表面等离子共振技术综述-北京大学单分子与纳米生物学试验室.PDFVIP

表面等离子共振技术综述 刘闯、魏巍、乔艳、苏瑞锐 摘要：SPR 技术作为检测，分析生物分子相互作用的有效工具，有些国家已经生产出成熟的 商业化的 SPR 传感系统。对 SPR 生物传感器的工作原理，应用领域，必威体育精装版进展作出阐述， 并对其在生物分子检测领域的应用和研究发展前景进行了讨论。 引言：表面等离子共振技术（surface plasmon resonance technology, SPR ）是20 世纪 90 年代 发展起来的一种生物分子检测技术，是基于 SPR 检测生物传感芯片（biosensor chip ）上配 位体与分析物作用的一种前沿技术，在 20 世纪初，Wood 观测到连续光谱的偏振光照射金 属光栅时出现了反常的衍射现象，并且对这种现象进行了公开描述。1941 年，Fano 用金属 与空气界面的表面电磁波激发模型对这一现象给出了解释。1957 年，Ritchie 发现，当电子 穿过金属薄片时存在数量消失峰。他将这种消失峰称之为“能量降低的”等离子模式，并指 出了这种模式和薄膜边界的关系，第一次提出了用于描述金属内部电子密度纵向波动的“金 属等离子体”的概念。2 年后，Powell 和 Swan 用实验证实了 Ritche 的理论。随后，Stem 和 Farrell 给出了这种等离子体模式的共振条件，并将其称为“表面等离子共振技术（surface plasmon resonance , SPR ）”。1968 年，Otto 和 Kretschmann 等人研究了金属和介质界面用光 学方式激发 SPR 的问题。并分别设计了两种棱镜耦合方式。此后，SPR 技术获得了长足的 发展。1990 年，国际上第一台商业生产的生物传感器在瑞典的 Biocore 公司诞生。实践证明， SPR 传感器与传统检测手段比较，具有无需对样品进行标记，实时监测，灵敏度高等突出优 点。所以，在医学诊断，生物监测，生物技术，药品研制和食品安全检测等领域有广阔的应 用前景。 基本原理 1 消失波，在波动光学没有发展起来以前，菲涅尔定理很好地描述了光在介质表面的行走 路径。（n1 sin θ1 = n2 sin θ2 ）, 可以看出，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。但以波动光学的角度来重新研究全反射的时候就会发现，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失波。 图 1 消失波的产生原理 图2 消失波在界面的传播 2 表面等离子波; 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，内部不形成空间电荷。如果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。当金属受到电磁干扰的时，金属中的电 子密度分布就会变得不均匀。设想在某一区域电子密度低于平均密度，那么就会形成局部的 正电荷过剩。这时由于库仑引力作用，会把近邻的电子吸引到该区域，而被吸引的电子由于 获得附加的动量，又会使该区域聚集过多的负电荷,然而，由于电子间的排斥作用，使电子 再度离开该区域，从而形成价电子相对于正电荷背景的起伏振荡。由于库仑力的长程作用， 这种局部的电子密度振荡将形成整个电子系统的纵向集体振荡，并以密度起伏的波的形式来 表现。可知，金属中的价电子相当于正离子背景的这种振荡与导电气体中的等离子振荡相似， 故称为金属中的等离子振荡。表面等离子振荡也是如此，我们可以看成其内部也有一定的电 子振荡波的存在。 3 当光线在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会在金属膜中产生消失波，消失波与表 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。因此，可以反射光 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，对应的入射角为共 振角。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 传感系统一般是由光学系统，传统系统 和检测系统这 3 部分组成的。其中，光学系统包括光源和光路，用以产生合乎性能要求的入 射光；传感系统利用上述原理将待测信息转换为敏感膜的折射率的变化，并通过光学耦合转 换为共振角或共振波长的变化；