表面等离子体生物传感器PPT课件

1、目录目录概述工作原理发展历史应用展望1第1页/共25页2第2页/共25页传感器与生物传感器传感器与生物传感器传感器（sensor transducersensor 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。生物传感器（biosensorbiosensor）：）： 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

2、装置构成的分析工具或系统。3第3页/共25页表面等离子体共振生物传感器表面等离子体共振生物传感器？定义：定义：表面等离子体共振生物传感器（SPR)是运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：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。4第4页/共25页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

3、、甚至分子构型变化等信息。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。5第5页/共25页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

4、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。6第6页/共25页基本结构基本结构 表面等离子体共振生物传感器主要包括光学系统、敏

5、感元件、数据采集和处理系统。7第7页/共25页8第8页/共25页等离子体与表面等离子体等离子体与表面等离子体等离子体（等离子体（plasmaplasma）：）： 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。表面等离子体（表面等离子体（surface surface plasmonsplasmons, SPs, 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

6、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。9第9页/共25页表面等离子体共振现象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

7、。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。10第10页/共25页 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。11第11页/共25页传感过程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)

8、； （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。12第12页/共25页13第13页/共25页表面等离子体共振技术的发展历史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

9、展成为了一个新的研究领域。14第14页/共25页15第15页/共25页表面等离子体共振生物传感器的应用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。16第16页/共25页实例一、在食品安全中的应用实例一、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

10、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13g/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。17第17页/共25页实例二、在生命科学中的应用实例二、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

11、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。18第18页/共25页表面等离子体共振生物传感器的应用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

12、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。19第19页/共25页20第20页/共25页表面等离子体共振生物传感器的缺点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

13、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。21第21页/共25页表面等离子体共振生物传感器的挑战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

14、色谱等仪器的联用技术，扩大应用范围。22第22页/共25页参考文献参考文献 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