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1、表面等离子共振技术（SurfacePlasmonResonanceSPR）张颖娱综述生物物理系学号10281036摘要:SPR是一种物理光学现象，而且SPR对金属表面附近的折射率的变化极为敏感，利用这一性质，将一束平面单色偏振光以一定角度入射到镀有薄层金膜的玻璃表面发生全反射时,若入射光的波向量与金膜内表面电子的振荡频率匹配,光线即耦合入金膜引发电子共振,即表面等离子共振。以SPR原理设计的生物传感器近来引起广泛的重视。关键词表面等离子共振生物传感器薄膜1900年,由Wood发现了光波通过光栅后,光频谱发生了小区域损
2、失,这是关于SPR这一电磁场效应的最早记载。1941年,FanoU发现这种“Wood异常”是由于等离子波造成的。1958年,Turbader首先对金属薄膜采用光的全反射激励的方法,观察表面等离子共振现象。此后,至60年代Otto以及1971年Kretschmann分别发表了里程碑性质的文章,激发了人们应用SPR于传感机制的热情,而Kretschmann结构也为SPR型传感器奠定了基础。目前SPR被尝试用于测量各种物质的结构、特性及其的相互作用等。1SPR生物传感器的基本原理：（如图2所示）表面等离子振动是金属表面自由
3、电子的一种集团运动,代表了一种表面带电的量子振动。在激励SP的通常方法中,光入射在金属薄膜上,产生衰减场,衰减场的穿透深度dp为：（1）通常要求金属薄膜小于60mm,达到衰减场中的TM(横磁波)极化能量耦合并激发等离子态,耦合的数量、等离子体的强度受到了金属两侧材料的影响,如果在金属薄膜一侧加一层待测物质,试样与金属薄膜的耦联影响了结构的折射率,从而影响了反射光、衰减以及等离子体共振。所以,可以把SPR型传感器看作等离子体耦联效率的度量计。基原理如图2所示，其中：上述两个公式分别为沿表面传播的波矢量,其中:λ为入射光
4、波长,εm为金属介电常数的实部,εd为金属外介质的介电常数,np为透镜的折射率,θ为入射光与表面法线的夹角。发生共振时,入射光与法线的临界角为:θ=arcsin[εmεd(εm+εd)εg]1/2(4)显然,共振角受到折射率(或介电常数)的影响,此时,金属膜外侧的衰减场为:E=E(0)exp〔-[-εm2εm+εd]1/2zλ〕(5)可见,当电磁场沿着金属表面传播,其衰减场按指数规律衰减。根据MAXWELL方程,激励SP需要满足:(1)绝缘体的介电常数为正实数;(2)金属薄膜的介电常数为负;(3)金属薄膜的介电常数的
5、模大于虚部,因为虚部决定了等离子的衰减速度。对于表面等离子与外部电磁辐射耦合，目前有三种理论模型：（如图3所示）(a)衍射光栅型;(b)Otto结构:具有高折射率棱镜和半无限电介质,其间存在狭缝,这种方法在实践中不方便;(c)Kretschmann结构:用金属薄膜来取代半无限电介质,在某个角度,入射到薄膜上的光波矢量与表面等离子体波矢量的频率相同,光的能量便能有效的传递给表面等离子体。Kretschmann结构实现起来相当方便,从而引起了广泛关注。目前,大多数的研究都以此为基础;衍射光栅型的研究受到微细加工工艺的限制
6、,研发工作开展的相对较少。同时，由于表面缺陷会造成表面等离子的锥形辐射，所以SPR共振型传感器对金属薄膜要求较高。2SPR生物传感器的结构：.SPR型生物传感器主要包括光波导器件、金属薄膜、生物分子膜三个组成部分。其关键在于金属薄膜和生物分子膜的沉积。金属薄膜通常采用银膜，但是对于光纤型的传感则更多的使用金膜。膜厚度通常为60－90nm。生物分子膜的成膜方法包括，金属膜直接吸附法、共价连接法、单分子复合膜技术。目前又出现了软光刻新技术（又称为分子印膜技术），用于分子水平上构造敏感表面。基于SPR的传感器，其传感机制分
7、析可以分为两个部分：（1）SPR的电磁场效应分析；（2）生物大分子相互作用对介电物质的影响。传感过程如图1：图1传感器机理示意表面等离子共振的生物传感系统与其他光生物传感器系统一样，需要光源、光路、光电耦合器件或光谱分析设备、反应池、液流控制系统。光源有He—Ne激光器、半导体激光器、发光二极管等。光电耦合器件主要有光电二极管、CCD等。光路往往采用棱镜组或光纤构造。3SPR的应用生物分子相互作用分析(biomolecularinteractionanalysis,BIA)正是基于SPR这一原理,将探针或配体固定于传
8、感器芯片镀着的金膜表面,含分析物的液体流过传感片表面,分子间发生特异性结合时可引起传感片表面折射率的改变,通过检测SPR信号改变而监测分子间的相互作用。在ＳＰＲ-ＢＩＡ的实时监测中,我们可以获悉:(1)特异性—哪些分子发生了相互作用?(2)浓度—存在多少结合分子?(3)动力学—相互作用的速率、结合和解离的比例是多少?(4)亲和性—相互作用的程度
