7第七章表面等离子体共振光电检测技术研究.docx
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7第七章表面等离子体共振光电检测技术研究
光电检测技术教案
章节:
第七章表面等离子体共振光电检测技术(七)
第一节表面等离子体共振光电检测技术意义
第二节国内外研究情形概述
第三节便携式生物分子彼此作用分析仪
第四节进展趋势
教学任务:
1.了解表面等离子体共振光电检测技术应用和方式
2.使学生加深对光电检测系统明白得;
3.把握表面等离子体共振光电检测系统设计原理;
4.把握要紧器件及算法利用方式。
重点及难点:
1.表面等离子体共振原理;
2.检测方式明白得和应用拓展;
3.小型化传感器应用。
教学内容提要:
1、系统表面等离子体共振光电检测技术;
2、表面等离子体共振光电器件利用。
温习试探题、作业:
参考书:
《光电检测技术与应用》,郭培源,付杨编著,北京航空航天大学出版社,2006年
《光电检测技术》,曾光宇,张志伟,张存林主编,清华大学出版社,2005年
第七章表面等离子体共振光电检测技术
§7-1 第一节表面等离子体共振光电检测技术意义
在检测方面,要紧应用于物理量检测,化学检测和生物检测。
物理量检测上,要紧利用SPR传感器技术进行检测的湿度传感系统及基于氢化无定型硅的热光效应的温度系统。
化学检测上,要紧利用SPR传感器通过检测共振角或共振波长的转变来检测待测分子的成份,浓度及参与化学反映的特性。
生物检测上,要紧用于检测生物分子的结合作用或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。
(1)分子间彼此作用的监测[14][23]:
在分析生物分子彼此作历时,如功能基因组学和蛋白质组学的研究中,目前已取得冲破性进展并在受到重视的方式是DNA探针阵列芯片(通常简称为”DNA芯片”或“基因芯片”)和要紧以抗体芯片为代表的蛋白质芯片。
但它目前是作为一种需要标记的技术在推行应用的,而表面等离子体子共振(SPR)方式可能成为解决基因芯片标记问题提供新的前途。
SPR技术属于非标记的测试方式。
该方式不仅能测定生物分子的尺寸和浓度,而且能够同时研究其结合和解离的动力学行为,比较一种分子与其它几种分子之间彼此作用的强弱,实时定量的测定分子间彼此作用的亲和力参数(平稳常数)和动力学参数(速度常数),具有直接提供分子间彼此作用信息的本领,该测定法不仅可不能破坏生物分子的天然状况,而且通过对测试表面进行修饰,还能为生物大分子提供模拟的体内环境,方便研究生物大分子彼此作用的时序性特点和规律。
因此,该方式在研究分子间彼此作用方面具有其独特的优势,是其它技术难以企及乃至无法达到的。
(2)水质监测:
目前,关于水质环境痕量污染物的检测方式主若是气相色谱分析法,高效液相色谱分析法[7],气质联用(目前应用最多),电感耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)和X-射线荧光光谱仪(XRF)和等离子体—质谱联用仪(ICP-MS)[8]等方式。
这些方式利用的分析仪器均属于“大型周密仪器”,价钱昂贵,操作繁琐,体积庞大,样品预处置操作进程涉及到溶剂萃取、吹脱捕集、富集、固相萃取等方式,操作复杂,需要大量的人力物力,且操作测量周期长,无益于在线或现场实时监测。
而SPR技术具有实时监测反映动态进程,利用SPR技术来测定水质情形,是一种无污染的检测方式,而且在利用光化学法检测水质污染情形的三种方式中(荧光光谱分析法、吸收光谱分析法和折射率分析法),折射率分析法的线性度最好。
水质污染程度不同,呈现水质的折射率转变,通过SPR测定水样的折射率大小,就能够够分析水质的污染情形。
(3)食物检测和环境监控[17]:
SPR技术以其无标记检测、无污染检测的优势取得普遍的关注。
SPR技术能够应用于测定食物中营养物和抗生素水平,生物毒素,农兽药残留,食物中细菌和真菌污染量和空气或水中传播的毒素,杀虫剂和除草剂。
目前经常使用的食物平安检测要紧靠色谱法[9](气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC))、毛细管电泳技术、同位素标记法、气相色谱-质谱联用技术(GC—MS)、分光光度法、原子吸收光谱法、薄层色谱和超临界流体色谱技术(SFC),直接光谱分析技术等[10]。
以上这些分析方式有的灵敏度不高,如分光光度法、薄层层析法等;有的需要昂贵的仪器,且无益于大量样品的挑选,如色质联用仪、核磁共振波谱法等;有的还需要特殊的仪器犹如位素标记法、免疫分析法(EIA)[11]等,且那个进程往往费时繁琐,需处置大量样品、操作繁琐、耗时长、检测灵敏度不高和不能实时检测等缺点,而且有可能致使样品污染等。
SPR免疫生物传感器检测动物性食物中兽药残留的原理与残留检测中经常使用的酶联免疫法[12]或放射免疫法的原理大体一致,都是基于抗原抗体反映,但对反映的检测方式不同。
酶联免疫技术是将结合成大分子,做成抗原,并使之在动物体内产生抗体,对抗体挑选制成试剂盒,通过抗原与抗体之间发生的酶联免疫反映,依托比色来确信被测量的残留,而SPR检测技术是一种生物芯片技术,该技术分析样品速度快,时刻一样为2-10分钟,灵敏度高,特异性强,检出限达到ng水平,适合检测痕量样品和含量专门低的成份,而且具有实时检测,无需专门的实验室,这是色谱和质谱法所无法比拟的[13]。
BiacoreAB公司研究并产品化的BiacoreQ是专为食物行业设计的,适合日常的食物和相关产品的成份检测和食物平安监测,能准确地分析食物中营养成份或药物残留的浓度。
该公司还生产了一些相应的检测试剂盒,该试剂盒可被用来检测食物是不是含有转基因产品,筛查环境和食物中的致病微生物,用于查验肉制品,蜂蜜和乳制品中的抗生素含量和兽药残留,和食物中维生素含量。
总之生物传感器具有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物及环境平安监控的理想工具。
总的说来,各类技术各有优缺点。
气相色谱技术、高效液相色谱技术是目前比较权威的方式,能够精准定量,可测出多种不同种类农药、生物毒素等,但检测本钱高,仪器操作须专业人员,前处置要求较高,时刻长;活体生物检测不需要仪器,不必前处置,对各类毒物都能够测定。
但难以找到与该产品同时种植的未施农药产品做对照,只能估算,不能精准定量分析,受很多因素阻碍;免疫法检测特异性强,灵敏度高,快速简便,可准确信性,定量,适用于现场检测。
但抗体制备比较困难,不能确信试样中的农药品种时,有必然的盲目性,易显现假阴,假阳性现象;酶抑制法(分光光度法)检测利用残毒速测箱,不必大型设备和专业人员,本钱较低,酶片保留时刻长,灵敏度低,不能定量;比色法(酶联免疫法)灵敏度高,操作简便,检测快,可检测多种生物残毒综合量,但酶易失活,不易保留,检测时受温度阻碍,需要操纵的条件较多;传感器灵敏度高,仪器自动化程度高,响应时刻短,适合现场检测。
但方式选择性有限,有的原理单一(仅限于胆碱酯酶的功能被抑制),有的生物材料固定化易失活;化学法速度快、本钱低、操作简便、针对性强,尤其适合于现场检测。
但适用范围小。
(4)临床诊断:
较之ELISA技术,SPR在灵敏度、精准性及检测速度方面均有较大的优势。
利用生物传感器鉴定和评判潜在的疫苗组分,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,人类临床实验和多种台式应用中的生物反映物。
(5)蛋白质组研究[18]:
目前采纳二维电泳来分离复杂的蛋白质并采纳质谱法鉴定蛋白质,这些研究取得了丰硕的数据,同时也给进一步研究蛋白质结构和功能的关系提出了许多问题。
要解决这些问题需要有能研究生物分子识别及彼此作用的高特异性方式,SPR技术正慢慢成为解决这一问题的要紧手腕。
SPR技术因其高效灵敏无需额外标记等优势,普遍应用与蛋白质检测和蛋白-蛋白彼此作用等蛋白质组学研究,它能在维持蛋白质天然状态的情形下实时提供靶蛋白的细胞器散布,结合动力学及浓度转变等功能信息,为蛋白质组研究开辟了全新模式,专门是将SPR技术与MS相结合,可用于检测亲和反映,和对配体的性质进行分析。
(6)细胞膜研究[16]:
生物膜一样指的是细胞膜,主若是由蛋白质(包括酶)、脂质(主若是磷脂)和多糖类组成,其结构可用流体镶嵌模型来刻画。
生物膜的研究涉及多种学科的交叉,是最近20年来分子生物学和细胞生物学快速进展的前沿领域之一。
由于生物膜的复杂性,人们一样用一种简单的模型来模拟生物膜,比较常见的是利用具有双亲性质的磷脂构建各类模型来模拟生物膜,而且普遍地利用红外光谱、荧光光谱、高效液相色谱和电化学等方式来研究生物膜的作用机理。
将表面等离子体共振技术(SPR)应用于生物膜的研究具有独特的优势:
能够提供一个稳固性和重现性相当好的表面,关于磷脂的固定提供了一个超级有利的条件,而且能够对整个进程进行实时监控,从而取得其动力学和热力学方面的信息,这是其它手腕所无法比拟的。
基于SPR原理的商品仪器,具有自动化程度高和样品需求量小的优势,更适合于研究生物分子间的彼此作用。
因此,用SPR技术研究生物膜具有专门大的进展前景。
(7)遗传分析:
SPR生物传感器用于遗传分析是一个崭新的领域。
如用于检测点突变,用于检测区分野生的和经遗传修饰的大豆基因序列等。
(8)药物挑选:
药物挑选是SPR技术的另一个应用热点。
目前开发一种药物所需的平均时刻是12-15年,本钱超过亿美元,而SPR生物传感器技术具有高速、自动化,无需标记及提高挑选通量降低本钱的同时,提供大量关于候选药物与其靶标的作用信息,使它们成为药物挑选领域的理想仪器。
当前进展中的药物挑选生物传感器测试包括两方面内容,一是从文库中挑选出与靶蛋白结合的化合物,二是进行一样的ADME(即吸附、分散、代谢、分泌)实验。
而且最近几年来,SPR技术在艾滋病病毒新抑制剂和抗癌新药挑选中也有了新的进展。
(9)超薄有机膜的研究[15]:
SPR传感器能够研究表面被吸附膜与分子的组成和物理特性,也能够提供液相分子与表面固定分子彼此作用的动力学信息,目前SPR传感器更多的应用于自组装单层膜的研究中。
§7-2 第二节国内外研究情形
国外研究情形:
目前,国外己成功研制出了一些应用SPR技术的生物免疫传感器,有瑞典的BiacoreAB公司(原名为PharmaciaBiotech),芬兰的BioNavis公司,英国的WindsorScientific公司和Johnson&JohnsonOrthoclinicalDiagnostics公司,美国的Quantech公司,GWCinstruments公司和TexasInstruments公司,荷兰的Autolab公司,日本的NipponLaserandElectronicsLaboratory和德国的BioTulBioInstrumentsGmbH公司和XantecAnalysensystemGbR公司。
他们研制生产的SPR仪器各有其特点。
以下是一些公司的产品信息及联系方式。
1.荷兰Autolab公司
荷兰Autolab公司生产的AutolabESPRIT是目前市场上最先进的SPR生物传感器之一,相关于其他仪器,能够提供更高的通量、更高的灵敏度、更高的数据质量及更小的样品消耗量,专为快速和便利进行生物法分子间彼此作用研究而设计,乃至能够分析分子量仅为180D的小分子。
另外ESPRIT还能提供化合物和药靶结合的丰硕信息,同时独特的抽注式进样器和精准的测量池是其核心特点之一,进样体积为20-150ul,样品折射率范围是,其角度调整范围为62-78o,角度分辨率为o。
在欧美和许多闻名生命科学、制药和生物实验室取得普遍应用。
代理商联系方式:
欧特莱(天津)科学仪器技术
联系人:
李晶(发资料来)
价钱:
18万欧元(完税后约180万人民币)
地址:
天津市河西区大沽南路501号恒华大厦2-1802[300202]
:
,Fax:
2.美国GWCinstruments公司
美国GWCinstruments公司结合美国热电集团分子光谱部,将傅立叶变换红外技术与SPR专利技术相结合,推出的FT-SPR检测仪SPR100具有很高的灵敏度,冲破了传统角度表征型SPR检测仪理论设计极限,而且具有普遍的动态检测范围。
该仪器能够检测多层生物膜组装进程,能够检测更大或更小的分子与微粒。
其入射光角度为40-70°,折射率范围为,水溶液检测,且光谱分辨率为。
可普遍用于生物学研究、临床分子诊断、蛋白质组学研究、环境监测、食物检测,新药诊断和免疫调剂等。
联系方式:
热电(上海)科技仪器分子光谱部
联系人:
辛明(发资料来)联系:
价钱:
单件SPR仪需14万美元中红外仪需另配:
3万美元
地址:
北京市金融街23号平安大厦1018室[100032]
:
+8610—3238:
+8610
3.芬兰BioNavis公司
芬兰BioNavis公司生产的SPR-Navi是一个模块化的、用户友好的表面等离子体共振系统,能够对分子间彼此作用进行实时的、无标记监测,开辟了SPR表面等离子体共振分析仪在蛋白质彼此作用研究中的应用先河。
SPR角度范围为40-80o,对应的激发的折射率(RI)范围是—,角度分辨率为度,利用标准棱镜能够同时进行气体和液体环境下的测量,具有双液体通道和包括不同激光波长的光学通道之间的组合。
对应常规蛋白质的响应为3pg/mm2,最低噪声水平为*10-6折射率单位。
可应用于生物分子研究,制药研究,蛋白质工程,蛋白质吸附,生物相容性研究,表面生物分子的彼此作用及吸附进程的动力学研究。
代理商联系方式:
北京正通远恒科技
联系人:
陈旭东(发资料来):
北京办事处:
地址:
北京市朝阳区胜古北路5号611室[100029]
Tel:
(010),Fax:
(010)
上海办事处:
地址:
上海市中山北一路184号404室[200083]
Tel:
(021),Fax:
(021)
4.瑞典BiacoreAB公司
BiacoreAB公司是最先开始生产SPR仪器的公司,是一家世界领先的生物技术分析仪器的生产供给商,总部设于瑞典。
Biacore系列的SPR仪器其检测原理均为Kretschmann棱镜型,要紧组成部份包括液体处置系统、光学系统、传感芯片和微机系统。
目前,该公司已将灵敏度和动力学分辨率更高、分析速度更快的新一代SPR商品仪器BIAcore3000推出市场。
光源利用760nm的发光二极管点光源,探测器利用的是阵列式二极管,能够检测不同入射角的反射光强度,角度分辨率为度。
传感芯片在一块玻璃片上镀有100nm厚的金膜,此玻璃片装在一个塑料平板夹里,用一种折射率与棱镜匹配的聚合物将芯片祸合到玻璃棱镜上。
在芯片表面固定一层葡聚糖分子层,它较容易与其它生物大分子偶联,因为在BIA技术中必需第一有一个生物分子偶联在传感片上,然后用它去捕捉可与之进行特异反映的生物分子,该偶联进程可由仪器全自动操纵。
利用者也能够依照需要选择非葡聚糖分子层的芯片。
Biacore传感器的微流通池处置系统设计巧妙,是刻在传感器芯片表面的刻线,因此体积超级小,每一个只有60nL,因此整个分析进程所需的样品量也很少。
BiacoreX系列中只有2个微流通池,进展到Biacore1000型时,流通池数量达到了4个,能够同时独立分析4个样品。
Biacore系列SPR仪器的优势是所有光学元件固定不动,自动化程度高,样品处置、进样和样品回收均为全自动,整个分析进程需要的样品量很少,一样最多不超过750uL。
反映进程的动力学常数,包括结合常数,解离常数等数据,都可直接给出。
可是由于采纳的检测方式限制了可测量的角度范围,因此可检测对象的折射率范围较窄,BIAcore1000和BIAcore2000可测量的折射率范围均为一,这在必然程度上限制了它的应用。
联系方式:
通用电气公司
杭州区联系人:
桑先生(发资料来)
北京办事处:
地址:
北京经济技术开发区永昌北路1号[100176]
:
8008109118(全国免费效劳热线)
:
010-67871162
上海办事处:
地址:
上海市虹桥开发区兴义路8号万都中心2401室[200336]
:
(021)–67337
:
(021)
5.美国TexasInstruments公司
美国TexasInstruments公司的SpreetaTM的SPR仪器,也是采纳Kretschmann型结构,光源为近红外发光二极管,检测器为线性阵列硅光电二极管,流通池刻在传感器芯片上,整个系统通过压模密封在环氧树脂板上,并在周围用黑板密封,避免杂散光进人。
该仪器的主体部份只有手掌大小,相较BIAcore系列仪器较昂贵的价钱和较庞大的体积(BIAcore2000的体积为760mm*350mm*610mm,净重50Kg),为其竞争提供了机遇。
Spreeta仪器一个最有价值的特点是利用两个电热调剂器(在传感器和流通池上),能够对温度波动引发的灵敏度转变进行补偿,测量灵敏度为5*106折射率单位,最低噪声水平为*10-6折射率单位。
联系方式:
上海分公司:
上海市黄浦区南京西路128号永新广场11楼[200003]
Tel:
(021),Fax:
(021)
杭州分公司:
浙江省杭州市杭大路15号嘉华国际商务中心815室[310007]
Tel:
(0571)Fax:
()
北京分公司:
北京市建国门外大街19号国际大厦7楼5号[100004]
Tel:
(010)Fax:
(010)
技术支持:
800-820-8682
6.英国WindsorScientific公司
英国WindsorScientific公司推出的IBIS系统,也是采纳了Kretschmann型棱镜,其硬件部份紧凑小巧。
与BIAcore和Spreeta同时引入必然范围的入射光角度不同,IBIS系统探测方式运用的是角度扫描式。
在仪器内部,有一个机械旋转装置,可转变的角度范围为6o,相应可测量的介质折射率范围为—。
生物分子的彼此作用在一个小体积流通池中进行,样品通过进样管自动进样,出口端连接在排水泵上。
注射泵操纵取样系统,使流通池中的样品混合均匀。
溶液中样品质量的转变可及时反映到传感器表面。
IBIS价钱较为廉价。
联系方式:
(未找到国内代理)
WindsorScientificLtd
264ArgyllAvenue
SloughTradingEstate
SloughBerkshire
SL14HE
UnitedKingdom
Tel:
+44(0)1753822522Fax:
+44(0)1753822002
7.Email:
Web:
美国Quantech公司
美国Quantech公司生产的SPR多通道诊断系统,价钱也相对照较廉价,该产品要紧应用于医院。
它利用的是光栅结构,耦合入射光的光学元件不是棱镜,而是表面镀有一层金膜的衍射光栅,光栅同时作为传感器芯片,不同波长的入射光进入不同的通道,从而实现质量操纵和多通道诊断。
国内研究情形:
国内对SPR仪器的研究起步较晚,九十年代开始,中科院电子所、清华大学等国家重点实验室和科研单位接踵开展了对SPR技术的研究。
吉林大学自行设计并组装了一套多波长同时测量的仪器,对多种物质进行了定性定量的实验,取得了不错的结果。
其中的相关专家有:
宋大千(9)、张寒琦()、金钦汉()、赵晓君等。
中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室北方基地,在研究员、博士生导师崔大付()同志的领导下,在国内第一开展将表面等离子体谐振现象用于生物传感器及生化分析监测的研究,早在1992年就研制成功国内第一台表面等离子体谐振(SPR)生化分析仪。
随后又提出了一种新型的“表面等离子体谐振装置”,申请了国家发明专利(.5),并立项进行科技攻关,该专题组通过两年多的尽力创新,攻克多项关键技术,研制成功第二代表面等离子体谐振(SPR)生化分析仪-SPR2000型[19]。
该分析仪结构独特,创新突出,采纳角度调制方式,角调制范围宽,从40度到70度角;角分辨率精度高,优于度;折射率检测范围宽,从~以上,可适用于液体和气体样品检测;检测最小浓度小于1×10-11M。
分析仪采纳先进的虚拟仪器技术和嵌入式微操纵器为主体的仪器系统,设计、编制了操作简便、功能好的信息处置软件和操作操纵软件,自动化、智能化程度高,并配有小型流动注入系统、温控测试池及可批量制备的SPR生物传感芯片。
具有体积小、测定范围宽、精度高、灵敏度高、功能完整、操作方便、靠得住、耗材廉价等优势,是一种创新性、有效化的现代科学仪器。
目前,这种光、机、电一体化、智能化和有效化的SPR生化分析仪已提供多家科研单位利用。
如中国科学院长春应用化学研究所电化学国家重点实验室、复旦大学生物化学系、中国科学院微生物研究所等,利用它开展了多项国际前沿课题研究,已取得专门好结果,在国际闻名刊物上发表了研究结果。
该生化分析仪器被用户评判为目前国内唯一具有有效水平的SPR生化分析仪器。
适用于生化分析、食物检测、药物挑选、毒品检测、法医鉴定等。
§7-3 第三节便携式生物分子彼此作用分析仪
图1分析仪外观图。
一、工作原理
光学表面等离子共振(SPR,SurfacePlasmonResonance)生物传感技术是一种灵敏微小折射率转变的光学生物测试技术,它通过在SPR生物芯片表面生长不同的生物分子识别膜来实现对生物分子动态反映的监测。
图2分析仪工作原理图。
二、技术特色
在线生物分子动态反映分析
非破坏性光学物理测量技术
无需要标记(Labeling)的光学生物检测技术
快速用于研究各类蛋白质之间的彼此作用等
三、便携式SPR生物分子彼此作用分析仪的设计思想
图3分析仪设计思想结构图。
HPSPR-6000便携式生物分子彼此作用分析仪由SPR生物传感器、光学避光装置、光电信号搜集与处置系统、单片微机操纵系统、自动进样机构和触摸液晶屏显示器组成。
点击“选择”主菜单,弹出“通道”、“曲线”和“采样周期”等子菜单。
点击“通道”子菜单后选择所用通道并存入非易失性存储器;点击“曲线”子菜单,弹出“响应、信号、RAW和BG”等按钮,选择所需曲线并将选择的曲线存入非易失性存储器;再点击“采样周期”子菜单弹出“1s、2s、4s和8s”等按钮,选择所需的采样周期并存入非易失性存储器。
点击“测试”主菜单那么弹出“信号、启动、暂停、停止和退出”等按钮,点击“启动”那么开始实时监控,再点击“信号”则在曲线框右上角显现实时监测的SPR曲线图。
四、应用领域及实例
光学表面等离子共振技术是一种近10年内进展起来的超级有潜力的光学生物传感技术。
SPR生物分析技术应用领域包括:
生命科学、食物平安、毒素和抗生素快速检测等。
普遍应用于DNA低聚体、RNA、多肽、蛋白质彼此作用,蛋白质/多肽与脂质/囊结合,动力学速度常数,浓度监控,序列识别,抗原决定基挑选及扫描等。
完成一个样品的分析小于20min。
1.乙醇实验
(1)乙醇标准溶液的SPR曲线
图4不同体积分数的乙醇标准溶液的SPR曲线。
a;b;c;d;e;f
图4为乙醇标准溶液的SPR曲线。
当乙醇溶液的体积分数改变时,共振像位发生明显位移,由此能够用于乙醇溶液折射率和浓度的测定研究。
图5体积分数由小到大的乙醇标准溶液和去离子水交替进样时监测到的共振像位转变图像。
图5给出了体积分数由小到大的乙醇标准溶液和去离子水交替进样时监测到的共振像位随时刻的实时转变图像。
由图5可知,水的共振像位(PP)最大,随着乙醇体积分数的增加,乙醇溶液的共振像位先减小后增加;另外,由图5还能够看出,用去离子水进行传感器Au膜的再生,成效较好,从而说明传感器的可逆性良好。
可是随着测定次数的增加(>50次),或进样顺序改变即乙醇标准溶液浓度由大到小进行测按时,传感器的可逆性降低,采纳4%的SDS溶液进行
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- 第七 表面 等离子体 共振 光电 检测 技术研究