表面等離子共振技術(shù)

關(guān)于表面等離子共振技術(shù)簡介表面等離子共振技術(shù)(SurfacePlasmonResonancetechnology，SPR)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的，應(yīng)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(shù)。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(xué)實(shí)驗(yàn)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(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)1983年，Liedberg將SPR用于IgG與其抗原的反應(yīng)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(tái)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(shí)時(shí)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(xué)、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(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)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(xué)原理第5頁,共76頁，2024年2月25日，星期天1.消逝波當(dāng)光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)（n1>n2）就會(huì)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(gè)波，這就是消逝波。全反射的光波會(huì)透過光疏介質(zhì)約為光波波長的一個(gè)深度，再沿界面流動(dòng)約半個(gè)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(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。

金屬表面等離子波

把金屬的價(jià)電子看成是均勻正電荷背景下運(yùn)動(dòng)的電子氣體，這實(shí)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(xué)原理第9頁,共76頁，2024年2月25日，星期天3.SPR光學(xué)原理我們?cè)谇懊嫣岬焦庠诶忡R與金屬膜表面上發(fā)生全反射現(xiàn)象時(shí)，會(huì)形成消逝波進(jìn)入到光疏介質(zhì)中，而在介質(zhì)（假設(shè)為金屬介質(zhì)）中又存在一定的等離子波。當(dāng)兩波相遇時(shí)可能會(huì)發(fā)生共振。第10頁,共76頁，2024年2月25日，星期天3.SPR光學(xué)原理當(dāng)消逝波與表面等離子波發(fā)生共振時(shí)，檢測到的反射光強(qiáng)會(huì)大幅度地減弱。能量從光子轉(zhuǎn)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(xué)原理可以從反射光強(qiáng)的響應(yīng)曲線看到一個(gè)最小的尖峰，此時(shí)對(duì)應(yīng)的入射光波長為共振波長，對(duì)應(yīng)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(jié)合的分子質(zhì)量成正比。這就是SPR對(duì)物質(zhì)結(jié)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(yīng)模式n1sinθ1=n2sinθ2因?yàn)閟inθ2=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(duì)應(yīng)大分子。第15頁,共76頁，2024年2月25日，星期天SPR儀的結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)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(jié)構(gòu)光波導(dǎo)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(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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(xué)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(shí)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(guān)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(guān)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(duì)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(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)合膜法分子印膜技術(shù)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(shù)的應(yīng)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(xué)應(yīng)用若某種物理量會(huì)引起特定敏感膜折射率的變化，就可以采用SPR傳感技術(shù)進(jìn)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(dǎo)致其折射率變化，從而利用SPR傳感技術(shù)進(jìn)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(yīng)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(xué)應(yīng)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(xué)反應(yīng)的特性第40頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學(xué)應(yīng)用第41頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學(xué)應(yīng)用第42頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學(xué)應(yīng)用主要用于檢測生物分子的結(jié)合作用或者通過生物分子結(jié)合作用的檢測來完成特定生物分子的識(shí)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(xué)應(yīng)用第44頁,共76頁，2024年2月25日，星期天藥物領(lǐng)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(shù)因其實(shí)時(shí)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(diǎn)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(xì)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(lǐng)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(diǎn)，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(xué)應(yīng)用第46頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學(xué)應(yīng)用SPR技術(shù)因其高效靈敏、無需額外標(biāo)記等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用與蛋白質(zhì)檢測和蛋白-蛋白相互作用等蛋白質(zhì)組學(xué)研究，它能在保持蛋白質(zhì)天然狀態(tài)的情況下實(shí)時(shí)提供靶蛋白的細(xì)胞器分布，結(jié)合動(dòng)力學(xué)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(xué)應(yīng)用第48頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學(xué)應(yīng)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(dòng)物模型、人類臨床試驗(yàn)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(shù)在胞外環(huán)境中研究控制基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞周期、細(xì)胞分裂和凋亡的信號(hào)傳遞途徑，從而可以準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出這些生化作用催化劑的拮抗物，應(yīng)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(xué)應(yīng)用第52頁,共76頁，2024年2月25日，星期天生物學(xué)應(yīng)用SPR生物傳感器用于遺傳分析是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。如用于檢測點(diǎn)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(shù)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(lǐng)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(shù)在分子生物學(xué)研究領(lǐng)域中應(yīng)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(píng)價(jià)載體效率DNA序列特異性抗體的性質(zhì)鑒定等方面，SPR技術(shù)都發(fā)揮了重要作用SPR技術(shù)與其他分析技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，必將加速分子生物學(xué)的研究進(jìn)展，使我們對(duì)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(diǎn)及發(fā)展方向AdvantagesDisadvantagesFutureDevelopmentExamples第58頁,共76頁，2024年2月25日，星期天MainAdvantages實(shí)時(shí)監(jiān)測無需標(biāo)記樣品樣品需要極少

檢測過程方便快捷，靈敏度較高應(yīng)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(yīng)的平衡不需要對(duì)樣品進(jìn)行處理能在混濁的甚至不透明的樣品中進(jìn)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(jí)動(dòng)力學(xué)多價(jià)結(jié)合多步結(jié)合反應(yīng)空間位阻效應(yīng)配體或者分析物的不均一擴(kuò)散速度限制重結(jié)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(jìn)與發(fā)展Development增強(qiáng)穩(wěn)定性提高檢測靈敏度實(shí)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(jié)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(jié)合“二維”

SPR—可對(duì)相互作用進(jìn)行定量分析

MALDI-TOF—提供定性分析的詳細(xì)結(jié)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(shù)用于SPR技術(shù)中研究溶細(xì)胞肽與抗微生物肽和細(xì)胞膜磷脂的相互作用情況，以了解肽的構(gòu)想及溶解活性。第68頁,共76頁，2024年2月25日，星期天電化學(xué)與SPR聯(lián)用

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