1、表面等離子共振技術(shù)05醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)馬吟醒 朱倩 薛夏沫 黃辰簡(jiǎn)介表面等離子共振技術(shù)(Surface Plasmon Resonance technology，SPR)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的，應(yīng)用SPR原理檢測(cè)生物傳感芯片(biosensor chip)上配位體與分析物作用的一種新技術(shù)。發(fā)展簡(jiǎn)史1902年，Wood在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)SPR現(xiàn)象1941年，F(xiàn)ano解釋了SPR現(xiàn)象1971年，Kretschmann為SPR傳感器結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)1983年，Liedberg將SPR用于IgG與其抗原的反應(yīng)測(cè)定1987年，Knoll等人開(kāi)始SPR成像研究1990年，Biacore AB公司開(kāi)發(fā)出首臺(tái)商品化

2、SPR儀器SPR用途簡(jiǎn)介實(shí)時(shí)分析，簡(jiǎn)便快捷地監(jiān)測(cè)DNA與蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)分子之間以及藥物蛋白質(zhì)、核酸核酸、抗原抗體、受體配體等等生物分子之間的相互作用，在生命科學(xué)、醫(yī)療檢測(cè)、藥物篩選、食品檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、毒品檢測(cè)、法醫(yī)鑒定等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。表面等離子共振原理1. 消逝波2. 等離子波3. SPR的光學(xué)原理1.消逝波這表示沿X軸方向傳播而振幅衰減的一個(gè)波，這就是消逝波。全反射的光波會(huì)透過(guò)光疏介質(zhì)約為光波波長(zhǎng)的一個(gè)深度，再沿界面流動(dòng)約半個(gè)波長(zhǎng)再返回光密介質(zhì)。光的總能量沒(méi)有發(fā)生改變。透入光疏介質(zhì)的光波成為消逝波。 界面疏密2.等離子波 等離子體 等離子體通常是指由密度相當(dāng)高的自由正、負(fù)電荷

3、組成的氣體，其中正、負(fù)帶電粒子數(shù)目幾乎相等。 金屬表面等離子波 把金屬的價(jià)電子看成是均勻正電荷背景下運(yùn)動(dòng)的電子氣體，這實(shí)際上也是一種等離子體。由于電磁振蕩形成了等離子波。3.SPR光學(xué)原理我們?cè)谇懊嫣岬焦庠诶忡R與金屬膜表面上發(fā)生全反射現(xiàn)象時(shí)，會(huì)形成消逝波進(jìn)入到光疏介質(zhì)中，而在介質(zhì)（假設(shè)為金屬介質(zhì)）中又存在一定的等離子波。當(dāng)兩波相遇時(shí)可能會(huì)發(fā)生共振。3.SPR光學(xué)原理當(dāng)消逝波與表面等離子波發(fā)生共振時(shí)，檢測(cè)到的反射光強(qiáng)會(huì)大幅度地減弱。能量從光子轉(zhuǎn)移到表面等離子，入射光的大部分能量被表面等離子波吸收，使得反射光的能量急劇減少。3.SPR光學(xué)原理可以從反射光強(qiáng)的響應(yīng)曲線看到一個(gè)最小的尖峰，此時(shí)對(duì)應(yīng)的入

4、射光波長(zhǎng)為共振波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的入射角為SPR角。SPR角隨金表面折射率變化而變化，而折射率的變化又與金表面結(jié)合的分子質(zhì)量成正比。這就是SPR對(duì)物質(zhì)結(jié)合檢測(cè)的基本原理。SPR的檢測(cè)模式直接檢測(cè)：適用于大分子（1000 Da）SPR的檢測(cè)模式 抑制模式： 將待測(cè)小分子固定在傳感器表面，在樣品中加入過(guò)量對(duì)應(yīng)大分子。Biacore 3000Biacore Control工作儀器Biacore 3000工作儀器核心部件： 傳感器芯片 液體處理系統(tǒng) 光學(xué)系統(tǒng)其他： LED狀態(tài)指示器 溫度控制系統(tǒng)Biacore 3000核心部件Biacore 3000的光學(xué)系統(tǒng)Biacore 3000傳感器基本結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)耦合器

5、件金屬膜分子敏感膜棱鏡型裝置工作原理(a) Otto 型 (b) Kretschmann 型光纖型光波導(dǎo)耦合器在線傳輸式SPR 光纖傳感器光柵型光波導(dǎo)耦合器光源He2Ne激光器LED白熾燈鹵鎢燈傳感芯片金屬膜反射率高化學(xué)穩(wěn)定性好厚度合適金屬材料的選擇1、可見(jiàn)光范圍內(nèi)反射率較高：Ag、Al 、Au 、Cu 2、化學(xué)穩(wěn)定性好Ag、Al、Au、CuAg、AuAg膜、Au膜的比較金膜(實(shí)線) 和銀膜(虛線) SPR 光譜理論值恒定波長(zhǎng), 反射系數(shù)與入射角度關(guān)系波長(zhǎng): 1 和2 為750nm,3 為600nm, 4 為500nm恒定入射角度, 反射系數(shù)與波長(zhǎng)關(guān)系入射角度: 1 為80, 2 為70,3

6、為72, 4 為6815,5 為6515金屬膜厚度對(duì)SPR 譜的影響= 63218nm介質(zhì)為水( n = 1.333) 棱鏡折射率為1.51550nm傳感芯片分子敏感膜成膜方法：金屬膜直接吸附法共價(jià)連接法（生物素-親和素、葡聚糖凝膠、水凝膠、高分子膜、多肽等）單分子復(fù)合膜法分子印膜技術(shù)Biacore 3000液體處理系統(tǒng)Biacore 3000的LED狀態(tài)指示器LED（light-emitting diode）Ready：亮/滅Error：亮/滅Temperature：穩(wěn)定/閃爍Sensor Chip：穩(wěn)定/閃爍Run：亮/滅Biacore 3000的溫度控制系統(tǒng) SPR 技術(shù)的應(yīng)用黃辰905

7、13125物理學(xué)應(yīng)用若某種物理量會(huì)引起特定敏感膜折射率的變化，就可以采用SPR 傳感技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。例如，基于溫度變化引起特定敏感膜的吸濕量變化，并導(dǎo)致其折射率變化，從而利用SPR 傳感技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)的濕度傳感系統(tǒng)，以及基于氫化無(wú)定型硅的熱光效應(yīng)的溫度傳感系統(tǒng)等?；瘜W(xué)應(yīng)用通過(guò)檢測(cè)共振角或共振波長(zhǎng)的變化來(lái)檢測(cè)待測(cè)分子的成分、濃度以及參與化學(xué)反應(yīng)的特性生物學(xué)應(yīng)用生物學(xué)應(yīng)用生物學(xué)應(yīng)用主要用于檢測(cè)生物分子的結(jié)合作用或者通過(guò)生物分子結(jié)合作用的檢測(cè)來(lái)完成特定生物分子的識(shí)別及其濃度的測(cè)定生物學(xué)應(yīng)用藥物領(lǐng)域藥物與蛋白之間的相互作用藥物篩選與新藥開(kāi)發(fā) SPR技術(shù)因其實(shí)時(shí)效性，高通量，特異性及能在天然狀態(tài)下研究藥物分

8、子與靶點(diǎn)的相互作用，為新藥研發(fā)提供了有力的工具維生素檢測(cè)生物毒素檢測(cè)細(xì)菌和病原菌檢測(cè)農(nóng)、獸藥殘留量檢測(cè)食品工業(yè)及環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域生物傳感器的在線分析能力和高靈敏度，微量樣品需求的特點(diǎn)，使得這種儀器成為食品及環(huán)境安全監(jiān)控的理想工具生物學(xué)應(yīng)用生物學(xué)應(yīng)用SPR技術(shù)因其高效靈敏、無(wú)需額外標(biāo)記等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用與蛋白質(zhì)檢測(cè)和蛋白-蛋白相互作用等蛋白質(zhì)組學(xué)研究，它能在保持蛋白質(zhì)天然狀態(tài)的情況下實(shí)時(shí)提供靶蛋白的細(xì)胞器分布，結(jié)合動(dòng)力學(xué)及濃度變化等功能信息，為蛋白質(zhì)組研究開(kāi)辟了全新模式生物學(xué)應(yīng)用生物學(xué)應(yīng)用利用生物傳感器，可監(jiān)測(cè)和定量測(cè)定病人血清中的生物藥劑和抗體滴度的可行性，跟蹤檢測(cè)動(dòng)物模型、人類臨床試驗(yàn)利用SPR技

9、術(shù)在胞外環(huán)境中研究控制基因轉(zhuǎn)錄、細(xì)胞周期、細(xì)胞分裂和凋亡的信號(hào)傳遞途徑，從而可以準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出這些生化作用催化劑的拮抗物，應(yīng)用于癌癥的治療。生物學(xué)應(yīng)用生物學(xué)應(yīng)用SPR生物傳感器用于遺傳分析是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。如用于檢測(cè)點(diǎn)突變，用于檢測(cè)區(qū)分野生的和經(jīng)遺傳修飾的大豆基因序列等展望未來(lái)如今，SPR技術(shù)已被廣泛地用來(lái)分析生物分子展望未來(lái)涉及的研究領(lǐng)域包括展望未來(lái)SPR技術(shù)在分子生物學(xué)研究領(lǐng)域中應(yīng)用的范圍非常廣，在研究基因工程中：載體與質(zhì)粒DNA之間的相互作用，以評(píng)價(jià)載體效率DNA序列特異性抗體的性質(zhì)鑒定等方面，SPR技術(shù)都發(fā)揮了重要作用SPR技術(shù)與其他分析技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，必將加速分子生物學(xué)的研究進(jìn)展，使我

10、們對(duì)生命現(xiàn)象的了解更加深入Thanks for your attention!90513101 馬吟醒90513126 朱倩90513129 薛夏沫90513125 黃辰Mar 19th 2008SPR的特點(diǎn)及發(fā)展方向AdvantagesDisadvantagesFuture DevelopmentExamplesMain Advantages實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)需標(biāo)記樣品樣品需要極少 檢測(cè)過(guò)程方便快捷，靈敏度較高應(yīng)用范圍廣泛-Other Advantages跟蹤監(jiān)控不干擾反應(yīng)的平衡不需要對(duì)樣品進(jìn)行處理能在混濁的甚至不透明的樣品中進(jìn)行 Disadvantages傳感曲線經(jīng)常不符合假一級(jí)動(dòng)力學(xué)多價(jià)結(jié)合多步

11、結(jié)合反應(yīng)空間位阻效應(yīng)配體或者分析物的不均一擴(kuò)散速度限制重結(jié)合現(xiàn)象Disadvantages檢測(cè)成本易用性穩(wěn)定性檢測(cè)效率改進(jìn)與發(fā)展Development增強(qiáng)穩(wěn)定性提高檢測(cè)靈敏度實(shí)現(xiàn)多通道檢測(cè)聯(lián)用裝置微型化降低成本穩(wěn)定性生物分子&金屬薄膜結(jié)合+ 一層SAM (self-assembles monolayer) 自組裝單分子層在金屬薄膜層上覆蓋羧甲基葡聚糖凝膠 not only but also微流控多通道SPR檢測(cè)SPR ImagingLayout and photograph of the microfluidic chip designed for coupling with SPR imag

12、ing system 聯(lián)用MALDI-TOF質(zhì)譜法結(jié)合“二維” SPR可對(duì)相互作用進(jìn)行定量分析 MALDI-TOF提供定性分析的詳細(xì)結(jié)果RP-HPLC高效液相層析技術(shù)用于SPR技術(shù)中研究溶細(xì)胞肽與抗微生物肽和細(xì)胞膜磷脂的相互作用情況，以了解肽的構(gòu)想及溶解活性。電化學(xué)與SPR聯(lián)用 為固液表面發(fā)生的各種電化學(xué)現(xiàn)象和過(guò)程提供有價(jià)值的信息 電誘導(dǎo)分子吸附/脫附， 吸附物、電沉積和陽(yáng)極溶出過(guò)程中 的結(jié)構(gòu)變化。 微型化Biacore 2000Dimensions: 760 x 350 x 610 mmNet Weight: 50 kgSpreeta 2000Spreeta 傳感器和SPR分析系統(tǒng)示意圖Biosensing Instrument(生物傳感儀器)公司 BI SPR 1100小結(jié)表面等離子體共振（SPR）技術(shù)是瑞典Pharmacia公司在20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)的生物傳感技術(shù)。以其檢測(cè)過(guò)程方便快捷、始終保持生物分子的活性、實(shí)