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1、第三章第三章表面等離子體共振技術表面等離子體共振技術目 錄3-1 表面等離子體共振(SPR)的產生3-1-1 SPR簡史3-1-2 金屬內部的等離子體振動3-1-3 金屬表面的等離子體振動3-1-4 產生表面等離子體共振的方法3-2 SPR傳感器的基本概念3-2-1 傳感器的基本原理3-2-2 傳感器的基本結構3-3 典型的SPR傳感器及其應用3-1-1 SPR簡史簡史F1902年,年,Wood在光學實驗中發現在光學實驗中發現SPR現象現象F1941年,年,Fano解釋了解釋了SPR現象現象F1971年,年,Kretschmann結構為結構為SPR傳感器奠定了基礎傳感器奠定了基礎F1982年,
2、年,Lundstrm將將SPR用于氣體的傳感(第一次)用于氣體的傳感(第一次)F1983年,年,liedberg將將SPR用于用于IgG與其抗原的反應測定與其抗原的反應測定F1987年,年,Knoll等人開始等人開始SPR成像研究成像研究F1990年,年,Biacore AB公司開發出首臺商品化公司開發出首臺商品化SPR儀器儀器 表面等離子體共振(表面等離子體共振(Surface plasmon resonance,SPR),又稱表面等離子體子共振,表面等離激元共振,),又稱表面等離子體子共振,表面等離激元共振,是一種物理光學現象,有關儀器和應用技術已經成為物理是一種物理光學現象,有關儀器和應
3、用技術已經成為物理學、化學和生物學研究的重要工具,。學、化學和生物學研究的重要工具,。 在金屬中,價電子為整個晶體所在金屬中,價電子為整個晶體所共有,形成所謂費米電子氣。價電共有,形成所謂費米電子氣。價電子可在晶體中移動,而金屬離子則子可在晶體中移動,而金屬離子則被束縛于晶格位置上,但總的電子被束縛于晶格位置上,但總的電子密度和離子密度是相同的,從整體密度和離子密度是相同的,從整體來說金屬是電中性的。人們把這種來說金屬是電中性的。人們把這種情況形象地稱為情況形象地稱為“金屬離子浸沒于金屬離子浸沒于電子的海洋中電子的海洋中”。這種情況和氣體。這種情況和氣體放電中的等離子體相似,因此可以放電中的等
4、離子體相似,因此可以把金屬看作是一種電荷密度很高的把金屬看作是一種電荷密度很高的低溫(室溫)等離子體,而氣體放低溫(室溫)等離子體,而氣體放電中的等離子體是一種高溫等離子電中的等離子體是一種高溫等離子體,電荷密度比金屬中的低。體,電荷密度比金屬中的低。金屬板中電子氣的位移 (上)金屬離子(上)金屬離子(+)位于)位于“電子海洋電子海洋”中(灰中(灰色背景),(下)電子集體向右移動色背景),(下)電子集體向右移動五十年代,為了解快速電子穿過金屬箔時的能量損失,人們進行了五十年代,為了解快速電子穿過金屬箔時的能量損失,人們進行了大量的實驗和理論工作。大量的實驗和理論工作。Pine和和Bohm認為,
5、其中能量損失的部分原因認為,其中能量損失的部分原因是激發了金屬箔中電子的等離子體振動(是激發了金屬箔中電子的等離子體振動(Plasma oscillation),又稱為),又稱為等離子體子(等離子體子(plasmon)。)。Ritchie從理論上探討了無限大純凈金屬箔中從理論上探討了無限大純凈金屬箔中由于等離子體振動而導致的電子能量損失,同時也考慮了有限大金屬箔由于等離子體振動而導致的電子能量損失,同時也考慮了有限大金屬箔的情況,指出:不僅等離子體內部存在角頻率為的情況,指出:不僅等離子體內部存在角頻率為p的等離子體振動,而的等離子體振動,而且在等離子體和真空的界面,還存在表面等離子體振動(且
6、在等離子體和真空的界面,還存在表面等離子體振動(Surface plasma oscillation),其角頻率為),其角頻率為 。Powell和和Swan 用高能電子發用高能電子發射法測定了金屬鋁的特征電子能量損失,其實驗結果可用射法測定了金屬鋁的特征電子能量損失,其實驗結果可用Ritchie的理論的理論來解釋。來解釋。Stern和和Ferrell將表面等離子體振動的量子稱為表面等離子體子將表面等離子體振動的量子稱為表面等離子體子(Surface plasmon),研究了金屬表面有覆蓋物時的表面等離子體振動,),研究了金屬表面有覆蓋物時的表面等離子體振動,發現金屬表面很薄的氧化物層也會引起這
7、種振動的明顯改變。他們還預發現金屬表面很薄的氧化物層也會引起這種振動的明顯改變。他們還預言:由于表面等離子體振動對表面涂層的敏感,那么通過選擇合適的涂言:由于表面等離子體振動對表面涂層的敏感,那么通過選擇合適的涂層,表面特征能量損失的值會在一定范圍內發生變化。層,表面特征能量損失的值會在一定范圍內發生變化。2/p除電子以外,用電磁波,如光波,也能激發表面等離子體振動。二除電子以外,用電磁波,如光波,也能激發表面等離子體振動。二十世紀初,十世紀初,Wood 首次描述了衍射光柵的反常衍射現象,這實際上就是首次描述了衍射光柵的反常衍射現象,這實際上就是由于光波激發了表面等離子體振動所致。六十年代晚期
8、,由于光波激發了表面等離子體振動所致。六十年代晚期,Kretschmann 和和Otto采用棱鏡耦合的全內反射方法,實現了用光波激發表面等離子體采用棱鏡耦合的全內反射方法,實現了用光波激發表面等離子體振動,為振動,為SPR技術的應用起了巨大的推動作用。他們的實驗方法簡單而技術的應用起了巨大的推動作用。他們的實驗方法簡單而巧妙,仍然是目前巧妙,仍然是目前SPR裝置上應用最為廣泛的技術。裝置上應用最為廣泛的技術。(A) Kretschman (B) OttoPrism gMetal mSample s0kevkspxzPrism gSample sMetal m0kevksp3-1-2 金屬內部的
9、等離子體振動金屬內部的等離子體振動 因為金屬中的價電子可以自由移動,入射光可能激起電子氣的縱向振動。因為金屬中的價電子可以自由移動,入射光可能激起電子氣的縱向振動。如果由于入射電子的作用,金屬中電子向右移動了一段距離如果由于入射電子的作用,金屬中電子向右移動了一段距離 ,因此在右邊,因此在右邊就有了電子堆積。設就有了電子堆積。設n ne e為電子密度,右邊出現的面電荷密度為為電子密度,右邊出現的面電荷密度為-n-ne ee e ,左邊,左邊的面電荷密度為的面電荷密度為+ +n ne ee e ,則金屬的極化強度,則金屬的極化強度p p為:為:由極化產生的電場由極化產生的電場EpEp為為: :在
10、這個電場的作用下,電子有向左移的傾向,于是產生了振動。如果不考在這個電場的作用下,電子有向左移的傾向,于是產生了振動。如果不考慮振動能量的衰減,單位體積內的電子氣的振動方程式為:慮振動能量的衰減,單位體積內的電子氣的振動方程式為: 式中式中m m為電子的質量,為電子的質量,e e為電子的電荷量,為電子的電荷量, p p為無衰減時的等離子體振動的為無衰減時的等離子體振動的角頻率,則角頻率,則 enpeenpEep4422224eneEndtdmnepee0222pdtd或或等離子體子(等離子體子(plasmonplasmon,又稱等離激元)的量子能量為:,又稱等離激元)的量子能量為:對金屬來說,
11、對金屬來說,n ne e10102323/cm/cm3 3,將此值代入式(,將此值代入式(5-65-6),可得金屬中等離子),可得金屬中等離子體子的量子能量約為:體子的量子能量約為:如果考慮了金屬內電子的衰減,弛豫時間為如果考慮了金屬內電子的衰減,弛豫時間為,在外電場,在外電場的存在下,電子只沿的存在下,電子只沿z z方向運動,則電子的運動方程(方向運動,則電子的運動方程(DrudeDrude方程)為:方程)為: 212)4(menep212)4(menepeVp10)exp(0tiEE)exp(02222tieEdtdmdtdm由此可得:由此可得: 代入代入 ,則復數介電常數,則復數介電常數
12、若忽略衰減,即若忽略衰減,即 時,有:時,有:根據等離子體理論,產生固體等離子體波應滿足根據等離子體理論,產生固體等離子體波應滿足Eime1112enpe11111114141)(2222*iimenpe122*1)(p0)(*3-1-3 金屬表面的等離子體振動金屬表面的等離子體振動 上節所述的是金屬內部的等離子體振動,即體積等離子體振動(上節所述的是金屬內部的等離子體振動,即體積等離子體振動(Volume Volume plasma oscillationplasma oscillation)。而在金屬表面也存在電荷密度振動,稱為表面)。而在金屬表面也存在電荷密度振動,稱為表面等離子體振動,
13、其角頻率等離子體振動,其角頻率s s與體積等離子體的不同,它們之間存在以下與體積等離子體的不同,它們之間存在以下關系:關系:若金屬表面覆蓋有介電常數為若金屬表面覆蓋有介電常數為 的薄層,則這種特殊表面的等離子體振的薄層,則這種特殊表面的等離子體振動的角頻率動的角頻率 msms為:為:2ps1pms3-1-4 產生表面等離子體共振的方法產生表面等離子體共振的方法表面等離子體振動產生的電荷密度波,沿著金屬和電介質的界面傳播,表面等離子體振動產生的電荷密度波,沿著金屬和電介質的界面傳播,形成表面等離子體波(形成表面等離子體波(Surface plasma waveSurface plasma wav
14、e,SPWSPW),其場矢量在界面),其場矢量在界面處達到最大,并在兩種介質中逐漸衰減。表面等離子體波是處達到最大,并在兩種介質中逐漸衰減。表面等離子體波是TMTM極化波,極化波,即橫波,其磁場矢量與傳播方向垂直,與界面平行,而電場矢量則垂直即橫波,其磁場矢量與傳播方向垂直,與界面平行,而電場矢量則垂直于界面。于界面。 在半無窮電介質和金屬界面處,角頻率為在半無窮電介質和金屬界面處,角頻率為的表面等離子體波的波矢量的表面等離子體波的波矢量為:為: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分別是金屬和電介質的介電常數。表面分別是金屬和電介質的介電常數。表面等離子體波的波矢量是
15、復數,因為金屬的介電常數是復數等離子體波的波矢量是復數,因為金屬的介電常數是復數(m m=mrmr+i+imimi)。金屬的)。金屬的mrmr/ /mimi比高,波矢量的實部分可近似為:比高,波矢量的實部分可近似為:amammsspwckamramrmsspwspwckk)Re(電磁波在真空中的速度電磁波在真空中的速度c c與在不導電的均勻介質中的速度與在不導電的均勻介質中的速度v v之比稱為電介之比稱為電介質的折射率質的折射率n n:在光波的頻率下,電介質一般為非磁性的,在光波的頻率下,電介質一般為非磁性的, 1 1,有:,有:則:則:頻率為頻率為的通過電介質傳遞的光的波矢量的通過電介質傳遞
16、的光的波矢量kaka為:為: vcnn22amramrmsspwnnckaaaaancck要使光波和表面等離子體波之間發生共振,必須有:要使光波和表面等離子體波之間發生共振,必須有:aspwkkkkakspwkevkg0kakspw0kev=kgsin0kgkev=kspw 但是,電介質中光的但是,電介質中光的 (kaka)總是在總是在 (kspwkspw)的左邊,從不)的左邊,從不交叉,即交叉,即 (kspwkspw) (kaka)。)。因此,電介質中的光不能直接激因此,電介質中的光不能直接激發表面等離子體子共振(發表面等離子體子共振(SPRSPR),),必須要設法移動必須要設法移動 (ks
17、pwkspw)或)或 (kaka)的色散曲線的位置,使兩)的色散曲線的位置,使兩者相交??衫霉鈱W耦合器件,者相交??衫霉鈱W耦合器件,如棱鏡、光柵以及光學波導器件如棱鏡、光柵以及光學波導器件達到這一目的達到這一目的。 棱鏡耦合 棱鏡是棱鏡是SPRSPR研究中應用最為廣泛的光學耦合器件。棱鏡由高折射率的非研究中應用最為廣泛的光學耦合器件。棱鏡由高折射率的非吸收性的光學材料構成,其底部鍍有厚度為吸收性的光學材料構成,其底部鍍有厚度為50nm50nm左右的高反射率的金屬薄左右的高反射率的金屬薄膜(一般為金或銀),膜下面是電介質。在膜(一般為金或銀),膜下面是電介質。在SPRSPR傳感器中,該電介質
18、即為待傳感器中,該電介質即為待測樣品。由光源發出的測樣品。由光源發出的p p- -偏振光以一定的角度偏振光以一定的角度0 0入射到棱鏡中,在棱鏡與入射到棱鏡中,在棱鏡與金屬的界面處將發生反射和折射。當金屬的界面處將發生反射和折射。當0 0大于臨界角大于臨界角c c時,光線將發生全時,光線將發生全內反射,即全部返回到棱鏡中,然后,從棱鏡的另一個側面折射出去。這內反射,即全部返回到棱鏡中,然后,從棱鏡的另一個側面折射出去。這里入射光應當用里入射光應當用p p- -偏振光,因為其電場分量與界面垂直,這與表面等離子偏振光,因為其電場分量與界面垂直,這與表面等離子體波的情況一致。體波的情況一致。 在全內
19、反射的情況下,電場在金屬與棱鏡的界面處并不立即消失,而是在全內反射的情況下,電場在金屬與棱鏡的界面處并不立即消失,而是向金屬介質中傳輸振幅呈指數衰減的消失波。該消失波沿向金屬介質中傳輸振幅呈指數衰減的消失波。該消失波沿X X軸方向傳播軸方向傳播的與表面平行的波矢分量的與表面平行的波矢分量kevkev為:為:通過調節通過調節0 或或a a,可使,可使kev=kspwkev=kspw,消失波與表面等離子體波共振,即,消失波與表面等離子體波共振,即表面等離子體子共振,有:表面等離子體子共振,有:由上式可見,若入射光的波長一定,即由上式可見,若入射光的波長一定,即a a一定時,一定時,n ns s改變
20、,則必須改變改變,則必須改變0 0以滿足共振條件;若以滿足共振條件;若0 0一定時,一定時,n ns s改變,則必須改變改變,則必須改變a a以滿足共振條以滿足共振條件,這可通過改變入射光的波長件,這可通過改變入射光的波長來實現。此時來實現。此時0 0和和分別稱為共振角分別稱為共振角和共振波長。和共振波長。00sinsingagevckk220sinsmsmmsganncc典型的SPR光譜 Wavelength / nm620640660680700720Reflectance0.60.70.80.91.0目 錄3-1 表面等離子體共振(SPR)的產生3-1-1 SPR簡史3-1-2 金屬內部
21、的等離子體振動3-1-3 金屬表面的等離子體振動3-1-4 產生表面等離子體共振的方法3-2 SPR傳感器的基本概念3-2-1 傳感器的基本原理3-2-2 傳感器的基本結構3-3 典型的SPR傳感器及其應用3-2-1 傳感器的基本原理傳感器的基本原理表面等離子體子共振的產生與入射光的角度表面等離子體子共振的產生與入射光的角度、波長、波長 、金、金屬薄膜的介電常數屬薄膜的介電常數 s s及電介質的折射率及電介質的折射率n ns s有關,發生共振時有關,發生共振時和和 分別稱為共振角度和共振波長。對于同一種金屬薄膜,分別稱為共振角度和共振波長。對于同一種金屬薄膜,如果固定如果固定,則,則 與與ns
22、ns有關;固定有關;固定 ,則,則與與nsns有關。有關。如果將電介質換成待測樣品,測出共振時的如果將電介質換成待測樣品,測出共振時的或或 ,就可以,就可以得到樣品的介電常數得到樣品的介電常數 s s或折射率或折射率n ns s;如果樣品的化學或生物;如果樣品的化學或生物性質發生變化,引起性質發生變化,引起n ns s的改變,則的改變,則或或 也會發生變化,這也會發生變化,這樣,檢測這一變化就可獲得樣品性質的變化。樣,檢測這一變化就可獲得樣品性質的變化。固定入射光的波長,改變入射角,可得到角度隨反射率變化固定入射光的波長,改變入射角,可得到角度隨反射率變化的的SPRSPR光譜;同樣地,固定入射
23、光的角度,改變波長,可得光譜;同樣地,固定入射光的角度,改變波長,可得到波長隨反射率變化的到波長隨反射率變化的SPRSPR光譜。光譜。SPRSPR光譜的改變反映了體系光譜的改變反映了體系性質的變化。性質的變化。3-2-2 傳感器的基本結構傳感器的基本結構一般來說,一個一般來說,一個SPR傳感器的包括:光學系統、敏感元件、數據采集和傳感器的包括:光學系統、敏感元件、數據采集和處理系統。處理系統。SPR傳感器的光學部分包含光源、光學耦合器件、角度(或波長)調節傳感器的光學部分包含光源、光學耦合器件、角度(或波長)調節部件以及光檢測器件,用于產生部件以及光檢測器件,用于產生SPR并檢測并檢測SPR光
24、譜的變化。光譜的變化。敏感元件主要指金屬薄膜及其表面修飾的敏感物質,用于將待測對象的敏感元件主要指金屬薄膜及其表面修飾的敏感物質,用于將待測對象的化學或生物信息轉換成折射率的變化,是化學或生物信息轉換成折射率的變化,是SPR傳感器的關鍵。從傳感器的關鍵。從SPR的的原理可知,實際上是樣品的折射率的變化引起原理可知,實際上是樣品的折射率的變化引起SPR光譜的變化。如果金光譜的變化。如果金屬薄膜未經任何修飾,這樣的傳感器是沒有什么選擇性的,只能用于一屬薄膜未經任何修飾,這樣的傳感器是沒有什么選擇性的,只能用于一些簡單體系的測定,因而一般都要進行修飾,以獲得對被測對象的選擇些簡單體系的測定,因而一般
25、都要進行修飾,以獲得對被測對象的選擇性識別能力。性識別能力。數據采集和處理系統用于采集和處理光檢測器產生的電子信號?,F在光數據采集和處理系統用于采集和處理光檢測器產生的電子信號?,F在光檢測器越來越多地采用陣列檢測器,如光電二極管陣列和電荷耦合器件,檢測器越來越多地采用陣列檢測器,如光電二極管陣列和電荷耦合器件,以便同時檢測多個角度或波長處的信號變化。數據采集和處理均由計算以便同時檢測多個角度或波長處的信號變化。數據采集和處理均由計算機完成。機完成。4種檢測方式種檢測方式1.1.角度調制:固定角度調制:固定inin,改變,改變inin2.2.波長調制:波長調制:固定固定inin ,改變,改變in
26、in3.3.強度調制:強度調制:固定固定inin 、inin,改變光強,改變光強4.4.相位調制:相位調制:固定固定inin 、inin,測相差,測相差一個一個SPR傳感器的主要性能特點,如靈敏度、穩定性、分辨率、選擇性傳感器的主要性能特點,如靈敏度、穩定性、分辨率、選擇性和響應時間等,取決于其各個組成部分的性能。和響應時間等,取決于其各個組成部分的性能。SPR傳感器使用時,一般是先在金屬薄膜表面修飾一層敏感物質,以便傳感器使用時,一般是先在金屬薄膜表面修飾一層敏感物質,以便與樣品中的待測組分選擇性地作用。這一相互作用會引起敏感層折射率與樣品中的待測組分選擇性地作用。這一相互作用會引起敏感層折
27、射率的改變,導致的改變,導致SPR信號的變化,從而獲得待測樣品的化學或生物信息。信號的變化,從而獲得待測樣品的化學或生物信息。如果不對金屬薄膜進行修飾,這樣的傳感器也可用于一些簡單體系的檢如果不對金屬薄膜進行修飾,這樣的傳感器也可用于一些簡單體系的檢測,如一些濃度隨折射率變化的溶液(乙醇、蔗糖、葡萄糖等的水溶測,如一些濃度隨折射率變化的溶液(乙醇、蔗糖、葡萄糖等的水溶液)。金和銀相對來說比較穩定,且反射率高,是比較常用的兩種金屬。液)。金和銀相對來說比較穩定,且反射率高,是比較常用的兩種金屬。在生物體系的測量中,常常有氯離子存在,用銀膜不太合適,一般都用在生物體系的測量中,常常有氯離子存在,用
28、銀膜不太合適,一般都用金膜。金膜。目 錄3-1 表面等離子體共振(SPR)的產生3-1-1 SPR簡史3-1-2 金屬內部的等離子體振動3-1-3 金屬表面的等離子體振動3-1-4 產生表面等離子體共振的方法3-2 SPR傳感器的基本概念3-2-1 傳感器的基本原理3-2-2 傳感器的基本結構3-3 典型的SPR傳感器及其應用ComputerPrismL C P DG CCDAuBSample inSample outGlass slideAu filmPrism0.1mmL:鹵鎢燈;:鹵鎢燈;C:平行光管;:平行光管;P:偏振片;:偏振片;D:光闌;:光闌;G:光柵;:光柵;B:玻片:玻片基
29、于波長調制的基于波長調制的SPR傳感器裝置傳感器裝置Wavelength / nm540560580600620640Reflectance 0.40.50.60.70.80.91.00 5X10-3 0.1 0.2 0.25g/mLConcentration of glucose / g/mL0.000.050.100.150.200.250.30Wavelength shift / nm020406080100120葡萄糖溶液的測定葡萄糖溶液的測定SPR光譜(葡萄糖,銀膜)光譜(葡萄糖,銀膜) 響應曲線(葡萄糖,銀膜)響應曲線(葡萄糖,銀膜) 裸金屬膜對其表面溶液的折射率變化非常敏感,可用
30、于一些簡單樣品裸金屬膜對其表面溶液的折射率變化非常敏感,可用于一些簡單樣品的分析,此處用的分析,此處用SPR傳感器測定了醫用葡萄糖注射液的濃度。該法所傳感器測定了醫用葡萄糖注射液的濃度。該法所得結果與藥典法相符,可用于葡萄糖注射液生產過程的實時在線監測。得結果與藥典法相符,可用于葡萄糖注射液生產過程的實時在線監測。乙肝表面抗原(乙肝表面抗原(HBsAg)的測定)的測定 病毒性肝炎是人群中最常見的傳染性疾病之一,對人體健康危害很大。病毒性肝炎是人群中最常見的傳染性疾病之一,對人體健康危害很大。我國是乙型肝炎的高發區,人群總感染率高達我國是乙型肝炎的高發區,人群總感染率高達60%,乙型肝炎表面抗原
31、,乙型肝炎表面抗原(HBsAg)攜帶者至少有)攜帶者至少有1.2億,其中約億,其中約10%最終轉化為各種慢性肝病,最終轉化為各種慢性肝病,包括慢性肝炎、肝硬化甚至肝癌。包括慢性肝炎、肝硬化甚至肝癌。作為乙型肝炎的早期診斷指標之一,作為乙型肝炎的早期診斷指標之一,HBsAg的測定在臨床上具有重要意的測定在臨床上具有重要意義。目前用到的臨床檢驗方法有:血細胞凝集法(義。目前用到的臨床檢驗方法有:血細胞凝集法(PHA、RPHA)、酶)、酶聯免疫法(聯免疫法(EIA、ELISA)、放射免疫法()、放射免疫法(RIA)、全血凝集法、斑點)、全血凝集法、斑點雜交法、聚合酶鏈反應法(雜交法、聚合酶鏈反應法(
32、PCR)等等,其中放射免疫法較為靈敏,可)等等,其中放射免疫法較為靈敏,可檢出血清中檢出血清中0.1ng/mL的的HBsAg,但存在放射性污染的問題。酶聯免疫吸,但存在放射性污染的問題。酶聯免疫吸附法(附法(ELISA)由于簡單、方便、快速,目前是臨床診斷中最常用的,)由于簡單、方便、快速,目前是臨床診斷中最常用的,其檢出限一般為其檢出限一般為1ng/mL HBsAg。如果能進一步提高靈敏度,對及早發。如果能進一步提高靈敏度,對及早發現、診斷和治療乙型肝炎無疑具有非常重要的意義?,F、診斷和治療乙型肝炎無疑具有非常重要的意義。OHC(CH2)3CHOSSNNCH(CH2)3CH NCH(CH2)
33、3CH H(CH2)2OHSSNNCH(CH2)3CHOCH(CH2)3CHOSSNH2NH2SSNH2NH2Metal filmSSNNCH(CH2)3CH NCH(CH2)3CHOanti-HBsAgH2NH2N(CH2)2OH利用胱胺將利用胱胺將HBsAgHBsAg單克隆抗體固定于金膜表面單克隆抗體固定于金膜表面 以以A A蛋白為連接層固定蛋白為連接層固定HBsAgHBsAg單克隆抗體單克隆抗體M M:金膜,:金膜,G G:玻片,:玻片,AgAg:血清中的:血清中的HBsAgHBsAg,AbAb:HBsAgHBsAg單克隆抗體,單克隆抗體,PAPA:A A蛋白蛋白Wavelength /
34、 nm640650660670680690Reflectance0.50.60.70.80.91.0PBS0.5ng/mL HBsAg5ng/mL HBsAg胱胺固定法中胱胺固定法中HBsAgHBsAg與抗體結合前后的與抗體結合前后的SPRSPR光譜圖光譜圖 檢測限為檢測限為0.01ng/mL 固定化固定化DNA單層的電致開關行為研究單層的電致開關行為研究 固定化DNA探針的取向直接影響到固液兩相之間的DNA雜交。 固定化DNA易于被電場驅動遠離或靠近固體表面,構成一種納米尺度上的“開關”。 SPR傳感技術是一種對金屬薄膜表面介質層的折射率變化極為敏感的光學傳感技術,非常適合于研究固定化單分子
35、層的性質。然而,如果在SPR傳感器中使用經典的三電極體系施加電場,對金膜本身的SPR光譜有較大影響。Knoll et al. Langmuir 2005, 21: 348-353ComputerPrismL C P DG CCDAuBSample inSample outITO filmGlass slideAu filmPrism1.34mm1.48mmEL:鹵鎢燈;:鹵鎢燈;C:平行光管;:平行光管;P:偏振片;:偏振片;D:光闌;:光闌;G:光柵;:光柵;E:直流電源;:直流電源;B:ITO導電玻璃導電玻璃SSSSAuglassSSSS+ + Au + + Au SSSSconducti
36、ve layerglassconductive layer+ + + +glassconductive layer- - - -(A)金膜不帶電荷;()金膜不帶電荷;(B)金膜帶負電荷;()金膜帶負電荷;(C)金膜帶正電荷)金膜帶正電荷.A B C金膜表面固定化金膜表面固定化DNA探針的取向探針的取向電場對金膜表面固定化電場對金膜表面固定化DNA探針的作用探針的作用 (a)金膜帶正電荷;()金膜帶正電荷;(b)斷開電路;)斷開電路;(c)金膜帶負電荷;()金膜帶負電荷;(d)斷開電路)斷開電路.不同強度的電場對不同強度的電場對DNA探針的作用探針的作用電場在電場在-1.5V與與1.5 V間切換
37、間切換(1)金膜帶負電荷;()金膜帶負電荷;(2)金膜帶正電荷)金膜帶正電荷(1)金膜帶負電荷;()金膜帶負電荷;(2)金膜不帶)金膜不帶電荷;(電荷;(3)金膜帶正電荷)金膜帶正電荷.不同強度的電場對固定化不同強度的電場對固定化DNA探針捕獲探針捕獲cDNA的影響的影響電場對不同濃度電場對不同濃度cDNA雜交的影響雜交的影響E=1.5VCDNA=2.83 nM電場對電場對DNA雜交的作用雜交的作用表面覆蓋率的影響表面覆蓋率的影響 電場(金膜與電場(金膜與ITO導電玻璃之間電位導電玻璃之間電位差為差為1.5 V)對不同表面覆蓋率的)對不同表面覆蓋率的DNA探針的作用探針的作用5.87 1012
38、 電場(金膜與電場(金膜與ITO導電玻璃之間的電導電玻璃之間的電位差為位差為1.5 V)對)對不同表面覆蓋率不同表面覆蓋率的的DNA雜交的雜交的影響,影響,cDNA濃度為濃度為5.65 nmol/L 基于基于SiO2包被金膜的納米金顆粒催化增長增強包被金膜的納米金顆粒催化增長增強SPR傳感器及其傳感器及其DNA檢測應用檢測應用(Biosens. Bioelectron. 2007, 22, 1106-1110)SiO2 AuabNADH+HAuCl4dc(a)生物素化的生物素化的DNA探針;探針;(b)目標目標DNA;(c)巰基巰基DNA修飾的納米金顆粒;修飾的納米金顆粒;(d)納米金顆粒催化
39、增長納米金顆粒催化增長.SiO2包被金膜的納米金顆粒催化增長增強包被金膜的納米金顆粒催化增長增強SPR傳感檢測傳感檢測DNA原理示意圖原理示意圖SiO2層對金沉積的阻擋作用層對金沉積的阻擋作用 金膜金膜 SiO2包被的金膜包被的金膜 (1)與催化增長試劑反應前;()與催化增長試劑反應前;(2)與催化增長試劑反應后)與催化增長試劑反應后SPR傳感器傳感器: (a)cDNA, (a)單堿基錯配單堿基錯配DNA, (a)隨機隨機DNA;納米金顆粒增;納米金顆粒增強強SPR傳感器傳感器: (b)cDNA, (b)單堿基錯單堿基錯配配DNA, (b)隨機隨機DNA;納米金顆粒;納米金顆粒催化增長增強催化
40、增長增強SPR傳感器傳感器: (c)cDNA, (c)單堿基錯配單堿基錯配DNA, (c)隨機隨機DNA.不同方法檢測不同方法檢測DNA的比較的比較(a)cDNA(a)cDNA;(b)(b)單堿基錯配單堿基錯配DNADNA;(c)(c)隨機隨機DNADNA;三種傳感器分別為;三種傳感器分別為(I)(I)納米金顆粒催化增長增強納米金顆粒催化增長增強SPRSPR傳感器;傳感器;(II)(II)納米金顆粒增強納米金顆粒增強SPRSPR傳感器;傳感器;(III)SPR(III)SPR傳感器傳感器. . Concentration of DNA / nM0.010.11Wavelength shift
41、/ nm0369a (a)bbcca(b,c)CDNA=3.3nMSensors & Actuators 2007, 123, 227-232.(a)金膜;金膜;(b)聚電解質自組裝多層膜聚電解質自組裝多層膜(PAH/PSS)3;(c)親和素;親和素;(d)生物素化的生物素化的DNA探針;探針;(e)目標目標DNA;(f)巰基巰基DNA修飾的納米金顆粒;修飾的納米金顆粒;(g)納米金顆粒催化增長納米金顆粒催化增長.N A D H + HAuCl4gdcbafeWavelength / nm600620640660680700720Reflectance0.20.30.40.50.60.
42、70.80.91.01 7基于聚電解質自組裝多層膜修飾金膜的納米金顆粒催化增長增基于聚電解質自組裝多層膜修飾金膜的納米金顆粒催化增長增強強SPR傳感器及其傳感器及其DNA檢測應用檢測應用聚電解質自組裝薄膜對金屬沉積的阻擋作用聚電解質自組裝薄膜對金屬沉積的阻擋作用不同層數的不同層數的(PAH/PSS)修飾的金膜對金屬沉積的阻擋作用修飾的金膜對金屬沉積的阻擋作用SPR傳感器傳感器: (a)cDNA, (a)單堿基錯配單堿基錯配DNA, (a)隨機隨機DNA;納米金顆粒增強;納米金顆粒增強SPR傳感器傳感器: (b)cDNA, (b)單堿基錯配單堿基錯配DNA, (b)隨機隨機DNA;納米金顆粒催化
43、增;納米金顆粒催化增長增強長增強SPR傳感器傳感器: (c)cDNA, (c)單堿基錯單堿基錯配配DNA, (c)隨機隨機DNA.(a)cDNA;(b)單堿基錯配單堿基錯配DNA;(c)隨機隨機DNA;三種傳感器分別為;三種傳感器分別為(I)納納米金顆粒催化增長增強米金顆粒催化增長增強SPR傳感器;傳感器;(II)納米金顆粒增強納米金顆粒增強SPR傳感器;傳感器;(III)SPR傳感器傳感器. CDNA=3.3nM不同方法檢測不同方法檢測DNA的比較的比較(1)氨基修飾的)氨基修飾的DNA探針固定在金膜表面后的探針固定在金膜表面后的SPR光譜;(光譜;(2)與)與33 nmol/L cDNA雜
44、交之后的雜交之后的SPR光譜;(光譜;(3)再與納米金顆粒標記的巰基)再與納米金顆粒標記的巰基DNA反應之后的反應之后的SPR光譜;光譜;(4)在)在Au膜(膜(vs ITO導電玻璃)電位為導電玻璃)電位為-10 V時用時用6 SSC緩沖溶液反復沖洗后的緩沖溶液反復沖洗后的SPR光譜;(光譜;(5)再生處理后的)再生處理后的SPR光譜光譜金膜在金膜帶負電的情況下反復沖洗DNA探針納米金顆粒標記的巰基DNAacDNAababbaaabb ba a再生cDNA: 5 -GGTTGTGAGGCG CTGCCCAAGCGA-3 Analyst 2008, 133(9): 1274 - 1279 基于納
45、米金顆粒輔助的電洗脫識別單堿基錯配基于納米金顆粒輔助的電洗脫識別單堿基錯配DNA(1)氨基修飾的)氨基修飾的DNA探針固定在金膜表面后的探針固定在金膜表面后的SPR光譜;(光譜;(2)與)與33 nM smDNA1雜雜交之后的交之后的SPR光譜;(光譜;(3)再與納米金顆粒標記的巰基)再與納米金顆粒標記的巰基DNA反應之后的反應之后的SPR光譜;(光譜;(4)在在Au膜(膜(vs ITO導電玻璃)電位為導電玻璃)電位為-8 V時用時用6 SSC緩沖溶液反復沖洗后的緩沖溶液反復沖洗后的SPR光譜;光譜;(5)再生處理后的)再生處理后的SPR光譜光譜金膜在金膜帶負電的情況下反復沖洗DNA探針納 米 金 顆粒 標 記 的巰基DNAab再生smDNAababaabbabaasmDNA1: 5 -GGTTGTGAGGCG GTGCCCAAGCGA-3 錯配位點在與納米金顆粒標記的巰基錯配位點在與納米金顆粒標記的巰基DNA相對應部分相對應部分smDNAababbaabaa金膜在金膜帶負電的情況下反復沖洗DNA探針納 米 金 顆粒 標 記 的巰基DNAab再生smDNA6: 5 -GGTTGTGAGGCC CTGCCCAAG
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