表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用
精神卫生研究所张瀚迪学号：10281335
摘要：表面等离子共振技术是近年来迅速发展起来的用于分析生物分子相互作用的一项技术，它利用全反射时入射光可以和金属表面的等离子发生共振的原理，探测生物分子之间是否发生作用以及反应的动力学参数。该技术目前已广泛应用于免疫学、蛋白质组学、药物筛选、蛋白质与核酸相互作用等各个领域，并获得了许多用其它方法无法得到的动力学数据。
导言：表面等离子共振技术是一项用于分析生物大分子之间的相互作用的技术，它可以定性的判断两分子之间是否有相互作用，比较一种分子与其他几种分子之间相互作用的强弱，也可以实时定量的测定分子间相互作用的亲和力参数（平衡常数）和动力学参数（速率常数），甚至热力学参数（反应的焓）。该技术是利用了物理光学的原理（下文详述），在研究两分子相互作用时，将一种分子固定在传感片表面，而另一种分子的溶液流过其表面，两种分子的结合会使传感片表面的折射率改变，因此检测两分子间的相互作用。1983年，瑞典LINKOPING理工学院应用物理实验室Liedberg等人首先把它用于IgG与其抗原相互作用的检测[1]，并由BIAcore公司开发出SPR传感器。此后SPR传感器的研究与改进迅速发展，其在生物医学中的应用也日益广泛。
表面等离子共振技术的基本物理光学原理：如果光波从光密介质（折射率大）射向光疏介质（折射率小），比如由玻璃射向空气，且入射角大于临界角时，没有折射光产生，入射光全部反射回去，这一现象称为全反射。全反射时光波在两介质分界面的行为是什么样的呢？深入研究指出，全反射时光波将透入第二介质（光疏介质）很薄的一层表面（深度约为光波的波长），并沿界面流动约半个波长再返回第一介质（光密介质）。透入第二介质的光波称为倏逝波。如Fig 1 所示。
倏逝波是一个沿x方向传播的振幅在z方向（垂直于两介质界面的方向）按指数衰减的波。倏逝波最后仍返回第一介质，总的来说光的能量没有进入第二介质。
在两介质的界面镀上一层很薄的金属薄膜，薄膜厚度在倏逝
波进入第二介质深度之内。当一束单频线偏振光以大于全反射临界角的某一角度入射时，如果其频率与金属表面振荡的自由电子（即等离子）频率一致，则金属表面的等离子就吸收入射光的能量发生共振，这一现象就是表面等离子共振（surface plasmon resonance, SPR），此时的入射角称为共振角。激发表面等离子共振的实质在于光波以倏逝波的形式将能量转移成表面等离子共振波，这时，反射光的强度和相位均发生剧烈变化[2]。如Fig 2所示。
Fig 2. 入射光（incident light）以入射角θ照SPR 传感器的工作原理：根据这一原理研制了SPR传感器，其工作原理如Fig3 所示。根Fig 3 典型的SPR装置图。被分析物——“配体”溶液流过固定有‘受体’的传感片表面，若发生作用而相互结合则会引起表面物质质量改变，而折射率与质在生物医学研究中适合应用SPR技术的工作有以下几方面：1、鉴定
大分子射到玻璃（glass）与空气（air）的界面，发生全反射，并产生倏势波（evanescent wave）.玻璃表面镀了一层很薄的金，由于入射光与金膜的表面等离子（振荡的表面自由电子）的频率相匹配，因此发生共振，入射光能量被吸收，反射光能量降低，出现一吸收峰。
根据这一原理研制了SPR传感器，其工作原理如Fig3 所示。根据检测原理，共振角的变化就反应了结合在传感片表面的物质质量的变化。因此通过分析共振角，我们就可以分析分子之间的相互作用了。在SPR中，共振角的单位规定为RU，即反应单位或共振单位，1RU=10-4度，根据测量的经验显示，当有1ng/mm2的蛋白质连接到表面时，约导致共振角增大1000RU。由于将分子直接固定到金膜表面很难达到有效的密度使检测信号足够强，因此发展了一种方法，即先在金表面铺一层100-200nm厚的葡聚糖基质，再将，两种反应分子中的一种作为“受体”固定在其表面，这样大大提高了“受体”的密度，但也带来一些不足，本文不详细讨论。
Fig 3 典型的SPR装置图。
被分析物——“配体”溶液流过固定有‘受体’的传感片表面，若发生作用而相互结合则会引起表面物质质量改变，而折射率与质量成正比，所以折射率改变，欲保证SPR发生，共振角也得随折射率改变，改变大小与结合的“配体”质量成正比。反射光中的阴影表示有能量丢失，SPR仪器可以检测到这一变化，并给出传感图。左图为共振角大小随传感片表面的分子质量改变而从Ⅰ移到Ⅱ；右图为实时监测共振角的变化，随时间延长，结合在表面的“配体”-“受体”复合物增多，共振角也随之增大。
在生物医学研究中适合应用SPR技术的工作有以下几方面：1、鉴定大分子：：许多实验室需要生产重组蛋白，很重要的
一项工作是确定重组蛋白与作为模本的原始蛋白结构保
持一致，这可以通过验证模本蛋白与原始蛋白的配体是否
能够结合来2、平衡反应的测量（测定反应亲和力与焓）确
定（酶蛋白除外）。配体可以是天然配体，也可以是单克
隆抗体。SPR仪器正适合这项工作。
2、平衡反应的测量（测定反应亲和力与焓）确定（酶蛋白除
外）。配体可以是天然配体，也可以是单克隆抗体。SPR
仪器正适合这项工作。[3]（如Fig 4）亲和力通常用结
合常数（KA）或解离常数（KD）表示，多数人喜欢用KD。
测定亲和力需要准备一系列浓度的被测物，通过实时分析
所得的数据，可以计算得到反应的结合常数或解离常数。
焓的测定：SPR测定亲和力具有很高的可信度。根据这一
点以及某些SPR仪器可以精确控制温度的特点，我们可
以根据van’t Hoff analysis 规则计算反应的焓。
3、动力学参数测量[3]
由于SPR仪器可以实时获得数据，因此可以分析反应动
力学。然而，由于仪器本身的原因动力学分析受到一定的限制。粗略来说，由于样品输送量的限制，SPR仪器难于准确测定较高的结合速率常数Kon(当Kon>106M-1s-1时)，而由于其它原因解离速率常数Koff（当K <10-5s-1 或K >1s-1 时）不能准确测得。
Fig 4. SPR传感器的一次典型的分析过程。“配体”固定在传感片表面（经适当的化合物修饰的金薄膜表面），在0秒时，缓冲液流入微流小室与传感片接触。在100秒时，“受体”溶液流入，“受体”—“配体”结合，传感片表面分子质量增加，使介质折射率升高，导致共振角增加。反应达到平衡时，结合与解离速率相等，共振角升高的程度与“受体”的浓度正相关。若制备几组已知浓度的“受体”，进行该分析过程，则可计算得到平衡常数（Ka）。
在320 秒时，停止注入受体，流入缓冲液，“受体”—“配体”解离。Association 称为连接相，Dissociation 称为解离相，分析两相数据，可以得到结合速率常数（Kon）和解离速率常数（Koff）。平衡常数也可以由速率常数计算得到（Ka= Koff / Kon）。在380秒时，加入NaOH洗去“表面分子”，使得传感片再生，然后在注入“配体”，进行新的一轮分析。
SPR传感器在生物医学研究中的应用：如今，SPR技术已被广泛地用于研究蛋白质-蛋白质、核酸-蛋白质、核酸-核酸以及药物-蛋白质之间相互作用的反应动力学、亲和力，还有其他一些检测生物分子相互作用的技术，比如酶联免疫标记（ELISA）、平衡透析（equilibrium dialysis）、亲和层析（affinity chromatography）等，与这些技术相比较，SPR主要有两大优点：1、实时监测生物分子的相互作用。2、不需要作标记。
自1983 年SPR 被首次应用与抗原-抗体的检测后，SPR应用领域逐渐扩大。主要有免疫学、蛋白质相互作用（信号转导、肽库和抗体库筛选、分析蛋白质的突变等）、蛋白质- 核酸相互作用（修复、转录等），还有药物-蛋白质作用（药物筛选等）。在免疫学中，SPR技术可以识别抗原的种类，获得抗原-抗体结合的动力学常数与亲和力常数。T 淋巴细胞的激活是由T 细胞受体（TCR）与MHC 分子和抗原递呈细胞递呈的抗原（Ag）组成的复合物相互作用而启动的。Margulies[4]等用该
方法研究了MHC 与Ag，TCR与MHC/Ag，TCR 与超抗原相互作用的动力学常数，结果发现MHC-抗原与TCR 相互作用的亲和力低、半衰期短，超抗原与TCR 比它略高，说明短暂而低亲和力的相互作用即可激活T淋巴细胞。
在蛋白质研究中，目前采用二维电泳来分离复杂的蛋白质并采用质谱法鉴定蛋白质，这些研究获得了丰富的数据，同时也给进一步研究蛋白质结构和功能的关系提出了许多问题。要解决这些问题需要有能研究生物分子识别及相互作用的高特异性方法，SPR 技术正逐渐成为解决这一问题的主要手段。apolipophorinⅢ是无脊椎动物血淋巴中的一种载脂蛋白，它有重要的运输功能，而且与脊椎动物的载脂蛋白有很大相似性，因此它与脂的相互作用很受关注。Soulages 等通过SPR技术发现了这种蛋白质与类脂反应需要两个步骤，即两步反应机理。在信号转导研究中，Schuster SC[6] 运用SPR技术研究了E.coli 中控制趋向性的信号通路中一个复合物，通过分析相互作用发现了一种以前没有认识到的蛋白激酶与底物的相互作用。Bartly[7]等进行了一项快速鉴定、筛选未知受体和配体的比较有代表性的工作，他们在用配体垂钓方法筛选和确定了孤儿受体的未知配体时，将ECK 受体偶连与传感片上，然后用不同细胞株的上清液通过传感片表面，以测定培养液中有无生物分子能和ECK 受体结合。一旦得到阳性结果，再进一步纯化该上
清液，最后得到足够的ECK 配体用于分析，确定此配体是B61。
由于使用SPR技术可以直接从粗提液中将欲被分析的蛋白质连接到传感片上，因此很方便用来分析蛋白的位点突变。在研究CD22 分子的唾液酸识别位点的结构中，将侯选domains 中的某些残基突变，使用SPR技术测定突变后的亲和力等参数，确定连接位点的基序。目前对蛋白质识别的特异结构的认识主要来自具有高亲和力的作用，如抗体、激素受体、蛋白酶等，而对亲和力较低的作用则研究很少，如细胞黏附与识别。采用SPR技术研究了具有弱相互作用的鼠的CD2分子的识别位点，证实了CD2的识别位点的结构特性决定了其所具有的低亲和力和高特异性[9]。
SPR技术在肽库和抗体库的筛选上具有很大的优越性。不仅可以给出结合与否的信息，还可以给出动力学数据进行结合力大小的比较，结合物还可以回收进行下一步研究。Schie[10.11]等在利用抗体库筛选抗肿瘤抗体时使用了SPR技术，他们测定了利用ELISA 筛选得到的阳性克隆与特定抗原的亲和力，SPR 法比传统方法节省了时间，减轻了工作量。
在DNA 与蛋白质的相互作用的研究中，特别是反应动力学一直没有简捷的方法。目前采用SPR技术，将含目的基因的DNA 片段偶连与传感片表面上，使不同浓度的蛋白流过传感片
表面，从SPR谱就可以计算出反应动力学常数和结合亲和力。Galio[12]等研究了转录因子huGATA-3 和HIV-1 长末端三个GATA 调节元件之间的相互作用，并检测出了它们之间相对亲和力的大小，并且首次实时分析了原始的在核提取液中的转录因子的连接作用。
SPR技术的另一个热点是药物筛选。在反义核酸与基因药物开发方面，肽核酸（PNA）正引起越来越广泛的关注。Jense 等测定了PNA 与DNA 和RNA 的作用，结果显示PNA-RNA 复合物的稳定性比PNA-DNA 高。多肽T22 具有和AZT 相似的很强的抗HIV 的活性，但其作用机制一直不知。Hirokazu Tamamura[14]等使用SPR技术证实T22通过同时连接到T 细胞的CD4 分子和HIV 的gp120 分子，抑制病毒与细胞的融合过程而起到抗病毒的作用。
总之，SPR技术在生命科学领域的应用十分广泛，它为分析生物大分子之间的特异相互作用提供了一把钥匙，使得实时、免标记、动态分析生物分子的相互作用成为可能，为我们探索生命的奥秘又开辟了一条途径。
参考文献
1. B Liedberg, et al. Surface Plasmon Resonance for Gas Detection and Biosensing Sensors. Actuators B,1983, 4:299~304
2. 蔡强李翔等基于表面等离子共振的生物传感器的历史、现状与前景国外医学生物医学工程分册1999 vol22（2）：65-71。
3. R Karlsson er al. Kinetic analysis of monoclonal antibody-antigen interactions with a new biosensor based analytical system. J Immunol Methods 145(1991):229-240.
4. D H Margulies, Studying Interactions Involving the T-cell Antigen Receptor by Surface Plasmon Resonance. Cur. Opinion Immunol. 1996,8(2):262-270
5. J L Soulages, et al. Low concentration of diacylglycenrol promote the binding of apolipophorin to a phospholid bilayer a surface plasmon resonance study. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 1995, 92(12):5650~5654
6. Schuster SC, et al. Assembly and function of a quaternary signal transduction complex monitored by surface plasmon resonance. Nature. 1993; 365(6444): 343~347
7. Bartly, et al. B61 is a ligand for the ECK receptor protein-tyrosine kinase. Nature. 1994; 368(6466-6474): 558
8. Localization of the putative sialic acid-binding site on the immunoglobulin superfamily cell-surface molecule CD22. J. Bio. Chem. 271, 9273
9. Simon J. Davis, et al. The role of charged residues mediating low affinity protein-protein recognition at the cell surface by CD22. Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 1998, 95: 5490~5494
10. R Schler, et al. Isolation of High-affinity Monomeric Human Anti-C-erbB-2 Single Chain Fv Using Affinity-driven Selection. J Mol Biol. 1996, 255(1-5):28~34
11. R Schler, et al. Isolation of Picomolar Affinity
Anti-C-erbB-2 Single Chain Fv by Molecular Evolution of the Complementarity Determining Regions in the Center of the Antibody Binding Site. J. Mol. Biol. 1996,
12. L Galio, et al. Analysis of Interactions Between huGAGA-3 Transcription Factor and Three GAGA
13. K K Jensen, et al. Kinetics for Hybridization Peptide Nucleic Acids(PNA) with DNA Studied with the BIAcore Technique. Biochem. 1997,36(16): 5072~5078
14. Surface Plasmon Resonance. Biochinica et biophysica Acta 1298(1996) 37-44
表面等离子体共振实验 姚付强 2012326690046 应用物理学12（2）班 实验目的： 1. 了解全反射中消逝波的概念。 2. 观察表面等离子体共振现象，研究共振角随液体折射率的变化关系。 3. 进一步熟悉和了解分光计的调节和使用。 实验原理： 当光线从光密介质照射到光疏介质，在入射角大于某个特定的角度（临界角）时，会发生全反射现象。但在全反射条件下光的电场强度在界面处并不立即减小为零，而会渗入光疏介质中产生消逝波。若光疏介质很纯净，不存在对消逝波的吸收或散射，则全反射的光强并不会衰减。反之，若光疏介质中存在能与消逝波产生作用的物质时，全反射光的强度将会被衰减，这种现象称为衰减全反射。 如果在这两种介质界面之间存在几十纳米的金属薄膜，那么全反射时产生的消逝波的P 偏振分量将会进入金属薄膜，与金属薄膜中的自由电子相互作用，激发出沿金属薄膜表面传播的表面等离子体波。表面等离子体共振原理如图所示。 对于某一特定入射角，消逝波平行于金属(电介质)界面的分量与表面等离子体波的波矢（或频率）完全相等，两种电磁波模式会强烈地耦合，消逝波在金属膜中透过并在金属膜与待测物质界面处发生等离子体共振，导致这部分入射光的能量被表面等离子体波吸收，能量发生转移，反射光强度显著降低，这种现象被称为表面等离子体波共振。 当发生共振时，表面等离子体共振角与液体折射率的关系由以下公式表示 2 2 122 10Re Re )sin(n n n sp +=εεθ 其中 sp θ 为共振角， 0n 为棱镜折射率，2n 为待测液体折射率，1Re ε 为金属介电
常数的实部。 实验仪器 表面等离子体共振实验仪器装置如图所示。主要由分光计、激励光源、偏振片、硅 光电池、光功率计、半圆柱棱镜（内充液体介质）。 实验内容 1. 调整分光计 2. SPR传感器中心调整 3. 测量某一液体的共振角 数据处理 最大光强为126 光强126 121 115 107 97 92 91 83 86 87 88 89 93 1.0 0.96 0.91 0.85 0.77 0.73 0.72 0.66 0.68 0.69 0.70 0.71 0.74 相对光 强 63 65 66.5 68 69.5 71 72.5 73 73.5 74 75.5 77 78.5 入射角 （°）
表面等离子体共振原理及其应用 李智豪 1.表面等离子体共振的物理学原理 人们对金属介质中等离子体激元的研究, 已经有50多年的历史。1957年Ritchie发现, 高能电子束穿透金属介质时, 能够激发出金属自由电子在正离子背景中的量子化振荡运动, 这就是等离子体激元。后来,人们发现金属薄膜在入射光波照射下, 当满足特定的条件时, 能够激发出表面等离子体激元, 这是一种光和自由电子紧密结合的局域化表面态电磁运动模式。由于金属材料的吸收性质,光波沿金属表面传播时将不断被吸收而逐渐衰减, 入射光波的能量大部分都损耗掉了, 造成反射光的能量为最小值, 这样就把反射光谱的极小值与金属薄膜的表面等离子体共振联系了起来。 1.1 基本原理[1] 光与金属物质的相互作用主要是来自于光波随时间与空间作周期性变化的电场与磁场对金属物质中的电荷所产生的影响,导致电荷密度在空间分布中的变化以及能级跃迁与极化等效应,这些效应所产生的电磁场与外来光波的电磁场耦合在一起后,表达出各种不同光学现象。 等离子体是描述由熔融状态的带电离子所构成的系统,由于金属的自由电子可当作高密度的电子流体被限制于金属块材的体积范围之内,因此亦可类似地将金属视为一种等离子体系统。当电磁波在金属中传播时,自由电子会随着电场的驱动而振荡,在适当条件下,金属中传播之电磁波其电场振荡可分成两种彼此独立的模态,其中包含电场或电子振荡方向凡垂直于电磁波相速度方向的横波模态,以及电场或电子振荡方向凡平行波的传播方向纵波模态。对于纵波模态,自由电子将会沿着电场方向产生纵向振荡的集体运动,造成自由电子密度的空间分布会随时间之变化形成一种纵波形式之振荡,这种集体运动即为金属中自由电子之体积等离子体振荡。 金属复介电常数的实部相对其虚部来说,往往是一个较大的负数,金属的这种光学性质,使金属和介质的界面处可传输表面等离子波,使夹于两介质中间的金属薄膜可传输长程表面等离子波。这两类表面波具有不同于光导波的独特性质,例如,有效折射率的存在范围大、具有场
表面等离子共振技术（Surface
张颖娱 综述
Plasmon Resonance SPR）
学号 10281036
生物物理系
摘要 : SPR 是一种物理光学现象，而且 SPR 对金属表面附近的折射率的变化极为敏感，利用这一性 质，将一束平面单色偏振光以一定角度入射到镀有薄层金膜的玻璃表面发生全反射时,若入射光的波向量与 金膜内表面电子的振荡频率匹配,光线即耦合入金膜引发电子共振,即表面等离子共振。以 SPR 原理设计的 生物传感器近来引起广泛的重视。 关键词 表面等离子共振 生物传感器 薄膜
1900 年,由 Wood 发现了光波通过光栅后,光频谱发生了小区域损失,这是关于 SPR 这一电磁场效应的最 早记载。1941 年,FanoU 发现这种“Wood 异常”是由于等离子波造成的。1958 年,Turbader 首先对金属薄膜 采用光的全反射激励的方法,观察表面等离子共振现象。 此后,至 60 年代 Otto 以及 1971 年 Kretschmann 分别 发表了里程碑性质的文章,激发了人们应用 SPR 于传感机制的热情,而 Kretschmann 结构也为 SPR 型传感器 奠定了基础。目前 SPR 被尝试用于测量各种物质的结构、特性及其的相互作用等。 1 SPR 生物传感器的基本原理： （如图 2 所示） 表面等离子振动是金属表面自由电子的一种集团运动,代表了一种表面带电的量子振动。在激励 SP 的 通常方法中,光入射在金属薄膜上,产生衰减场,衰减场的穿透深度 dp 为：
（1） 通常要求金属薄膜小于 60mm,达到衰减场中的 TM(横磁波)极化能量耦合并激发等离子态,耦合的数 量、 等离子体的强度受到了金属两侧材料的影响,如果在金属薄膜一侧加一层待测物质,试样与金属薄膜的耦 联影响了结构的折射率,从而影响了反射光、衰减以及等离子体共振。所以,可以把 SPR 型传感器看作等离 子体耦联效率的度量计。基原理如图 2 所示， 其中：
上述两个公式分别为沿表面传播的波矢量,其中:λ为入射光波长,εm 为金属介电常数 的实部,εd 为金属外介质的介电常数,np 为透镜的折射率,θ为入射光与表面法线的夹角。发生共振时,入射 光与法线的临界角为:
θ=arcsin[εmεd(εm+εd)εg]1/2
(4)
显然,共振角受到折射率(或介电常数)的影响,此时,金属膜外侧的衰减场为:
表面等离子体共振传感器 程玉培 1433591 摘要:表面等离子体子共振(SPR) 技术是一种简单、直接的传感技术。它通过测量金属表面附近折射率的变化, 来研究物质的性质。表面等离子体子共振传感器已经成为生物传感器研究领域的热点。 关键词表面等离子体子共振传感器生物分子间相互作用 前言 生物化学是运用化学的理论和方法研究生命物质的边缘学科。其任务主要是了解生物的化学组成、结构及生命过程中各种化学变化。化学的核心是化学键，即分子间的相互作用，而要研究生命过程中的各种化学变化，归根到底就是要研究生物分子之间的相互作用。生物分子之间的相互作用是生命现象发生的基础，研究生物分子之间的相互作用可以阐明生物反应的机理，揭示生命现象的本质。近年来，研究生物分子之间相互作用的技术不断出现，其中表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）在生物学以及相关领域的研究应用取得了很大进展，SPR技术可以现场，实时地测定生物分子间的相互作用而无需标记，可以连续监测吸附和解离过程，并可以进行多种成分相互作用的研究。 1 表面等离子体共振传感器概述 1.1 表面等离子体共振传感器简介 表面等离子体子共振( surface plasmon resonance , SPR) 是一种物理光学现象。利用光在玻璃界面处发生全内反射时的消失波, 可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子体子。在入射角或波长为某一适当值的条件下, 表面等离子体子与消失波的频率和波数相等,二者将发生共振, 入射光被吸收, 使反射光能量急剧下降, 在反射光谱上出现共振峰(即反射强度最低值) 。当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时, 共振峰位置将不同。 1.2 表面等离子体共振传感器研究背景及现状 表面等离了体共振效应的发现可以追溯到上世纪初。关于SPR效应的最早记载是源于1902年Wood发现光波通过光栅后，光频谱出现小区域内的能量损失现象。1941年，Fano针对这一现象根据金属和空气界面上表面的电磁波理论和边界条件进行了详尽的解释。1957年，当高能电了通过金属薄膜时，Ritchie发现能量损耗不仅发生在体积等离了体频率处，在更低频率处也发生了，于是认为这与金属薄膜界面特性有关。1958年，Turbader为了观察SPR现象，对金属薄膜采用光的全反射激励的方法。 1960年，Stern和Farrell首次提出了表面等离
表面等离子共振技术的研究 摘要：通过对表面等离子共振技术的原理研究，从而深入介绍表面等离子共振传感技术在现代生物科技和医学上的广泛应用，以及探讨未来表面等离子共振技术的应用领域和趋势。 关键词：表面等离子共振技术生物应用医学应用 表面等离子共振技术，英文简写SPR。随着SPR技术成为分析生物化学、药物研究和食物监控领域[1-3]中的一个不可缺少的部分，SPR生物传感器的应用将更加趋向多样化，特别是它在小分子检测盒脂膜领域的新兴应用将使其在未来药物发现和膜生物学中扮演一个越来越重要的角色。近几年，其发展尤为迅猛，随着SPR仪器的不断完善和生物分子膜构建能力的不断增强，SPR生物传感器应用前景极为广阔。 一、表面等离子共振技术简介 表面等离子共振技术，英文简写SPR。1983 年，瑞典科学家Liedberg 首次将SPR 技术应用于抗体抗原相互作用的测定，由此产生了世界上第一只SPR 生物传感器[4]由于SPR生物传感器作为一种强有力的动态检测手段，具有实时检测、无需标记、耗样量少等突出优点，在生物工程、医学、食品工业等多个领域都有广阔的应用前景，引起了世界范围的研究热潮[5]。 1.表面等离子共振技术的原理 表面等离子体共振又称SPR（Surface Plasmon Resonance），是一种物理光学现象[6]，它是由于入射光激发表面等离子体产生表面等离子波而形成的。当一束p偏振光在一定角度范围内入射到两种不同介质界面，如端面蒸镀有一层约50nm厚金膜的棱镜端面时，在棱镜与金膜界面将产生表面等离子波，当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金膜内自由电子产生共振，即表面等离子共振，入射光的一部分能量在金属表面发生迁移，从而使反射光在一定角度范围内大大减弱，使反射光在一定角度内完全消失的入射角为共振角。如果用于检测分析分子之间的反应动态时，先在芯片表面固定一层生物分子识别膜，然后将待测样品流过芯片表面，如果样品中有能够与芯片表面的生物分子识别膜相互作用的分子，引起金膜表面样品质量和折射率变化，从而导致共振角变化。通过实时监测SPR共振角所反映的生物分子动态结合和解离过程，可以获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数和特异性等信息。 二、表面等离子共振技术的应用 SPR生物传感器由于具有无需标记、在线检测、可再生、无样品前处理等优点[7]，在生命科学、药物残留、食品检测、疾病机理等方面有着广泛的应用前景。
表面等离子体激元简介一．表面等离子体激元表面等离子体（Surface Plasmons）的出现提供了一种在纳米尺度下处理光的方式。表面等离子体通常可以分成两大类——局域表面等离子体共振（Localized Surface Plasmon Resonance）和表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons）。局域表面等离子体共振专指电磁波与尺寸远小于波长的金属纳米粒子中的自由电子的相互耦合，这种等离子体只有集体共振行为，不能传播，但可以向四周环境辐射电磁波。局域表面等离子体共振可以通过光直接照射产生。表面等离子体激元指的是在金属和电介质分界面上传播的一种元激发Excitations），这种元激发源自电磁波和金属表面自由电子集体共振的相互耦合。表面等离子体激元以指数衰减的形式束缚在垂直于传播的方向，由于它的传播波矢要大于光在自由空间中的波矢，电磁波被束缚在金属和电介质的分界面而不会向外辐射，也正是因为这种独特的波矢特性，表面等离子体激元的激发需要满足一定的波矢匹配条件。二．SPPs的激发和仿真方法由于SPSs的波矢量大于光波的波矢量，或者说SPPs的动量与入射光子的动量不匹配，所以不可能直接用光波激发出表面等离子体波。为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的结构有以下几
种：（1）棱镜耦合：棱镜耦合的方式包括两种，一种是Kretschmannt方式；另一种是Otto方式。（2）采用波导结构（3）采用衍射光栅耦合（4）采用强聚焦光束（5）采用近场激发。目前主要的仿真方法有以下三种（1）时域有限差分法(finite difference time domain，FDTD)：FDTD方法是把Maxwell方程式在时间和空间领域上进行差分模拟，利用蛙跳式(leaf flog algorithm)空间领域内的电场和磁场进行交替计算，电磁场的变化通过时间领域上更新来模仿。优点是能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用较多的数值模拟方法之一。（2）严格耦合波法(rigorous coupled—wave analysis，RCWA)：该方法是分析光栅的有利工具，它是基于严格的矢量maxwell 方程来分析。由于在很多的表面等离子的结构中都会引入衍射光栅结构，所以RCWA方法也被越来越多的学者用来分析相关的问题，并且取得了不错的效果。（3）限元法(finite element method,FEM)：该方法是从变分原理出发，将定义域进行有限分割，离散成有限个单元集合。通过区域剖分和分偏差值，把二次泛函的极值问题化为普通多元二次函数的极值问题，后者等价于一组多元线性代数方程的求解。该方法分析的是一种近似结果，不过很多的问题能近似模拟，目前应用也比较广泛。三．SPPs的若干应
表面等离子共振技术 北京大学力学系生物医学工程专业2003级，郭瑾 摘要：表面等离子共振技术自80年代发展起来后，目前在生物医学领域已有了广泛应用，发挥着重要作用。本文就表面等离子共振技术的原理和其在蛋白质组学、抗原－抗体研究和药物筛选中的应用做了简要阐述。 关键词：表面等离子共振，隐失波，蛋白质组学，抗原－抗体相互作用，药物筛选 表面等离子共振技术（surface plamon resonace technology,SPR 技术）是上个世纪80年代发展起来的以生物传感芯片（biosensor chip）为中心的一种新技术，由Biacore AB公司开发。此后人们开始研究用各种方法改进SPR的性能、简化仪器系统，并试图用SPR技术测量不同的生化物质，如DNA-DNA间的生物特异性相互作用【1】，蛋白质折叠机制的研究【2】，微生物细胞的检测【3】，抗体－抗原分子相互作用的研究【4】等。本文对于表面等离子共振技术的原理和其在生物医学领域的应用作了简要的综述。 一、表面等离子共振技术的原理 全内反射是一种普遍存在的光学现象。考虑一束平面光波从介质1表面进入到介质2中。入射光在介质1表面上一部分发生反射，另一部分则透射进介质2。入射角和透射角之间满足关系式： n1sinθ1=n2sinθ2 这里n1是介质1的折射率，n2是介质2的折射率。当入射角增大，增大到临界角θc 时,这时的透射角为90°；当入射角继续增大到大于临界角时，光不再透射进介质2，也就是发生了全反射。由snell定律可知： θ2=90° θc=sin-1(n2/n1) 由上式可知，当n2 第四章表面等离子体共振技术 --学习总结通过表面等离子体共振技术的学习，我主要掌握了以下的一些基本知识： 一、金属表面的等离子体振动 表面等离子体振动，其角频率ωs与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系： 则这种特殊表面的等离子体振动的角频率ωms为：Array 二、产生表面等离子体共振的方法 面等离子体波（Surface plasma wave，SPW） 质中逐渐衰减。表面等离子体波是TM极化波，即横波，其磁场矢量与传播方向垂直，与界面平行，而电场矢量则垂直于界面。 在半无穷电介质和金属界面处，角频率为 式中c是真空中的光速，εm和εa分别是金属和电介质的介电常数。表面等离 εm=εmr+iεmi）。金属的εmr/εmi 电磁波在真空中的速度c与在不导电的均匀介质中的速度v之比称为电介质的折射率n： 则：Array 频率为ω 要使光波和 （ka）总是在ω（ 从不交叉，即ω（ 因此， 要设法移动ω（ 的。 场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失 kev为： 通过调节θ 共振，有： 由上式可见，若入射光的波长一定，即ωa一定时，ns 条件；若θ0一定时，ns改变，则必须改变ωa 波长λ来实现。此时θ0和λ分别称为共振角和共振波长。 右图为典型的SPR光谱 三、SPR传感器 1、基本原理 表面等离子体子共振的产生与入射光 的角度θ、波长λ、金属薄膜的介电 常数εs及电介质的折射率ns有关， 发生共振时θ和λ分别称为共振角度 和共振波长。对于同一种金属薄膜， 如果固定θ，则λ与ns有关；固定λ， 则θ与ns有关。 如果将电介质换成待测样品，测出共 振时的θ或λ，就可以得到样品的介 电常数εs或折射率ns；如果样品的化 学或生物性质发生变化，引起ns的改 变，则θ或λ也会发生变化，这样， 检测这一变化就可获得样品性质的变 化。 固定入射光的波长，改变入射角，可 得到角度随反射率变化的SPR光谱；同样地，固定入射光的角度，改变波长，可得到波长随反射率变化的SPR光谱。SPR光谱的改变反映了体系性质的变化。 2、基本结构 一般来说，一个SPR传感器的包括：光学系统、敏感元件、数据采集和处理系统。 敏感元件主要指金属薄膜及其表面修饰的敏感物质，用于将待测对象的化学或生物信息转换成折射率的变化，是SPR传感器的关键。从SPR的原理可知，实际上是样品的折射率的变化引起SPR光谱的变化。 4种检测方式： 1.角度调制：固定λin，改变θin 2.波长调制：固定θin ，改变λin 3.强度调制：固定θin 、λin，改变光强 4.相位调制：固定θin 、λin，测相差 3、应用 用SPR可获得的信息： 1.两个分子之间结合的特异性 2.目标分子的浓度 3.结合以及解离过程的动力学参数 表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用 精神卫生研究所张瀚迪学号：10281335 摘要：表面等离子共振技术是近年来迅速发展起来的用于分析生物分子相互作用的一项技术，它利用全反射时入射光可以和金属表面的等离子发生共振的原理，探测生物分子之间是否发生作用以及反应的动力学参数。该技术目前已广泛应用于免疫学、蛋白质组学、药物筛选、蛋白质与核酸相互作用等各个领域，并获得了许多用其它方法无法得到的动力学数据。 导言：表面等离子共振技术是一项用于分析生物大分子之间的相互作用的技术，它可以定性的判断两分子之间是否有相互作用，比较一种分子与其他几种分子之间相互作用的强弱，也可以实时定量的测定分子间相互作用的亲和力参数（平衡常数）和动力学参数（速率常数），甚至热力学参数（反应的焓）。该技术是利用了物理光学的原理（下文详述），在研究两分子相互作用时，将一种分子固定在传感片表面，而另一种分子的溶液流过其表面，两种分子的结合会使传感片表面的折射率改变，因此检测两分子间的相互作用。1983年，瑞典LINKOPING理工学院应用物理实验室Liedberg等人首先把它用于IgG与其抗原相互作用的检测[1]，并由BIAcore公司开发出SPR传感器。此后SPR传感器的研究与改进迅速发展，其在生物医学中的应用也日益广泛。 表面等离子共振技术的基本物理光学原理：如果光波从光密介质（折射率大）射向光疏介质（折射率小），比如由玻璃射向空气，且入射角大于临界角时，没有折射光产生，入射光全部反射回去，这一现象称为全反射。全反射时光波在两介质分界面的行为是什么样的呢？深入研究指出，全反射时光波将透入第二介质（光疏介质）很薄的一层表面（深度约为光波的波长），并沿界面流动约半个波长再返回第一介质（光密介质）。透入第二介质的光波称为倏逝波。如Fig 1 所示。 倏逝波是一个沿x方向传播的振幅在z方向（垂直于两介质界面的方向）按指数衰减的波。倏逝波最后仍返回第一介质，总的来说光的能量没有进入第二介质。 在两介质的界面镀上一层很薄的金属薄膜，薄膜厚度在倏逝 表面等离子共振技术 Surface Plasmon Resonance technology，SPR 北京大学基础医学院05级医学实验 马吟醒 朱倩 薛夏沫 黄辰 [摘要] 表面等离子共振技术，英文简写SPR，是从20世纪90年代发展起来的一种新技术，其应用SPR原理检测生物传感芯片（biosensor chip）上配位体与分析物之间的相互作用情况，广泛应用于各个领域。本综述主要介绍SPR的历史、工作原理、应用以及研究发展的前景。 [完成时间] 2008年6月 [引言] 1902年，Wood在一次光学实验中，首次发现了SPR现象并对其做了简单的记录，但直到39年后的1941年，一位名叫Fano的科学家才真正解释了SPR现象。之后的30年间，SPR 技术并没有实质的发展，也没能投入到实际应用中去。1971年Kretschmann为SPR传感器结构奠定了基础，也拉开了应用SPR技术进行实验的序幕。1983年，Liedberg首次将SPR 用于IgG与其抗原的反应测定并取得了成功。1987年，Knoll等人开始研究SPR的成像。到了1990年，Biacore AB公司开发出了首台商品化SPR仪器，为SPR技术更加广泛的应用开启了新的乐章。简言之，SPR是用来进行实时分析，简单快捷的监测DNA与蛋白质之间、蛋白质与蛋白质之间、药物与蛋白质之间、核酸与核酸之间、抗原与抗体之间、受体与配体之间等等生物分子之间的相互作用。SPR在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测以及法医鉴定等领域具有广泛的应用需求。 [正文] 一、表面等离子共振原理： 1.消逝波： 根据法国物理学家菲涅尔所提出的光学定理： n1 sinθ1 = n2 sinθ2 可知，当光从光密介质射 入光疏介质，入射角增大到某一角度，使折射角达 到90°时，折射光将完全消失，而只剩下反射光， 这种现象叫做全反射。（图1）当以波动光学的角度来研究全反射时，人们发现当入射光到达界面时并不是直接产生反射光，而是先透过光疏介质约一个波长的深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介质。则透过光疏介质的波被称为消逝波。（图2） 图1 图2 2.等离子波 等离子体通常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。把金属表面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。当金属受电磁干扰时，金属内部的电子密度分布会变得不均匀。因为库仑力的存在，会将部分电子吸引到正电荷过剩的区域，被吸引的电子由于获得动量，故不会在引力与斥力的平衡位置停下而向前运动一段距离，之后电子间存在的斥力会迫使已经聚集起来的电子再次离开该区域。由此会形成一种整个电子系统的集体震荡，而库仑力的存在使得这种集体震荡反复进行，进而形成的震荡称等离子震荡，并以波的形式表现，称为等离子波。 3.SPR光学原理 表面等离子共振技术（surface plasmon resonance technology, SPR）综述 作者：刘闯等来源：北京大学单分子与纳米生物学实验室 摘要：SPR技术作为检测，分析生物分子相互作用的有效工具，有些国家已经生产出成熟的商业化的SPR传感系统。对SPR生物传感器的工作原理，应用领域，最新进展作出阐述，并对其在生物分子检测领域的应用和研究发展前景进行了讨论。 引言：表面等离子共振技术（surface plasmon resonance technology, SPR）是20世纪90年代发展起来的一种生物分子检测技术，是基于SPR检测生物传感芯片（biosensor chip）上配位体与分析物作用的一种前沿技术，在20世纪初，Wood观测到连续光谱的偏振光照射金属光栅时出现了反常的衍射现象，并且对这种现象进行了公开描述。1941年，Fano用金属与空气界面的表面电磁波激发模型对这一现象给出了解释。1957年，Ritchie发现，当电子穿过金属薄片时存在数量消失峰。他将这种消失峰称之为“能量降低的”等离子模式，并指出了这种模式和薄膜边界的关系，第一次提出了用于描述金属内部电 子密度纵向波动的“金属等离子体”的概 念。2年后，Powell和Swan用实验证实了Ritche的理论。随后，Stem和Farrell 给出了这种等离子体模式的共振条件，并将其称为“表面等离子共振技术（surface plasmon resonance , SPR）”。1968年，Otto和Kretschmann等人研究了金属和介质界面用光学方式激发SPR的问题。并分别设计了两种棱镜耦合方式。此后， SPR技术获得了长足的发展。1990年，国际上第一台商业生产的生物传感器在瑞典的Biocore公司诞生。实践证明，SPR传感器与传统检测手段比较，具有无需对样品进行标记，实时监测，灵敏度高等突出优点。所以，在医学诊断，生物监测，生物技术，药品研制和食品安全检测等领域有广阔的应用前景。 基本原理 1 消失波，在波动光学没有发展起来以前，菲涅尔定理很好地描述了光在介质表面的行走路径。（n1 sinθ1 = n 2 sinθ2 ）, 可以看出，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。但以波动光学的角度来重新研究全反射的时候就会发现，全反射的光波会透过光疏介质约为光波波长的第四章 表面等离子体共振技术总结
表面等离子共振的原理及在生物医学中的应用
表面等离子共振技术
表面等离子共振技术SPR综述
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