表面等离子体生物传感器
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参考文献
[1] 徐华，顾大勇. 基于SPR技术的生物传感器研究进展[J]. 2013.8. 第34卷第15期： 1993-1995. [2] 王曼丽，明华蜜，尹洪宗等. 表面等离子体共振生物传感器的构建及对柠檬 黄的检测[J]. 分析化学研究报告. 2014. 42(1): 53-58. [3]王柯敏，陈泽忠等. 表面等离子体共振生物传感器用于乙肝表面抗原的测定 [J]. 化学学报. 2003年第61卷第一期：137-140. [4] 杨雨曦，孙雅婷，牟颖等. SPR生物传感器的研究进展与应用[J]. 生命科学仪 器. 2014第12卷：7-16. [5] 张莹. 表面等离子体子共振生物传感技术检测生物分子的研究[J]. 杭州: 浙江 大学, 2012. [6] Oh B, Lee W, Chun B, Bae Y, Lee W, Choi J. Biosensors and Bioelectronics[J]. 2005,20(9):1847. [7] 张延彪，徐超，尹洪宗等. 表面等离子体共振生物传感器及其应用[J]. 分析 科学学报. 2012.2. 第28卷第1期：126-132.
表面等离子体（surface plasmons, SPs）：
• 是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界面 方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。表面 等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向， 它受到了包括材料学家，化学家，物理学家，生物学家等 多个领域人士的极大的关注。
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悬梁臂生物传感器
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目录
概述
工作原理
发展历史 应用
展望
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3
传感器与生物传感器 传感器（sensor transducer）：
• 是一种能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一 定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足 信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的检测 装置。
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3.灵敏度高，抗背景干扰能力强
• 表面等离子体传感器是根据消失波原理构造的，由于消失波的电场 在界面处被放大，因此表面等离子体共振传感器的测量灵敏度很高， 同时，消失波进入光疏介质的深度有限，也就是说，消失波只能反 映界面附近的变化而看不到背静止的变化，因此该类传感器抗背景 干扰的能力很强。但这一点也限制了表面等离子体共振传感器只能 检测敏感膜表面一层的变化。
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表面等离子体共振生物传感器的挑战
为了使 SPR 生物传感器得到更加广泛的应用，未来研 究的主要方向应集中在以下几个方面： （1）降低仪器成本，使仪器微型化、便携化； （2）优化SPR生物传感器光学结构和数据处理方法，提高 仪器的分辨率及灵敏度； （ 3 ）设计新型传感器芯片，减少非特异性吸附，提高稳 定性； （4）探索合理有效的芯片再生方法，降低实验成本； （5）开发多通道、多组分识别SPR生物传感器，提高检测 效率和灵敏度； （6）发展SPR生物传感器与质谱、气相色谱、液相色谱等 仪器的联用技术，扩大应用范围。
பைடு நூலகம்
生物传感器（biosensor）：
• 是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的 仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗 体、抗原、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如 光敏管、场效应管等）及信号放大装置构成的分析工具或系 统。
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表面等离子体共振生物传感器
？
·定义： 表面等离子体共振生物传感器（SPR)是运
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2015.11.09
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表面等离子体共振生物传感器的应用
由于表面等离子体共振生物传感器具有免标记、
快速、实时、检测无损伤等优点，加之SPR芯片不 需要标记就可对分子间的相互作用进行实时监测， 近几年来其相关应用日趋广泛，包括生命科学领 域，医药学领域、食品安全领域、农业生产领域 以及环境科学领域等等。
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表面等离子体共振生物传感器的缺点
过去的二十年中，SPR生物传感器以其独特的优势在 生命科学、医药学、食品安全、环境监测等方面的应用取 得了快速发展。国际上商品化的 SPR 生物传感器种类也日 渐增加。但是， SPR 生物传感器与传统的检测技术相比， 仍然存在不足，例如仪器昂贵、体积过于庞大、对于小分 子物质的检测浓度有限，检测芯片用量大等。
表面等离子体共振现象
表面等离子体共振是一种物理光学现象。表面等离子体 (SP) 是沿着金属和电介质间的界面传播的电磁波形成的， 形成 SPR 的必要条件之一是金属与电介质界面的存在。当 平行表面的偏振光以称之为表面等离子角的入射角照在界 面上发生全反射时，入射光被耦合入表面等离子体内 , 在 这个角度由于表面等离子体谐振将引起界面反射率显著减 少。 SPR 对附着在金属表面的电介质的折射率非常敏感， 而折射率是所有材料的固有特征。因此，任何附着在金属 表面上的电介质均可被检测，不同电介质其表面等离子角 不同。而同一种材料，附着在金属表面的量不同，则 SPR 的响应强度不同。
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实例一、在食品安全中的应用
山东农业大学王曼丽等人利用 SPR 生物传感器检测食 品色素——柠檬黄。实验者建立了傅里叶-表面等离子体共 振传感器检测食品色素柠檬黄的方法。他们利用柠檬黄与 柠檬黄小鼠单克隆抗体之间特异性结合的原理，将碳酰二 亚胺盐酸盐法制备出的柠檬黄-牛血清白蛋白偶联物结合到 传感器芯片上，通过溶液竞争法检测柠檬黄，建立了标准 曲线，获得检出限13μg/L；研究了pH值对检测的影响，得 到 pH7.4 为适宜的体系酸度 ; 回收实验、实际样品检测及干 扰实验的结果表明，这种方法对柠檬黄有高选择性。与紫 外检测方法相比较，这一方法对柠檬黄具有很高的选择性， 且限度较低，具有较高的使用价值。
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表面等离子体共振生物传感器的应用
此外，表面等离子体共振生物传感器还被用于很多方 面的测定，包括环境中重金属离子的检测以及环境中农药 的检测。 SPR 生物传感器还可用于 HIV 病毒的研究，以及 疫苗的设计和研究等等等等…… SPR生物传感器以其检测快速、免标记、高灵敏度等 优点,已经在生命科学、医药领域、食品安全以及环境监测 等方面取得了广泛的应用。相信随着科学技术的发展及科 研工作者的不断努力， SPR 生物传感器将会得到更广泛的 应用和发展。
2.分析生物样品时不需要标记
• 这是表面等离子体共振传感技术吸引人的又一个重要原因。现有 的各种生物分析方法，大多需要对样品进行标记，如荧光标记、 酶标记以及放射性同位素标记等，以便获得易于检测的信号变化。 标记的手续一般比较繁琐、费时，且常会使生物样品失活。表面 等离子体共振传感器可将待测样品吸附在敏感膜表面直接进行检 测，无需标记，更便于客观地反映样品的实际情形。
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传感过程 整个传感过程包括:
• （1）生物分子的相互作用；
• （2）敏感层电介质变化（介电常数折射率改变)；
• （3）传感器电磁场变化（反射光波衰减波）； • （4）光电信号检测；
• （5）信号的连续检测与分析。
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表面等离子体共振技术的发展历史
·1902年，Wood在光学实验中首次发现了表面等离子共振 现象； ·1941年，Fano根据金属和空气界面上表面电磁波的激发 解释了这一现象； ·1971 年， Kretschmann 研究的 Kretschmann 结构为 SPR 生 物传感器奠定了基础； ·1982 年， Nylander 等人首次将 SPR 技术用于免疫传感器 领域； ·1990 年， Biacore AB 公司开发的第一台 SPR 传感器问世， 从此SPR传感器就逐渐发展成为了一个新的研究领域。
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实例二、在生命科学中的应用
湖南大学王柯敏等人将表面等离子体生物传感器用于 乙肝表面抗原的测定。他们运用自行研制的表面等离子体 子共振生物传感器，采用自组装成膜技术并以戊二醛作偶 联剂，在传感片表面修饰乙肝表面抗原（HBsAg）单克隆 抗体，将其用于 HBsAg 的检测。实验结果表明 SPR 生物传 感器对HBsAg的检出限为0.06ng/mL。与传统的酶联免疫吸 附试验（ELISA）相比，SPR生物传感器的检出灵敏度明显 高于ELISA法。用该SPR生物传感器对HBsAg质控血清与纯 化的 HBsAg 溶液进行比较检测，结果表明该 SPR 生物传感 器对HBsAg具有好的特异选择性。
7
基本结构
表面等离子体共振生物传感器主要包括光
学系统、敏感元件、数据采集和处理系统。
8
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等离子体与表面等离子体
等离子体（plasma）：
• 又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电 离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于 德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支 配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常 被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
4.待测物无需纯化
• 抗原-抗体、酶-底物、生物素-抗生物素等超分子识别体系的专一性 很强，用表面等离子体共振传感技术可直接分析生物样品而不需要 进行预处理和纯化。血清、尿液、组织培养液、细胞或细胞膜抽提 液等均可直接进样。非特异性吸附一般很容易洗脱，对测定的影响 很小。不过在非特异性吸附很牢以致难以洗脱时，表面等离子体共 振传感器是无法分辨出来的，也是这类传感器的一大局限。
用金属纳米粒子的表面等离子体共振效应原理而 研制的新型生物传感器。
特点：
实时监测反应的动态过程，测定反应的动力学常数。 分析生物样品时无需标记。
灵敏度高，抗背景干扰能力强。 待测物无需纯化。
5
1.实时监测反应的动态过程，测定反应的动力学常数
• 这是表面等离子体共振传感技术具有巨大吸引力的重要原因。表 面等离子体共振传感器常用来监测生物反应的动态过程，如各种 生物分子的相互作用，生物分子和小分子间的相互作用等，可以 获得动力学常数、离解常数、甚至分子构型变化等信息。
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根据上述原理， SPR 生物传感器通常将已知的生物分子 （如单键DNA分子）固定在几十纳米厚的金属（金、银等） 膜表面，加入与其互补的目标生物分子（如目标DNA）， 两者结合（杂交）将使金属膜与溶液界面的折射率上升, 从 而导致谐振角改变，如果固定入射角度，就能根据谐振角 的改变程度对互补的目标生物分子进行定量检测。
参考文献
[1] 徐华，顾大勇. 基于SPR技术的生物传感器研究进展[J]. 2013.8. 第34卷第15期： 1993-1995. [2] 王曼丽，明华蜜，尹洪宗等. 表面等离子体共振生物传感器的构建及对柠檬 黄的检测[J]. 分析化学研究报告. 2014. 42(1): 53-58. [3]王柯敏，陈泽忠等. 表面等离子体共振生物传感器用于乙肝表面抗原的测定 [J]. 化学学报. 2003年第61卷第一期：137-140. [4] 杨雨曦，孙雅婷，牟颖等. SPR生物传感器的研究进展与应用[J]. 生命科学仪 器. 2014第12卷：7-16. [5] 张莹. 表面等离子体子共振生物传感技术检测生物分子的研究[J]. 杭州: 浙江 大学, 2012. [6] Oh B, Lee W, Chun B, Bae Y, Lee W, Choi J. Biosensors and Bioelectronics[J]. 2005,20(9):1847. [7] 张延彪，徐超，尹洪宗等. 表面等离子体共振生物传感器及其应用[J]. 分析 科学学报. 2012.2. 第28卷第1期：126-132.
表面等离子体（surface plasmons, SPs）：
• 是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界面 方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。表面 等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向， 它受到了包括材料学家，化学家，物理学家，生物学家等 多个领域人士的极大的关注。
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悬梁臂生物传感器
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目录
概述
工作原理
发展历史 应用
展望
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传感器与生物传感器 传感器（sensor transducer）：
• 是一种能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一 定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足 信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求的检测 装置。
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3.灵敏度高，抗背景干扰能力强
• 表面等离子体传感器是根据消失波原理构造的，由于消失波的电场 在界面处被放大，因此表面等离子体共振传感器的测量灵敏度很高， 同时，消失波进入光疏介质的深度有限，也就是说，消失波只能反 映界面附近的变化而看不到背静止的变化，因此该类传感器抗背景 干扰的能力很强。但这一点也限制了表面等离子体共振传感器只能 检测敏感膜表面一层的变化。
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表面等离子体共振生物传感器的挑战
为了使 SPR 生物传感器得到更加广泛的应用，未来研 究的主要方向应集中在以下几个方面： （1）降低仪器成本，使仪器微型化、便携化； （2）优化SPR生物传感器光学结构和数据处理方法，提高 仪器的分辨率及灵敏度； （ 3 ）设计新型传感器芯片，减少非特异性吸附，提高稳 定性； （4）探索合理有效的芯片再生方法，降低实验成本； （5）开发多通道、多组分识别SPR生物传感器，提高检测 效率和灵敏度； （6）发展SPR生物传感器与质谱、气相色谱、液相色谱等 仪器的联用技术，扩大应用范围。
பைடு நூலகம்
生物传感器（biosensor）：
• 是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的 仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗 体、抗原、核酸等生物活性物质）、适当的理化换能器（如 光敏管、场效应管等）及信号放大装置构成的分析工具或系 统。
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表面等离子体共振生物传感器
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·定义： 表面等离子体共振生物传感器（SPR)是运
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表面等离子体共振生物传感器的应用
由于表面等离子体共振生物传感器具有免标记、
快速、实时、检测无损伤等优点，加之SPR芯片不 需要标记就可对分子间的相互作用进行实时监测， 近几年来其相关应用日趋广泛，包括生命科学领 域，医药学领域、食品安全领域、农业生产领域 以及环境科学领域等等。
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表面等离子体共振生物传感器的缺点
过去的二十年中，SPR生物传感器以其独特的优势在 生命科学、医药学、食品安全、环境监测等方面的应用取 得了快速发展。国际上商品化的 SPR 生物传感器种类也日 渐增加。但是， SPR 生物传感器与传统的检测技术相比， 仍然存在不足，例如仪器昂贵、体积过于庞大、对于小分 子物质的检测浓度有限，检测芯片用量大等。
表面等离子体共振现象
表面等离子体共振是一种物理光学现象。表面等离子体 (SP) 是沿着金属和电介质间的界面传播的电磁波形成的， 形成 SPR 的必要条件之一是金属与电介质界面的存在。当 平行表面的偏振光以称之为表面等离子角的入射角照在界 面上发生全反射时，入射光被耦合入表面等离子体内 , 在 这个角度由于表面等离子体谐振将引起界面反射率显著减 少。 SPR 对附着在金属表面的电介质的折射率非常敏感， 而折射率是所有材料的固有特征。因此，任何附着在金属 表面上的电介质均可被检测，不同电介质其表面等离子角 不同。而同一种材料，附着在金属表面的量不同，则 SPR 的响应强度不同。
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实例一、在食品安全中的应用
山东农业大学王曼丽等人利用 SPR 生物传感器检测食 品色素——柠檬黄。实验者建立了傅里叶-表面等离子体共 振传感器检测食品色素柠檬黄的方法。他们利用柠檬黄与 柠檬黄小鼠单克隆抗体之间特异性结合的原理，将碳酰二 亚胺盐酸盐法制备出的柠檬黄-牛血清白蛋白偶联物结合到 传感器芯片上，通过溶液竞争法检测柠檬黄，建立了标准 曲线，获得检出限13μg/L；研究了pH值对检测的影响，得 到 pH7.4 为适宜的体系酸度 ; 回收实验、实际样品检测及干 扰实验的结果表明，这种方法对柠檬黄有高选择性。与紫 外检测方法相比较，这一方法对柠檬黄具有很高的选择性， 且限度较低，具有较高的使用价值。
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表面等离子体共振生物传感器的应用
此外，表面等离子体共振生物传感器还被用于很多方 面的测定，包括环境中重金属离子的检测以及环境中农药 的检测。 SPR 生物传感器还可用于 HIV 病毒的研究，以及 疫苗的设计和研究等等等等…… SPR生物传感器以其检测快速、免标记、高灵敏度等 优点,已经在生命科学、医药领域、食品安全以及环境监测 等方面取得了广泛的应用。相信随着科学技术的发展及科 研工作者的不断努力， SPR 生物传感器将会得到更广泛的 应用和发展。
2.分析生物样品时不需要标记
• 这是表面等离子体共振传感技术吸引人的又一个重要原因。现有 的各种生物分析方法，大多需要对样品进行标记，如荧光标记、 酶标记以及放射性同位素标记等，以便获得易于检测的信号变化。 标记的手续一般比较繁琐、费时，且常会使生物样品失活。表面 等离子体共振传感器可将待测样品吸附在敏感膜表面直接进行检 测，无需标记，更便于客观地反映样品的实际情形。
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传感过程 整个传感过程包括:
• （1）生物分子的相互作用；
• （2）敏感层电介质变化（介电常数折射率改变)；
• （3）传感器电磁场变化（反射光波衰减波）； • （4）光电信号检测；
• （5）信号的连续检测与分析。
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表面等离子体共振技术的发展历史
·1902年，Wood在光学实验中首次发现了表面等离子共振 现象； ·1941年，Fano根据金属和空气界面上表面电磁波的激发 解释了这一现象； ·1971 年， Kretschmann 研究的 Kretschmann 结构为 SPR 生 物传感器奠定了基础； ·1982 年， Nylander 等人首次将 SPR 技术用于免疫传感器 领域； ·1990 年， Biacore AB 公司开发的第一台 SPR 传感器问世， 从此SPR传感器就逐渐发展成为了一个新的研究领域。
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实例二、在生命科学中的应用
湖南大学王柯敏等人将表面等离子体生物传感器用于 乙肝表面抗原的测定。他们运用自行研制的表面等离子体 子共振生物传感器，采用自组装成膜技术并以戊二醛作偶 联剂，在传感片表面修饰乙肝表面抗原（HBsAg）单克隆 抗体，将其用于 HBsAg 的检测。实验结果表明 SPR 生物传 感器对HBsAg的检出限为0.06ng/mL。与传统的酶联免疫吸 附试验（ELISA）相比，SPR生物传感器的检出灵敏度明显 高于ELISA法。用该SPR生物传感器对HBsAg质控血清与纯 化的 HBsAg 溶液进行比较检测，结果表明该 SPR 生物传感 器对HBsAg具有好的特异选择性。
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表面等离子体共振生物传感器主要包括光
学系统、敏感元件、数据采集和处理系统。
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等离子体与表面等离子体
等离子体（plasma）：
• 又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电 离后产生的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于 德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主要受电磁力支 配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常 被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。
4.待测物无需纯化
• 抗原-抗体、酶-底物、生物素-抗生物素等超分子识别体系的专一性 很强，用表面等离子体共振传感技术可直接分析生物样品而不需要 进行预处理和纯化。血清、尿液、组织培养液、细胞或细胞膜抽提 液等均可直接进样。非特异性吸附一般很容易洗脱，对测定的影响 很小。不过在非特异性吸附很牢以致难以洗脱时，表面等离子体共 振传感器是无法分辨出来的，也是这类传感器的一大局限。
用金属纳米粒子的表面等离子体共振效应原理而 研制的新型生物传感器。
特点：
实时监测反应的动态过程，测定反应的动力学常数。 分析生物样品时无需标记。
灵敏度高，抗背景干扰能力强。 待测物无需纯化。
5
1.实时监测反应的动态过程，测定反应的动力学常数
• 这是表面等离子体共振传感技术具有巨大吸引力的重要原因。表 面等离子体共振传感器常用来监测生物反应的动态过程，如各种 生物分子的相互作用，生物分子和小分子间的相互作用等，可以 获得动力学常数、离解常数、甚至分子构型变化等信息。
11
根据上述原理， SPR 生物传感器通常将已知的生物分子 （如单键DNA分子）固定在几十纳米厚的金属（金、银等） 膜表面，加入与其互补的目标生物分子（如目标DNA）， 两者结合（杂交）将使金属膜与溶液界面的折射率上升, 从 而导致谐振角改变，如果固定入射角度，就能根据谐振角 的改变程度对互补的目标生物分子进行定量检测。