表面等离子体共振技术PPT课件

1、3-1-1 SPR简史F1902年，Wood在光学实验中发现SPR现象F1941年，Fano解释了SPR现象F1971年，Kretschmann结构为SPR传感器奠定了基础F1982年，Lundstrm将SPR用于气体的传感（第一次）F1983年，liedberg将SPR用于IgG与其抗原的反应测定F1987年，Knoll等人开始SPR成像研究F1990年，Biacore AB公司开发出首台商品化SPR仪器 表面等离子体共振（表面等离子体共振（Surface plasmon resonance，SPR），又称表面等离子体子共振，表面等离激元共振，），又称表面等离子体子共振，表面等离激元共振，是

2、一种物理光学现象，有关仪器和应用技术已经成为物理是一种物理光学现象，有关仪器和应用技术已经成为物理学、化学和生物学研究的重要工具，。学、化学和生物学研究的重要工具，。 第1页/共59页 在金属中，价电子为整个晶在金属中，价电子为整个晶体所共有，形成所谓费米电子气。体所共有，形成所谓费米电子气。价电子可在晶体中移动，而金属离价电子可在晶体中移动，而金属离子则被束缚于晶格位置上，但总的子则被束缚于晶格位置上，但总的电子密度和离子密度是相同的，从电子密度和离子密度是相同的，从整体来说金属是电中性的。人们把整体来说金属是电中性的。人们把这种情况形象地称为这种情况形象地称为“金属离子浸金属离子浸没于电子

3、的海洋中没于电子的海洋中”。这种情况和。这种情况和气体放电中的等离子体相似，因此气体放电中的等离子体相似，因此可以把金属看作是一种电荷密度很可以把金属看作是一种电荷密度很高的低温（室温）等离子体，而气高的低温（室温）等离子体，而气体放电中的等离子体是一种高温等体放电中的等离子体是一种高温等离子体，电荷密度比金属中的低。离子体，电荷密度比金属中的低。金属板中电子气的位移 （上）金属离子（上）金属离子（+）位于）位于“电子海洋电子海洋”中（灰中（灰色背景），（下）电子集体向右移动色背景），（下）电子集体向右移动第2页/共59页五十年代，为了解快速电子穿过金属箔时的能量损失，人们进五十年代，为了解快

4、速电子穿过金属箔时的能量损失，人们进行了大量的实验和理论工作。行了大量的实验和理论工作。Pine和和Bohm认为，其中能量损失的认为，其中能量损失的部 分 原 因 是 激 发 了 金 属 箔 中 电 子 的 等 离 子 体 振 动 （部 分 原 因 是 激 发 了 金 属 箔 中 电 子 的 等 离 子 体 振 动 （ P l a s m a oscillation），又称为等离子体子（），又称为等离子体子（plasmon）。）。Ritchie从理论上从理论上探讨了无限大纯净金属箔中由于等离子体振动而导致的电子能量损探讨了无限大纯净金属箔中由于等离子体振动而导致的电子能量损失，同时也考虑了有限

5、大金属箔的情况，指出：不仅等离子体内部失，同时也考虑了有限大金属箔的情况，指出：不仅等离子体内部存在角频率为存在角频率为p的等离子体振动，而且在等离子体和真空的界面，的等离子体振动，而且在等离子体和真空的界面，还存在表面等离子体振动（还存在表面等离子体振动（Surface plasma oscillation），其角频），其角频率为率为 。Powell和和Swan 用高能电子发射法测定了金属铝的特用高能电子发射法测定了金属铝的特征电子能量损失，其实验结果可用征电子能量损失，其实验结果可用Ritchie的理论来解释。的理论来解释。Stern和和Ferrell将表面等离子体振动的量子称为表面等离子

6、体子（将表面等离子体振动的量子称为表面等离子体子（Surface plasmon），研究了金属表面有覆盖物时的表面等离子体振动，发），研究了金属表面有覆盖物时的表面等离子体振动，发现金属表面很薄的氧化物层也会引起这种振动的明显改变。他们还现金属表面很薄的氧化物层也会引起这种振动的明显改变。他们还预言：由于表面等离子体振动对表面涂层的敏感，那么通过选择合预言：由于表面等离子体振动对表面涂层的敏感，那么通过选择合适的涂层，表面特征能量损失的值会在一定范围内发生变化。适的涂层，表面特征能量损失的值会在一定范围内发生变化。2/p第3页/共59页除电子以外，用电磁波，如光波，也能激发表面等离子体振动。二

7、十世纪初，除电子以外，用电磁波，如光波，也能激发表面等离子体振动。二十世纪初，Wood 首次描述了衍射光栅的反常衍射现象，这实际上就是由于光波激发了表面等离子首次描述了衍射光栅的反常衍射现象，这实际上就是由于光波激发了表面等离子体振动所致。六十年代晚期，体振动所致。六十年代晚期，Kretschmann 和和Otto采用棱镜耦合的全内反射方法，实采用棱镜耦合的全内反射方法，实现了用光波激发表面等离子体振动，为现了用光波激发表面等离子体振动，为SPR技术的应用起了巨大的推动作用。他们的实技术的应用起了巨大的推动作用。他们的实验方法简单而巧妙，仍然是目前验方法简单而巧妙，仍然是目前SPR装置上应用最

8、为广泛的技术。装置上应用最为广泛的技术。(A) Kretschman (B) OttoPrism gMetal mSample s0kevkspxzPrism gSample sMetal m0kevksp第4页/共59页3-1-2 金属内部的等离子体振动 因为金属中的价电子可以自由移动，入射光可能激起电子气的纵向振因为金属中的价电子可以自由移动，入射光可能激起电子气的纵向振动。动。 如果由于入射电子的作用，金属中电子向右移动了一段距离如果由于入射电子的作用，金属中电子向右移动了一段距离 ，因此在，因此在右边就有了电子堆积。设右边就有了电子堆积。设n ne e为电子密度，右边出现的面电荷密度为

9、为电子密度，右边出现的面电荷密度为- -n ne ee e ，左边的面电荷密度为，左边的面电荷密度为+ +n ne ee e ，则金属的极化强度，则金属的极化强度p p为：为： 由极化产生的电场由极化产生的电场EpEp为为: : 在这个电场的作用下，电子有向左移的倾向，于是产生了振动。如果在这个电场的作用下，电子有向左移的倾向，于是产生了振动。如果不考虑振动能量的衰减，单位体积内的电子气的振动方程式为：不考虑振动能量的衰减，单位体积内的电子气的振动方程式为： 式中式中m m为电子的质量，为电子的质量，e e为电子的电荷量，为电子的电荷量， p p为无衰减时的等离子体为无衰减时的等离子体振动的角

10、频率，则振动的角频率，则 enpeenpEep4422224eneEndtdmnepee0222pdtd或或第5页/共59页 等离子体子（等离子体子（plasmonplasmon，又称等离激元）的量子能量为：，又称等离激元）的量子能量为： 对金属来说，对金属来说，n ne e10102323/cm/cm3 3，将此值代入式（，将此值代入式（5-65-6），可得金属中等），可得金属中等离子体子的量子能量约为：离子体子的量子能量约为： 如果考虑了金属内电子的衰减，弛豫时间为如果考虑了金属内电子的衰减，弛豫时间为，在外电场，在外电场的存在下，电子只沿的存在下，电子只沿z z方向运动，则电子的运动方程

11、（方向运动，则电子的运动方程（DrudeDrude方程）为：方程）为： 212)4(menep212)4(menepeVp10)exp(0tiEE)exp(02222tieEdtdmdtdm第6页/共59页 由此可得：由此可得： 代入代入 ，则复数介电常数，则复数介电常数 若忽略衰减，即若忽略衰减，即 时，有：时，有： 根据等离子体理论，产生固体等离子体波应满足根据等离子体理论，产生固体等离子体波应满足Eime1112enpe11111114141)(2222*iimenpe122*1)(p0)(*第7页/共59页3-1-3 金属表面的等离子体振动 上节所述的是金属内部的等离子体振动，即体积等

12、离子体振动上节所述的是金属内部的等离子体振动，即体积等离子体振动（Volume plasma oscillationVolume plasma oscillation）。而在金属表面也存在电荷密度）。而在金属表面也存在电荷密度振动，称为表面等离子体振动，其角频率振动，称为表面等离子体振动，其角频率s s与体积等离子体的不同，与体积等离子体的不同，它们之间存在以下关系：它们之间存在以下关系： 若金属表面覆盖有介电常数为若金属表面覆盖有介电常数为 的薄层，则这种特殊表面的等离子体的薄层，则这种特殊表面的等离子体振动的角频率振动的角频率 msms为：为：2ps1pms第8页/共59页3-1-4 产生

13、表面等离子体共振的方法 表面等离子体振动产生的电荷密度波，沿着金属和电介质的界面传表面等离子体振动产生的电荷密度波，沿着金属和电介质的界面传播，形成表面等离子体波（播，形成表面等离子体波（Surface plasma waveSurface plasma wave，SPWSPW），其场），其场矢量在界面处达到最大，并在两种介质中逐渐衰减。表面等离子体矢量在界面处达到最大，并在两种介质中逐渐衰减。表面等离子体波是波是TMTM极化波，即横波，其磁场矢量与传播方向垂直，与界面平行，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。而电场矢量则垂直于界面。 在半无穷电介质和

14、金属界面处，角频率为在半无穷电介质和金属界面处，角频率为的表面等离子体波的波的表面等离子体波的波矢量为：矢量为： 式中式中c c是真空中的光速，是真空中的光速，m m和和a a分别是金属和电介质的介电常数。分别是金属和电介质的介电常数。表面等离子体波的波矢量是复数，因为金属的介电常数是复数表面等离子体波的波矢量是复数，因为金属的介电常数是复数（m m= =mrmr+i+imimi）。金属的）。金属的mrmr/ /mimi比高，波矢量的实部分可近似比高，波矢量的实部分可近似为：为：amammsspwckamramrmsspwspwckk)Re(第9页/共59页 电磁波在真空中的速度电磁波在真空中

15、的速度c c与在不导电的均匀介质中的速度与在不导电的均匀介质中的速度v v之比称为之比称为电介质的折射率电介质的折射率n n： 在光波的频率下，电介质一般为非磁性的，在光波的频率下，电介质一般为非磁性的， 1 1，有：，有： 则：则： 频率为频率为的通过电介质传递的光的波矢量的通过电介质传递的光的波矢量kaka为：为： vcnn22amramrmsspwnnckaaaaancck第10页/共59页 要使光波和表面等离子体波之间发生共振，必须有：要使光波和表面等离子体波之间发生共振，必须有：aspwkkkkakspwkevkg0kakspw0kev=kgsin0kgkev=kspw 但是，电介质

16、中光的但是，电介质中光的 （kaka）总是在总是在 （kspwkspw）的左边，从不）的左边，从不交叉，即交叉，即 （kspwkspw） （kaka）。）。因此，电介质中的光不能直接激因此，电介质中的光不能直接激发表面等离子体子共振（发表面等离子体子共振（SPRSPR），），必须要设法移动必须要设法移动 （kspwkspw）或）或 （kaka）的色散曲线的位置，使两）的色散曲线的位置，使两者相交。可利用光学耦合器件，者相交。可利用光学耦合器件，如棱镜、光栅以及光学波导器件如棱镜、光栅以及光学波导器件达到这一目的达到这一目的。 第11页/共59页棱镜耦合棱镜耦合 棱镜是棱镜是SPRSPR研究中应

17、用最为广泛的光学耦合器件。棱镜由高折射率的非研究中应用最为广泛的光学耦合器件。棱镜由高折射率的非吸收性的光学材料构成，其底部镀有厚度为吸收性的光学材料构成，其底部镀有厚度为50nm50nm左右的高反射率的金属薄左右的高反射率的金属薄膜（一般为金或银），膜下面是电介质。在膜（一般为金或银），膜下面是电介质。在SPRSPR传感器中，该电介质即为待传感器中，该电介质即为待测样品。由光源发出的测样品。由光源发出的p p- -偏振光以一定的角度偏振光以一定的角度0 0入射到棱镜中，在棱镜与入射到棱镜中，在棱镜与金属的界面处将发生反射和折射。当金属的界面处将发生反射和折射。当0 0大于临界角大于临界角c

18、c时，光线将发生全时，光线将发生全内反射，即全部返回到棱镜中，然后，从棱镜的另一个侧面折射出去。这内反射，即全部返回到棱镜中，然后，从棱镜的另一个侧面折射出去。这里入射光应当用里入射光应当用p p- -偏振光，因为其电场分量与界面垂直，这与表面等离子偏振光，因为其电场分量与界面垂直，这与表面等离子体波的情况一致。体波的情况一致。 第12页/共59页 在全内反射的情况下，电场在金属与棱镜的界面处并不立即消失，在全内反射的情况下，电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波。该消失波沿而是向金属介质中传输振幅呈指数衰减的消失波。该消失波沿X X轴方轴方向传播的与

19、表面平行的波矢分量向传播的与表面平行的波矢分量kevkev为：为： 通过调节通过调节0 或或a a，可使，可使kev=kspwkev=kspw，消失波与表面等离子体波共振，消失波与表面等离子体波共振，即表面等离子体子共振，有：即表面等离子体子共振，有： 由上式可见，若入射光的波长一定，即由上式可见，若入射光的波长一定，即a a一定时，一定时，n ns s改变，则必须改变，则必须改变改变0 0以满足共振条件；若以满足共振条件；若0 0一定时，一定时，n ns s改变，则必须改变改变，则必须改变a a以满以满足共振条件，这可通过改变入射光的波长足共振条件，这可通过改变入射光的波长来实现。此时来实现

20、。此时0 0和和分分别称为共振角和共振波长。别称为共振角和共振波长。00sinsingagevckk220sinsmsmmsganncc第13页/共59页典型的SPR光谱 Wavelength / nm620640660680700720Reflectance0.60.70.80.91.0第14页/共59页目目 录录3-1 表面等离子体共振（SPR）的产生3-1-1 SPR简史3-1-2 金属内部的等离子体振动3-1-3 金属表面的等离子体振动3-1-4 产生表面等离子体共振的方法3-2 SPR传感器的基本概念3-2-1 传感器的基本原理3-2-2 传感器的基本结构3-3 典型的SPR传感器及

21、其应用第15页/共59页3-2-1 传感器的基本原理 表面等离子体子共振的产生与入射光的角度表面等离子体子共振的产生与入射光的角度、波长、波长 、金属薄膜的介电、金属薄膜的介电常数常数 s s及电介质的折射率及电介质的折射率n ns s有关，发生共振时有关，发生共振时和和 分别称为共振角度和分别称为共振角度和共振波长。对于同一种金属薄膜，如果固定共振波长。对于同一种金属薄膜，如果固定，则，则 与与nsns有关；固定有关；固定 ，则则与与nsns有关。有关。 如果将电介质换成待测样品，测出共振时的如果将电介质换成待测样品，测出共振时的或或 ，就可以得到样品的介，就可以得到样品的介电常数电常数 s

22、 s或折射率或折射率n ns s；如果样品的化学或生物性质发生变化，引起；如果样品的化学或生物性质发生变化，引起n ns s的改的改变，则变，则或或 也会发生变化，这样，检测这一变化就可获得样品性质的变也会发生变化，这样，检测这一变化就可获得样品性质的变化。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SPRSPR光谱；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SPRSPR光谱。光谱。SPRSPR光谱的改变反映了体系性质的变化。光谱的改变反映了

23、体系性质的变化。第16页/共59页3-2-2 传感器的基本结构 一般来说，一个一般来说，一个SPR传感器的包括：光学系统、敏感元件、数据采传感器的包括：光学系统、敏感元件、数据采集和处理系统。集和处理系统。 SPR传感器的光学部分包含光源、光学耦合器件、角度（或波长）传感器的光学部分包含光源、光学耦合器件、角度（或波长）调节部件以及光检测器件，用于产生调节部件以及光检测器件，用于产生SPR并检测并检测SPR光谱的变化。光谱的变化。 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，是象的化学

24、或生物信息转换成折射率的变化，是SPR传感器的关键。传感器的关键。从从SPR的原理可知，实际上是样品的折射率的变化引起的原理可知，实际上是样品的折射率的变化引起SPR光谱的光谱的变化。如果金属薄膜未经任何修饰，这样的传感器是没有什么选择变化。如果金属薄膜未经任何修饰，这样的传感器是没有什么选择性的，只能用于一些简单体系的测定，因而一般都要进行修饰，以性的，只能用于一些简单体系的测定，因而一般都要进行修饰，以获得对被测对象的选择性识别能力。获得对被测对象的选择性识别能力。 数据采集和处理系统用于采集和处理光检测器产生的电子信号。现数据采集和处理系统用于采集和处理光检测器产生的电子信号。现在光检测

25、器越来越多地采用阵列检测器，如光电二极管阵列和电荷在光检测器越来越多地采用阵列检测器，如光电二极管阵列和电荷耦合器件，以便同时检测多个角度或波长处的信号变化。数据采集耦合器件，以便同时检测多个角度或波长处的信号变化。数据采集和处理均由计算机完成。和处理均由计算机完成。第17页/共59页4种检测方式种检测方式1.1. 角度调制：固定inin，改变inin2.2. 波长调制：固定inin ，改变inin3.3. 强度调制：固定inin 、inin，改变光强4.4. 相位调制：固定inin 、inin，测相差第18页/共59页 一个一个SPR传感器的主要性能特点，如灵敏度、稳定性、分辨率、选传感器的

26、主要性能特点，如灵敏度、稳定性、分辨率、选择性和响应时间等，取决于其各个组成部分的性能。择性和响应时间等，取决于其各个组成部分的性能。 SPR传感器使用时，一般是先在金属薄膜表面修饰一层敏感物质，传感器使用时，一般是先在金属薄膜表面修饰一层敏感物质，以便与样品中的待测组分选择性地作用。这一相互作用会引起敏感以便与样品中的待测组分选择性地作用。这一相互作用会引起敏感层折射率的改变，导致层折射率的改变，导致SPR信号的变化，从而获得待测样品的化学信号的变化，从而获得待测样品的化学或生物信息。如果不对金属薄膜进行修饰，这样的传感器也可用于或生物信息。如果不对金属薄膜进行修饰，这样的传感器也可用于一些

27、简单体系的检测，如一些浓度随折射率变化的溶液（乙醇、蔗一些简单体系的检测，如一些浓度随折射率变化的溶液（乙醇、蔗糖、葡萄糖等的水溶液）。金和银相对来说比较稳定，且反射率高，糖、葡萄糖等的水溶液）。金和银相对来说比较稳定，且反射率高，是比较常用的两种金属。在生物体系的测量中，常常有氯离子存在，是比较常用的两种金属。在生物体系的测量中，常常有氯离子存在，用银膜不太合适，一般都用金膜。用银膜不太合适，一般都用金膜。第19页/共59页目目 录录3-1 表面等离子体共振（SPR）的产生3-1-1 SPR简史3-1-2 金属内部的等离子体振动3-1-3 金属表面的等离子体振动3-1-4 产生表面等离子体共

28、振的方法3-2 SPR传感器的基本概念3-2-1 传感器的基本原理3-2-2 传感器的基本结构3-3 典型的SPR传感器及其应用第20页/共59页ComputerPrismL C P DG CCDAuBSample inSample outGlass slideAu filmPrism0.1mmL：卤钨灯；：卤钨灯；C：平行光管；：平行光管；P：偏振片；：偏振片；D：光阑；：光阑；G：光栅；：光栅；B：玻片：玻片基于波长调制的SPR传感器装置第21页/共59页Wavelength / nm540560580600620640Reflectance 0.40.50.60.70.80.91.00

29、5X10-3 0.1 0.2 0.25g/mLConcentration of glucose / g/mL0.000.050.100.150.200.250.30Wavelength shift / nm020406080100120葡萄糖溶液的测定葡萄糖溶液的测定SPR光谱（葡萄糖，银膜） 响应曲线（葡萄糖，银膜） 裸金属膜对其表面溶液的折射率变化非常敏感，可用于一些简单样品裸金属膜对其表面溶液的折射率变化非常敏感，可用于一些简单样品的分析，此处用的分析，此处用SPR传感器测定了医用葡萄糖注射液的浓度。该法所传感器测定了医用葡萄糖注射液的浓度。该法所得结果与药典法相符，可用于葡萄糖注射液生

30、产过程的实时在线监测。得结果与药典法相符，可用于葡萄糖注射液生产过程的实时在线监测。第22页/共59页乙肝表面抗原（乙肝表面抗原（HBsAg）的测定）的测定 病毒性肝炎是人群中最常见的传染性疾病之一，对人体健康危害很大。我国是乙型肝炎病毒性肝炎是人群中最常见的传染性疾病之一，对人体健康危害很大。我国是乙型肝炎的高发区，人群总感染率高达的高发区，人群总感染率高达60%，乙型肝炎表面抗原（，乙型肝炎表面抗原（HBsAg）携带者至少有）携带者至少有1.2亿，亿，其中约其中约10%最终转化为各种慢性肝病，包括慢性肝炎、肝硬化甚至肝癌。最终转化为各种慢性肝病，包括慢性肝炎、肝硬化甚至肝癌。 作为乙型肝炎

31、的早期诊断指标之一，作为乙型肝炎的早期诊断指标之一，HBsAg的测定在临床上具有重要意义。目前用到的测定在临床上具有重要意义。目前用到的临床检验方法有：血细胞凝集法（的临床检验方法有：血细胞凝集法（PHA、RPHA）、酶联免疫法（）、酶联免疫法（EIA、ELISA）、）、放射免疫法（放射免疫法（RIA）、全血凝集法、斑点杂交法、聚合酶链反应法（）、全血凝集法、斑点杂交法、聚合酶链反应法（PCR）等等，其中）等等，其中放射免疫法较为灵敏，可检出血清中放射免疫法较为灵敏，可检出血清中0.1ng/mL的的HBsAg，但存在放射性污染的问题。，但存在放射性污染的问题。酶联免疫吸附法（酶联免疫吸附法（E

32、LISA）由于简单、方便、快速，目前是临床诊断中最常用的，其）由于简单、方便、快速，目前是临床诊断中最常用的，其检出限一般为检出限一般为1ng/mL HBsAg。如果能进一步提高灵敏度，对及早发现、诊断和治疗乙。如果能进一步提高灵敏度，对及早发现、诊断和治疗乙型肝炎无疑具有非常重要的意义。型肝炎无疑具有非常重要的意义。第23页/共59页OHC(CH2)3CHOSSNNCH(CH2)3CH NCH(CH2)3CH H(CH2)2OHSSNNCH(CH2)3CHOCH(CH2)3CHOSSNH2NH2SSNH2NH2Metal filmSSNNCH(CH2)3CH NCH(CH2)3CHOanti

33、-HBsAgH2NH2N(CH2)2OH利用胱胺将利用胱胺将HBsAgHBsAg单克隆抗体固定于金膜表面单克隆抗体固定于金膜表面 第24页/共59页以以A A蛋白为连接层固定蛋白为连接层固定HBsAgHBsAg单克隆抗体单克隆抗体M M：金膜，：金膜，G G：玻片，：玻片，AgAg：血清中的：血清中的HBsAgHBsAg，AbAb：HBsAgHBsAg单克隆抗体，单克隆抗体，PAPA：A A蛋白蛋白第25页/共59页Wavelength / nm640650660670680690Reflectance0.50.60.70.80.91.0PBS0.5ng/mL HBsAg5ng/mL HBsA

34、g胱胺固定法中胱胺固定法中HBsAgHBsAg与抗体结合前后的与抗体结合前后的SPRSPR光谱图光谱图 检测限为0.01ng/mL 第26页/共59页固定化固定化DNA单层的电致开关行为研究单层的电致开关行为研究 固定化DNA探针的取向直接影响到固液两相之间的DNA杂交。 固定化DNA易于被电场驱动远离或靠近固体表面，构成一种纳米尺度上的“开关”。 SPR传感技术是一种对金属薄膜表面介质层的折射率变化极为敏感的光学传感技术,非常适合于研究固定化单分子层的性质。然而，如果在SPR传感器中使用经典的三电极体系施加电场，对金膜本身的SPR光谱有较大影响。Knoll et al. Langmuir 2

35、005, 21: 348-353第27页/共59页ComputerPrismL C P DG CCDAuBSample inSample outITO filmGlass slideAu filmPrism1.34mm1.48mmEL：卤钨灯；：卤钨灯；C：平行光管；：平行光管；P：偏振片；：偏振片；D：光阑；：光阑；G：光栅；：光栅；E：直流电源；：直流电源；B：ITO导电玻璃导电玻璃第28页/共59页SSSSAuglassSSSS+ + Au + + Au SSSSconductive layerglassconductive layer+ + + +glassconductive lay

36、er- - - -（A）金膜不带电荷；（）金膜不带电荷；（B）金膜带负电荷；（）金膜带负电荷；（C）金膜带正电荷）金膜带正电荷.A B C金膜表面固定化DNA探针的取向第29页/共59页电场对金膜表面固定化DNA探针的作用 （a）金膜带正电荷；（）金膜带正电荷；（b）断开电路；）断开电路；（c）金膜带负电荷；（）金膜带负电荷；（d）断开电路）断开电路.不同强度的电场对不同强度的电场对DNA探针的作用探针的作用（1）金膜带负电荷；（）金膜带负电荷；（2）金膜带正电荷）金膜带正电荷第30页/共59页（1）金膜带负电荷；（）金膜带负电荷；（2）金膜不带）金膜不带电荷；（电荷；（3）金膜带正电荷）金膜

37、带正电荷.不同强度的电场对固定化不同强度的电场对固定化DNA探针捕获探针捕获cDNA的影响的影响电场对不同浓度电场对不同浓度cDNA杂交的影响杂交的影响E=1.5VCDNA=2.83 nM电场对DNA杂交的作用第31页/共59页表面覆盖率的影响 电场（金膜与电场（金膜与ITO导电玻璃之间电位导电玻璃之间电位差为差为1.5 V）对不同表面覆盖率的）对不同表面覆盖率的DNA探针的作用探针的作用5.87 1012 电场（金膜与电场（金膜与ITO导电玻璃之间的电导电玻璃之间的电位差为位差为1.5 V）对不同表面覆盖率的）对不同表面覆盖率的DNA杂交的影响，杂交的影响，cDNA浓度为浓度为5.65 nm

38、ol/L第32页/共59页 基于基于SiO2包被金膜的纳米金颗粒催化增长增强包被金膜的纳米金颗粒催化增长增强SPR传感器及其传感器及其DNA检测应用检测应用(Biosens. Bioelectron. 2007, 22, 1106-1110)SiO2 AuabNADH+HAuCl4dc(a)生物素化的生物素化的DNA探针；探针；(b)目标目标DNA；(c)巯基巯基DNA修饰的纳米金颗粒；修饰的纳米金颗粒；(d)纳米金颗粒催化增长纳米金颗粒催化增长.SiO2包被金膜的纳米金颗粒催化增长增强SPR传感检测DNA原理示意图第33页/共59页SiO2层对金沉积的阻挡作用层对金沉积的阻挡作用 金膜金膜

39、SiO2包被的金膜包被的金膜 （1）与催化增长试剂反应前；（）与催化增长试剂反应前；（2）与催化增长试剂反应后）与催化增长试剂反应后第34页/共59页SPR传感器: (a)cDNA, (a)单碱基错配DNA, (a)随机DNA；纳米金颗粒增强SPR传感器: (b)cDNA, (b)单碱基错配DNA, (b)随机DNA；纳米金颗粒催化增长增强SPR传感器: (c)cDNA, (c)单碱基错配DNA, (c)随机DNA.不同方法检测不同方法检测DNA的比较的比较(a)cDNA(a)cDNA；(b)(b)单碱基错配DNADNA；(c)(c)随机DNADNA；三种传感器分别为(I)(I)纳米金颗粒催化

40、增长增强SPRSPR传感器；(II)(II)纳米金颗粒增强SPRSPR传感器；(III)SPR(III)SPR传感器. . Concentration of DNA / nM0.010.11Wavelength shift / nm0369a (a)bbcca(b,c)CDNA=3.3nM第35页/共59页Sensors & Actuators 2007, 123, 227-232.(a)金膜；(b)聚电解质自组装多层膜(PAH/PSS)3；(c)亲和素；(d)生物素化的DNA探针；(e)目标DNA；(f)巯基DNA修饰的纳米金颗粒；(g)纳米金颗粒催化增长.N A D H + HAu

41、Cl4gdcbafeWavelength / nm600620640660680700720Reflectance0.20.30.40.50.60.70.80.91.01 7基于聚电解质自组装多层膜修饰金膜的纳米金颗粒催化增长增基于聚电解质自组装多层膜修饰金膜的纳米金颗粒催化增长增强强SPR传感器及其传感器及其DNA检测应用检测应用第36页/共59页聚电解质自组装薄膜对金属沉积的阻挡作用聚电解质自组装薄膜对金属沉积的阻挡作用不同层数的不同层数的(PAH/PSS)修饰的金膜对金属沉积的阻挡作用修饰的金膜对金属沉积的阻挡作用第37页/共59页SPR传感器: (a)cDNA, (a)单碱基错配DNA

42、, (a)随机DNA；纳米金颗粒增强SPR传感器: (b)cDNA, (b)单碱基错配DNA, (b)随机DNA；纳米金颗粒催化增长增强SPR传感器: (c)cDNA, (c)单碱基错配DNA, (c)随机DNA.(a)cDNA；(b)单碱基错配DNA；(c)随机DNA；三种传感器分别为(I)纳米金颗粒催化增长增强SPR传感器；(II)纳米金颗粒增强SPR传感器；(III)SPR传感器. CDNA=3.3nM不同方法检测不同方法检测DNA的比较的比较第38页/共59页（1）氨基修饰的）氨基修饰的DNA探针固定在金膜表面后的探针固定在金膜表面后的SPR光谱；（光谱；（2）与）与33 nmol/L

43、 cDNA杂交之后的杂交之后的SPR光谱；（光谱；（3）再与纳米金颗粒标记的巯基）再与纳米金颗粒标记的巯基DNA反应之后的反应之后的SPR光谱；光谱；（4）在）在Au膜（膜（vs ITO导电玻璃）电位为导电玻璃）电位为-10 V时用时用6 SSC缓冲溶液反复冲洗后的缓冲溶液反复冲洗后的SPR光谱；（光谱；（5）再生处理后的）再生处理后的SPR光谱光谱金膜在金膜带负电的情况下反复冲洗DNA探针纳米金颗粒标记的巯基DNAacDNAababbaaabb ba a再生cDNA: 5 -GGTTGTGAGGCG CTGCCCAAGCGA-3 Analyst 2008, 133（9): 1274 - 12

44、79 基于纳米金颗粒辅助的电洗脱识别单碱基错配基于纳米金颗粒辅助的电洗脱识别单碱基错配DNA第39页/共59页（1）氨基修饰的）氨基修饰的DNA探针固定在金膜表面后的探针固定在金膜表面后的SPR光谱；（光谱；（2）与）与33 nM smDNA1杂杂交之后的交之后的SPR光谱；（光谱；（3）再与纳米金颗粒标记的巯基）再与纳米金颗粒标记的巯基DNA反应之后的反应之后的SPR光谱；（光谱；（4）在在Au膜（膜（vs ITO导电玻璃）电位为导电玻璃）电位为-8 V时用时用6 SSC缓冲溶液反复冲洗后的缓冲溶液反复冲洗后的SPR光谱；光谱；（5）再生处理后的）再生处理后的SPR光谱光谱金膜在金膜带负电的

45、情况下反复冲洗DNA探针纳 米 金 颗粒 标 记 的巯基DNAab再生smDNAababaabbabaasmDNA1: 5 -GGTTGTGAGGCG GTGCCCAAGCGA-3 错配位点在与纳米金颗粒标记的巯基错配位点在与纳米金颗粒标记的巯基DNA相对应部分相对应部分第40页/共59页smDNAababbaabaa金膜在金膜带负电的情况下反复冲洗DNA探针纳 米 金 颗粒 标 记 的巯基DNAab再生smDNA6: 5 -GGTTGTGAGGCC CTGCCCAAGCGA-3 （1）氨基修饰的）氨基修饰的DNA探针固定在金膜表面后的探针固定在金膜表面后的SPR光谱；（光谱；（2）与）与33 nM smDNA1杂杂交之后的交之后的SPR光谱；（光谱；（3）再与纳米金颗粒标记的巯基）再与纳米金颗粒标记的巯基DNA反应之后的反应之后的SPR光谱；（光谱；（4）在在Au膜（膜（vs ITO导电玻璃）电位为导电玻璃）电位为-10 V时用时用6 SSC缓冲溶液反