米金顆粒標(biāo)記的巰基DNA相對(duì)應(yīng)部分相對(duì)應(yīng)部分smDNAababbaabaa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 -GGTTGTGAGGCC CTGCCCAAG