表面等离子体生物传感器

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。
6
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。
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。
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。
4
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
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。
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。
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
9
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。






24
2015.11.09
25
17
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。
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。
19
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。




15
16
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。
23
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.
悬梁
工作原理
发展历史 应用
展望
2
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。
22
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。

20
21
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。
18
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。
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。
10
12
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。
13
14
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。