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1、表面等离子共振技术,05医学实验马吟醒 朱倩 薛夏沫 黄辰,简介,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，应用SPR原理检测生物传感芯片(biosensor chip)上配位体与分析物作用的一种新技术。,发展简史,1902年，Wood在光学实验中发现SPR现象1941年，Fano解释了SPR现象1971年，Kretschmann为SPR传感器结构奠定了基础1983年，Liedberg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定1987年，Knoll等人开始SPR成像研究1990年，Biacore AB公司开发出
2、首台商品化SPR仪器,SPR用途简介,实时分析，简便快捷地监测DNA与蛋白质之间、蛋白质分子之间以及药物蛋白质、核酸核酸、抗原抗体、受体配体等等生物分子之间的相互作用，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、法医鉴定等领域具有广泛的应用需求。,表面等离子共振原理,1. 消逝波2. 等离子波3. SPR的光学原理,1.消逝波,当光从光密介质入射到光疏介质时（n1n2）就会有全反射现象的产生。,n1 sin1 = n2 sin2,菲涅尔定理：,密,疏,密,疏,1.消逝波,这表示沿X轴方向传播而振幅衰减的一个波，这就是消逝波。全反射的光波会透过光疏介质约为光波波长的一个深度，再
3、沿界面流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发生改变。透入光疏介质的光波成为消逝波。,界面,疏,密,2.等离子波,等离子体 等离子体通常是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。 金属表面等离子波 把金属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。由于电磁振荡形成了等离子波。,3.SPR光学原理,3.SPR光学原理,我们在前面提到光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在介质（假设为金属介质）中又存在一定的等离子波。当两波相遇时可能会发生共振。,3.SPR光学原理,当消逝波与表面等离子波发生共振
4、时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使得反射光的能量急剧减少。,3.SPR光学原理,可以从反射光强的响应曲线看到一个最小的尖峰，此时对应的入射光波长为共振波长，对应的入射角为SPR角。SPR角随金表面折射率变化而变化，而折射率的变化又与金表面结合的分子质量成正比。这就是SPR对物质结合检测的基本原理。,SPR的响应模式,n1 sin1 = n2 sin2,因为 sin2 = 1,所以 sin1 = n2/n1,SPR的检测模式,直接检测：适用于大分子（1000 Da）,SPR的检测模式,抑制模式： 将待测小分子固定在传感器表面，
5、在样品中加入过量对应大分子。,SPR仪的结构及工作原理,朱倩 90513126,Biacore 3000,Biacore 3000工作仪器,核心部件： 传感器芯片 液体处理系统 光学系统其他： LED状态指示器 温度控制系统,Biacore 3000核心部件,Biacore 3000的光学系统,Biacore 3000传感器基本结构,光波导耦合器件金属膜分子敏感膜,传感芯片光波导耦合器件,棱镜型装置工作原理,(a) Otto 型 (b) Kretschmann 型,光纤型光波导耦合器,在线传输式SPR 光纤传感器,光纤型光波导耦合器,终端反射式SPR 光纤传感器,光栅型光波导耦合器,光源,He
6、2Ne激光器LED白炽灯卤钨灯,传感芯片金属膜,反射率高化学稳定性好厚度合适,金属材料的选择,1、可见光范围内反射率较高：Ag、Al 、Au 、Cu 2、化学稳定性好Ag、Al、Au、CuAg、Au,Ag膜、Au膜的比较金膜(实线) 和银膜(虚线) SPR 光谱理论值,恒定波长, 反射系数与入射角度关系波长: 1 和2 为750nm,3 为600nm, 4 为500nm,恒定入射角度, 反射系数与波长关系入射角度: 1 为80, 2 为70,3 为72, 4 为6815,5 为6515,金属膜厚度对SPR 谱的影响,= 63218nm介质为水( n = 1.333) 棱镜折射率为1.515,5
7、0nm,传感芯片分子敏感膜,成膜方法：金属膜直接吸附法共价连接法（生物素-亲和素、葡聚糖凝胶、水凝胶、高分子膜、多肽等）单分子复合膜法分子印膜技术,Biacore 3000液体处理系统,Biacore 3000的LED状态指示器LED（light-emitting diode）,Ready：亮/灭Error：亮/灭Temperature：稳定/闪烁Sensor Chip：稳定/闪烁Run：亮/灭,Biacore 3000的温度控制系统,SPR 技术的应用,黄辰90513125,物理学应用,若某种物理量会引起特定敏感膜折射率的变化，就可以采用SPR 传感技术进行检测。例如，基于温度变化引起特定敏
8、感膜的吸湿量变化，并导致其折射率变化，从而利用SPR 传感技术进行检测的湿度传感系统，以及基于氢化无定型硅的热光效应的温度传感系统等。,化学应用,通过检测共振角或共振波长的变化来检测待测分子的成分、浓度以及参与化学反应的特性,生物学应用,生物学应用,生物学应用,主要用于检测生物分子的结合作用或者通过生物分子结合作用的检测来完成特定生物分子的识别及其浓度的测定,生物学应用,药物领域,药物与蛋白之间的相互作用药物筛选与新药开发 SPR技术因其实时效性，高通量，特异性及能在天然状态下研究药物分子与靶点的相互作用，为新药研发提供了有力的工具维生素检测生物毒素检测细菌和病原菌检测农、兽药残留量检测,食品
9、工业及环境监测领域,生物传感器的在线分析能力和高灵敏度，微量样品需求的特点，使得这种仪器成为食品及环境安全监控的理想工具,生物学应用,生物学应用,SPR技术因其高效灵敏、无需额外标记等优势，广泛应用与蛋白质检测和蛋白-蛋白相互作用等蛋白质组学研究，它能在保持蛋白质天然状态的情况下实时提供靶蛋白的细胞器分布，结合动力学及浓度变化等功能信息，为蛋白质组研究开辟了全新模式,生物学应用,生物学应用,利用生物传感器，可监测和定量测定病人血清中的生物药剂和抗体滴度的可行性，跟踪检测动物模型、人类临床试验,利用SPR技术在胞外环境中研究控制基因转录、细胞周期、细胞分裂和凋亡的信号传递途径，从而可以准确地设计
10、出这些生化作用催化剂的拮抗物，应用于癌症的治疗。,生物学应用,生物学应用,SPR生物传感器用于遗传分析是一个崭新的领域。如用于检测点突变，用于检测区分野生的和经遗传修饰的大豆基因序列等,展望未来,如今，SPR技术已被广泛地用来分析生物分子,展望未来,涉及的研究领域包括,展望未来,SPR技术在分子生物学研究领域中应用的范围非常广，在研究基因工程中：载体与质粒DNA之间的相互作用，以评价载体效率DNA序列特异性抗体的性质鉴定等方面，SPR技术都发挥了重要作用SPR技术与其他分析技术的联合应用，必将加速分子生物学的研究进展，使我们对生命现象的了解更加深入,Thanks for your attent
11、ion!,90513101 马吟醒90513126 朱倩90513129 薛夏沫90513125 黄辰Mar 19th 2008,SPR的特点及发展方向,AdvantagesDisadvantagesFuture DevelopmentExamples,Main Advantages,实时监测无需标记样品样品需要极少 检测过程方便快捷，灵敏度较高应用范围广泛-,Other Advantages,跟踪监控不干扰反应的平衡不需要对样品进行处理能在混浊的甚至不透明的样品中进行,Disadvantages,传感曲线经常不符合假一级动力学,多价结合多步结合反应空间位阻效应配体或者分析物的不均一扩散速度限
12、制重结合现象,Disadvantages,检测成本易用性稳定性检测效率,改进与发展Development,增强稳定性提高检测灵敏度实现多通道检测联用装置微型化降低成本,稳定性生物分子&金属薄膜结合+ 一层SAM (self-assembles monolayer) 自组装单分子层在金属薄膜层上覆盖羧甲基葡聚糖凝胶 not only but also,微流控多通道SPR检测,SPR Imaging,Layout and photograph of the microfluidic chip designed for coupling with SPR imaging system,联用MALDI
13、-TOF质谱法结合“二维” SPR可对相互作用进行定量分析 MALDI-TOF提供定性分析的详细结果,RP-HPLC高效液相层析技术用于SPR技术中研究溶细胞肽与抗微生物肽和细胞膜磷脂的相互作用情况，以了解肽的构想及溶解活性。,电化学与SPR联用 为固液表面发生的各种电化学现象和过程提供有价值的信息 电诱导分子吸附/脱附， 吸附物、电沉积和阳极溶出过程中 的结构变化。,微型化,Biacore 2000Dimensions: 760 x 350 x 610 mmNet Weight: 50 kg,Spreeta 2000,Spreeta 传感器和SPR分析系统示意图,Biosensing Ins
14、trument(生物传感仪器)公司,BI SPR 1100,小结,表面等离子体共振（SPR）技术是瑞典Pharmacia公司在20世纪90年代开发的生物传感技术。以其检测过程方便快捷、始终保持生物分子的活性、实时检测、应用范围广、检测灵敏度高等很多优点广泛应用于生物分子相互作用的研究。,小结,随着 SPR 技术成为分析生物化学、药物研发和食物监控领域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和脂膜领域的新兴应用将使其在未来的药物发现和膜生物学中扮演一个越来越重要的角色。,SPR的应用领域将不断扩大技术水平及实用程度也将不断提高,Thank you !,
