表面等离子共振技术

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

在表面等离子共振仪中，最核心的结构是芯片，芯片的结构见图1。在玻璃表面附有一层金箔，一种待检分子（ligand）连在金箔上，入射光在金和玻璃表面发生全反射，并产生SPR，这时的入射角为I。当有另一种分子（analyte）与ligand相互作用时，使金箔的折射率发生变化，这时以原来的入射角（I）入射就不能发生SPR，而以入射角（II）入射才能发生SPR【6】。用楔形的入射光入射保证了入射角在一定范围能，并能实时检测。

图1

图2

在analyte与ligand相互作用后，以缓冲液流过芯片表面，使analyte和ligand相分离，从而芯片得到再生，可以重复使用（如图2）。

二、表面等离子共振仪的组成

表面等离子共振仪主要由五部分组成：芯片、光学系统、液体处理系统、控温系统和计算机软件。液体处理系统是一个多通道的微流池，可以控制不同液体流过芯片表面。另外由于折射率、反应动力学、溶液中分子转移至芯片上等等均对温度很敏感，所以控温系统对于仪器测量的准确度也很重要。

这里具体介绍一下芯片和光学系统的组成【7】：

芯片主要由玻璃基底、金箔和表面基质组成。芯片上的金属膜对于产生SPR信号很关键。金膜产生SPR时的反射角和波长易于得到，且对于生物溶液具有化学惰性。

图3

金膜表面通过交联剂共价结合了表面基质，将靶生物分子固定。表面基质主要有四个作用：（1）共价固定生物分子，且不同芯片用来检测不同物质。（2）可通过增加表面固定生物分子的结合力提高芯片的灵敏度。如：常用的CM5芯片上的表面由羧甲基葡聚糖组成，这种基质为生物分子相互作用提供了稳定的环境，它固定ligand的量为1－5ng/mm2至50ng/mm2。（3）为大多数生物反应提供亲水环境。（4）使表面的非特异性结合强度低。

基质表面的线性葡聚糖使生物分子充分暴露在表面上。如果没有处理金箔表面由于空间位阻分子会被表面分子和相邻分子阻碍。

葡聚糖层厚100纳米左右，由无交联的线性葡聚糖组成，PH和离子强度影响葡聚糖分子的舒展。例如：PH为7时，每个羧基带一个负电，由于静电排斥葡聚糖高度舒展，在PH为3时，只有10％的羧基带电，舒展度降低。当PH值固定时，离子强度越低静电排斥越大。当芯片上固定生物分子后，会影响基质的物理性质。在固定生物分子后，基质仍带有负电。固定PH值，通过应用高离子强度的缓冲液，可使固定生物分子间的静电力及基质中羧基间的静电作用达到最低。所以在一系列测量中应保持缓冲液条件不变，在比较不同条件测定的结果时应考虑到缓冲液的问题。

以CM5芯片为例，葡聚糖是葡萄糖的线性多聚物，对生物分子的非特意性吸附性很低。芯片上的葡聚糖被羧甲基化（大约每个葡萄糖分子带有一个羧甲基），有以下目的：（1）为共价固定生物分子提过位点。（2）使得葡聚糖在生理PH值下形成负电网，在低离子强度下，带正电的生物分子（例如PH值低于PI值时的蛋白质）由于静电吸附作用而聚集在葡聚糖上。这样即使在反应液浓度较低的情况下也可使生物分子有效的共价固定在葡聚糖上。（3）羧基增加葡聚糖基质的亲水性。CM5芯片对大多数生物分子所用的缓冲液都很稳定，并可在短时间内暴露在极高或极低的PH值下不降解。但芯片应避免接触氧化剂（高碘酸盐、过氧化物、溴或碘化物）和可水解糖甘键的酶。

表面基质固定生物分子主要依靠以下几种途径（见图4）：

图4

表面等离子共振仪用发射二级管发射楔形近红外电磁波，此电磁波为单一波长的偏振光，偏振平面为入射平面。电磁波聚焦在芯片的玻璃/金界面上发生全反射，反射光由另一侧一列光敏二级管检测，而后由计算机分析SPR角。固定光源、芯片和检测器，应用楔形入射光和固定的一列检测器使我们可以实时检测反射角。

三、表面等离子共振技术在生物医学领域的应用：

1．蛋白质组学

蛋白质是生命活动的直接执行者，人类基因组序列中的遗传信息最终要靠在不同时空、受严格调控并具有自身特有活动规律的蛋白质的表达来体现。然而，蛋白质的种类和数量又是处于一个新陈代谢的动态变化之中，蛋白质的修饰、构象的变化也与生命活动密切相关。所以在人类基因组测序完成，基因功能的研究蓬勃发展之时，蛋白质组学凸现而出成为研究的重点。

生物分子相互作用分析质谱（BIA－MS)是SPR－BIA技术与传统的蛋白鉴定技术MALDI－TOF －MS（基质辅助的激光解吸离子化时间飞行质谱）有机结合形成的一种新的研究手段。BIA－MS 分为两步：第一步，SPR检测自身环境中的生物分子；第二步，MALDI－TOF－MS鉴定结合在SPR 传感器表面的分析物。这种方法综合了SPR-BIA和MALDI-TOF-MS两种技术的优势，实现了定量与

定性的结合【8】。利用BIA－MS可以筛选和鉴定感兴趣的蛋白及与之结合的对象【9，10】，这是BIA－MS的一个主要应用领域。

2．抗体－抗原分子相互作用的研究【4】

SPR技术在抗体－抗原结合动力学及抗原表位－抗体对位的鉴定中有重要的应用，在无需纯化和标记抗体－抗原的天然条件下，能实时动态反映抗体－抗原互作时的结合/解离速率和亲和力常数。Karlsson等以SPR技术研究HIV21核心蛋白P24与其单克隆抗体mAB的结合动力学：从杂交瘤培养上清液中获得抗核心蛋白P24mAB，偶联在芯片表面，通过芯片表面直接监测抗体－抗原结合过程，通过结合曲线能够快速半定量不同抗体的动力学参数，得到P24抗体的亲和力常数范围为2.7×10-7～6×10-9mol/L。 进一步的研究以30个抗重组HIV21核心蛋白P24单抗鉴定P24的特异性抗原表位，结果得到17个抗原表位，应用匹配测试将30个单抗分成17个免疫反应模式。该研究工作为抗体－抗原的互作动力学研究提供了通用模式。Noel以构建的抗体表达载体（含重链基因或轻链基因）转染COS－7细胞，以BIA技术分析表达上清液和靶抗原的相互作用，在无需纯化抗体的条件下获得目标抗体和靶抗原的结合动力学，由此证明了抗体重链片段为抗体亲和性的重要结构基础，而轻链片段则在稳定抗体－抗原互作时起作用，从而为免疫球蛋白结构功能研究提供重要依据。Schier利用BIA技术改进高亲和力噬菌体抗体的筛选条件，在无需亚克隆和纯化的情况下，通过鉴定离解常数Koff筛选到比野生型亲和力大1200倍 的抗肿瘤抗原ErbB22特异性抗体，证明了BIA技术在筛选高亲和力噬菌体抗体的高效率辅助作用。在临床免疫学中应用SPR技术进行免疫诊断有着高效和灵敏优势，其中在自身免疫疾病患者的自身免疫抗体检测中得到了成功应用：在特定的自身免疫导致的神经系统疾病中，血清中抗神经节苷脂抗体滴度是反映病症退行或进展的一个重要生化指标，A laedini等应用SPR技术成功地检测了自身免疫神经系统疾病患者体内特异性抗体滴度，并证明以SPR技术检测特异抗体相比于传统ELISA 技术在灵敏度、精确性及检测速度方面皆有优势。

3．药物筛选

目前，已知的Aβ有两种形式：Aβ40和Aβ42，后者的聚合更易形成斑。1999年，Bohrmann 等应用SPR技术在筛选中发现存在于血浆的内源蛋白质能与Aβ结合，因此有力地抑制沉积作用。但存在于脑脊髓液蛋白质浓度低对Aβ仅有很小的效应或无此效应。应用Biacore2000仪器测定血蛋白与Aβ单体/Aβ多聚体的相互作用。在浓度为115nmol/L的单体的生物素－Aβ1～40与传感芯片上链霉抗生物素蛋白偶合保存于二甲亚砜防止聚合。聚合的Aβ与单克隆抗体连接。结果，血浆含有的蛋白质对Aβ抑制活性至少比脑脊髓液超过300倍，这就解释了为什么β－淀粉样蛋白沉积不在周围组织发现而仅仅在中枢神经系统发现。Bohrmann等的研究结论根据测得数据认为白蛋白及其他血浆/CSF蛋白质在控制淀粉样蛋白的生成有其重要的生理作用。血浆中发现的白蛋白浓度可以结合和预防聚合的Aβ沉积。炎症时，脑脊髓液中的白蛋白减少，导致此保护功能的消除，增加β－淀粉样蛋白的形成从而促进阿尔茨海默氏病的发展【11】。

近年来，SPR技术在艾滋病病毒新抑制剂和抗癌新药筛选中也有了新的进展【11】。

总之，由于表面等离子共振仪实时、动态、免标记、灵敏等特点使它在生物医学领域的应用越来越广泛。在这种技术的推动下，在各个学科共同合作下，新的科研技术和手段会不断涌现,生命科学会再次走向新的辉煌。

参考文献：

1．Wood S J. DNA－DNA hybridization in real－time using BIACORE. Microbiochem J, 1993, 47(2):330.

2．Hayer－Hartl M K, Martin J, Hartl F U. A symmetrical interaction of GroEL and GroES in ATpase cycle of assisted protein folding. Science, 1995, 269(5225):836. 3．Watts H J, Low C R. Optical biosensors monitoring microbial cells. Anal Chem, 1994, 66:2465.

4．王海明，钱凯先。表面等离子共振技术在生物分子互作研究中的应用。浙江大学学报（工学

版），第37卷，第3期，2003年5月：354－361。

5．王琛，王桂英，徐至展。全内反射荧光显微术。物理学进展，第22卷，第4期，2002年12月：406－415。

6．Matthew A. Cooper, Optical biosensors in drug discovery, Nature reviews drug discovery, vol 1, Jul, 2002.

7．BIAtechnology Handbook

8．孙颖，张阳德。表面等离子共振技术在蛋白质组学中的应用。Medicine and Philosophy, 第23卷，第10期（总257期），2002年10月：30－32。

9．NELSON R W, KRONE J R. Advances in surface plasmon resonance bimolecular interaction analysis mass spectrometry (BIA/MS). J Mol Recognit,1999,12(2):77 - 93. 10．NEDELKOV D, RASOOLY A, NELSON R W. Multitoxin biosensor-mass spectrometry analysis: a new approach for rapid, real-time, sensitive analysis of staphylococcal toxins in food. Int J Food Microbiol, 2000, 60(1):1-13.

11．陈执中。表面等离子共振技术在新药开发研究中的应用进展。药物生物技术，2004，

11(5):336～338。

表面等离子体共振实验

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化学应用

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

表面等离子体共振

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剖析

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

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

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

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总结

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

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

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SPR综述

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