化学应用
待测分子与被敏感膜有选择 性地化学吸附或与敏感膜中 的特定分子发生化学反应
引起敏感膜的光学属性 (主要是折射率)的变化
表面等离子共振条件的变化
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
生物学检测领域 药物领域 食品工业及环境监测领域 蛋白质组学领域 临床诊断领域 遗传分析领域
3.SPR光学原理
当消逝波与表面等离子波发生共振时，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
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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
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 2000 Dimensions: 760 x 350 x 610 mm Net Weight: 50 kg
Spreeta 2000
Spreeta 传感器 和SPR分析系统示意图
Biosensing Instrument(生物传感仪 器)公司
表面等离子共振技术
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公司开发出首台商品化SPR仪器
生物学应用
蛋白质组学
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
生物学检测领域 药物领域 食品工业及环境监测领域 蛋白质组学领域 临床诊断领域
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。
联用
MALDI-TOF质谱法结合
“二维”
分析
SPR—可对相互作用进行定量
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
结合位点 和反应物
浓度
蛋白质蛋白质
核酸-核 酸
药物-蛋 白质
蛋白质核酸
展望未来
涉及的研究领域包括
免疫识别 信号传导 药物筛选 抗体定性 蛋白质构象变化
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
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
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
Advantages Disadvantages Future Development
Examples
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
4 为500nm
恒定入射角度, 反射系数与波长关系 入射角度: 1 为80Ü, 2 为70Ü, 3 为72Ü, 4 为6815Ü,5 为6515Ü
金属膜厚度对SPR 谱的影响
λ= 63218nm 介质为水( n = 1.333) 棱镜折射率为1.515
50nm
传感芯片——分子敏感膜
成膜方法： 1. 金属膜直接吸附法 2. 共价连接法（生物素-亲和素、葡聚糖
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
光源
He2Ne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、Cu
Ag、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,
生物学应用
临床诊断
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
系统性红斑狼疮（SLE）患者血浆中含 有C4bBP
它与PS结合并阻断PS的抗凝血作用
SLE患者常伴有血栓发生
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出 这些生化作用催化剂的拮抗物，应用于 癌症的治疗。
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。
传感芯片——光波导耦合器件
Krestschmann棱 镜型
Otto棱镜型
光纤在线传输式
光栅型
光纤终端反射式
金属膜 分子敏感膜
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
生物学应用
生物学检测领域
生物学应用
生物学检测
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
生物学检测领域 药物领域 食品工业及环境监测领域
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
食品工业及环境监测领域
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
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
生物学检测领域 药物领域 食品工业及环境监测领域 蛋白质组学领域
SPR的响应模式
n1 sinθ1 = n2 sinθ2 因为 sinθ2 = 1 所以 sinθ1 = 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，在样品 中加入过量对 应大分子。
SPR仪的结构及工作原理
生物学应用
生物学检测领域 药物领域 食品工业及环境监测领域 蛋白质组学领域 临床诊断领域 遗传分析领域