1、.海 南 师 范 大 学本 科 生 毕 业 论 文题 目 :SPR 检 测 糖 水 的 浓 度姓 名： 学 号： 200806101104 专 业： 物理学 年 级： 2008 级 系 别： 物理与电子工程学院 完成日期： 2012 年 4 月 指导教师： （教授） .本科生毕业论文（设计）独创性声明本人声明所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中没有抄袭他人研究成果和伪造数据等行为 。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 本科生毕业论文（设计）
2、使用授权声明海南师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允 许毕业论文（ 设计）被查阅和借阅。本人授权海南师范大学可以将本毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或其他复印手段保存、 汇编毕业论文（设计）。论文（设计）作者签名： 日期： 指 导 教 师 签 名： 日期： .目 录1. 引言2. SPR 传感器的理论及应用简介2.1 表面等离子体共振2.2 光 SPR 传感器的工作原理2.3 SPR 传感器的应用简介3. SPR 检测糖水的浓度3.1 实验仪器简介3.2 实验步骤3.3 实验数据图与浓度计算4. 实验过程以及分
3、析讨论4.1 实验过程4.2 分析讨论5. 结论参考文献：0.SPR 检测糖水的浓度作者： 指导教师： 教授 （海南师范大学物理系，海口，571158)摘 要：表面等离子体激元共振（SPR）传感器,这是一种先进的分析生物分子相互作用的手段。我们利用表面等离子共振(SPR)技术，建立起了快速定量检测糖水的浓度。实现各种生物化学的检测已经越来越多地利用了表面等离子体共振(surface plasmon Resonance, SPR),在实验的过程中，我们利用折射率不同的 电介质产生不同的 SPR 谱峰的特性，通 过实验研究浓度与折射率的关系，认真分析了 产生影响实验的因素，提出了提高检测精度的方法
4、。关键词: SPR;传感器;检测SPR detection of sugar water concentration Author：Deng xingliang Tutor：Professor : Fu yunliang(Department of Physics, Hainan normal university，Haikou, 571158)Abstract: surface plasmon resonance ( SPR ) sensor, which is a kind of advanced analysis of biomolecular interactions by means
5、 of. We use surface plasmon resonance ( SPR ) technology, to establish a rapid quantitative detection of syrup concentration. To achieve a variety of biochemical assays have been increasingly using a surface plasmon resonance ( surface plasmon Resonance, SPR ), in the process of the experiment, we u
6、se different refractive index dielectric have different SPR spectrum characteristics, through the experimental study on the relationship between concentration and refractive index, a careful analysis of the impact of experimental factors, put forward to improve testing accuracy method.Key words: SPR
7、, Sensor, detection 1. 引言利用表面等离子共振( surface plasmon resonance，SPR)效应的传感器现已成为一个研究热点。研究者的不断努力，刻苦专研使得光学不断的发展，尤其是集成光学，电脑技术，高精镀膜的发展使得表面等离子共振这一理论得到实际的应用，理论应用于实践产出了SPR生物传感器，这是一个重大的跨越，1.SPR的成功研制有着重要的意义。SPR传感器有着重要的优势，测量精度更高，更加方便，快捷。其现已在化学、化工、材料、生物、食品、环境等领域得到广泛的应用。SPR技术中常用的传感金属薄膜有Ag膜、Au膜。本次论文采用HPSPR-6000光学生物分
8、析仪测量糖水的密度。2. SPR 传感器的理论及应用简介2.1 表面等离子体共振表面等离子体共振(Surface PlasmonResonance,简称 SPR)是一种物理光学现象。理解它的含义首先要弄清楚表面等离子体波。因为在两种介电常数符号相反的介质分界面上的电荷密度波动而产生并传播的一种横磁波（TM 模式）叫做表面等离子体波（简称 SPW），如图 1 所示，其传播方向仅沿着界面且只在界面内，它的振幅在界面法向上出现指数衰减。图1.表面等离子体波图图2.表面等离子体波（SPW）的色散曲线当一束单色光透过介质入射到金属表面,如果SPW和入射的体电磁波都满足动量守恒和能量守恒时，能量会从空间体
9、电磁波向SPW共振转移，发生全内反射，就要引起金属内的电子发生物理学上的共振效应。这个引起共振的入射角度我2.们称之为共振角。入射光的波长可为固定波长也可用可变波长的光。由于金属内存在着自由电子, 在金属内出现了诱导电流, 就会产生焦耳热, 从而电磁波的能量会被消耗，所以导致了振幅减弱。这就是本论文的重要概念表面等离子共振。表面等离子体波不是有电磁波入射到金属表面就能够产生的，其不至于如此简单。要激发它，表面等离子体波与入射电磁波的波矢和频率应该相同。在色散曲线上（如图2），体电磁波色散的直线与SPW的色散曲线相交的交点处才能产生SPR现象。2.2 光SPR传感器的工作原理使得被测量与输出量之
10、间通过数字信号产生转换的装置叫做传感器。传感器大多数情况下由三部分组成，即电子线路、感受器和换能器。用生物成分作为感受器的传感器叫做生物传感器，它是传感器的一种。在生物传感器棱镜上面放一些物质，另一种样品通过进样系统流过棱镜。如果这两种物质之间能够发生反应，折射率就会发生变化。而这种变化就能够通过传感器转换，能换器再把数字信号转换成图像在屏幕上面显示出来，我们就能够方便地观察。当然数据也保存在仪器中，随时可以通过传输装置提取出来。在SPR生物传感器中，有一个重要的，也是最基本的结构（如图3）值得一提。它是一个棱镜,在其一边上镀有一层非常薄的膜，这种膜是用仪器喷射上去的，喷射的通常是金或银，本次
11、论文采用的是镀金膜的棱镜。膜层厚度应适中，这样才能保证传感器的灵敏度。金薄膜的折射率较高,因此能够产生表面等离子共振, 形成表面等离子波。样品经薄膜流过，表面等离子波的共振角或共振波长会变化, 而共振波长和浓度的关系原来已经标定, 那么，样品的浓度就可由测得共振角求得。3.图3.SPR传感器的结构在SPR传感器的结构示意图中，为了保证能够激励SPW。入射光应为TM波。通过数学运算，可以求得入射光沿平行于界面的波矢分量应为: (1)sin10kx在(1)式中,光在自由空间的波数为k 0， 棱镜的介电常数为1,为大于临界角的入射角。假如存在表面等离子波,其波矢应为:(2)320ksp在(2)式中,
12、样品和Au薄膜的相对介电常数为2、3。如果满足等式：SPW将由入射光在金属膜中被激励,导致衰减全反射产生。这时对应的角度，我们称之为共振角。其表达式为:(3)13232arcsinSPR对金膜表面折射率变化非常敏感, 样品糖水溶液流过金膜, 导致金膜表面溶液的折射率发生变化,SPR生物传感器能够迅速检测出来，便得到样品的SPR响应信号。2.3 SPR 传感器的应用简介4.集成光学理论的发展使SPR技术日新月异, 可视的光波生物传感器在生物大分子间相互作用的定性和定量的检测中逐渐得到应用和发展。与其他方法比较,它的优势体现在能测量到在样品流动中与固定在金属膜表面物质的特殊反应。现在在工业生产上，
13、得到使用的仅有两种渐消失的光波导耦合方式生物传感器。此二者的基础都是反射和光栅配体原理。用传统方法测量结合定量分析，测量的精度得不到保证，实验步骤也比较繁琐，而且其测量的数据的采集也不太方便，这就使得实验结果的精确度得不到保证，这些都使得传统方法测量困难重重。最近几年，集成光学理论和实验科学技术的发展使得这些问题变简单或得到根本解决。在实验控制, 在数据采集，数据分析, 实验结果上都有改进，使得光学表面等离子技术走到科学的前沿。它广泛应用于生命科学，食品安全，环境检测，生物医学，毒素和抗生素快速检测，蛋白质组学，药物筛选及相关药物动力学实时检测，病毒及致病分子/蛋白及受体研究等。SPR传感器应
14、用不断扩大，其也得到社会各界的一致好评，尤其值得一提的是它在案件侦破，兴奋剂这些社会热点上的应用，体现了它应用于普通的生活与体育娱乐，并且其在医药上也得到应用，对疾病预防与诊治有这一定的作用。3. SPR 检测糖水的浓度3.1实验仪器简介本次实验采用的是河南农大迅捷测试技术有限公司生产的HPSPR-6000光学SPR生物分析仪（如图4）图4.HPSPR-60005.它是由于集成光学理论的发展而研制出来的。其由SPR生物传感器、进样系统、触摸液晶显示屏、光电信号采集与处理机构、中央处理器、控制机构组成。它广泛应用于生命科学，食品安全，环境检测，生物医学，毒素和抗生素快速检测，蛋白质组学，药物筛选
15、及相关药物动力学实时检测，病毒及致病分子/蛋白及受体研究等。特别是近年来在科研和实验教学上得到重要应用。它有以下特点：A.实时显示系统，采用触摸LCD实时显示SPR曲线和传感响应图，大大提高仪器便携性并减低成本；B.样品处理系统，仪器采用内置样品架和样品回收系统，将分析测试后的样品回收至样品小管；C.高精度光学传感系统，仪器采用Kretschmann结构构建高精度光学传感系统，用850nm的LED作入射光源，通过改变入射光角度，对样品进行分析测量。此外，还提供表面羟基化等多种传感芯片，可以根据用户需要进行芯片定制；D.进样控制系统，一起采用宽范围体积流量（0.006-290ml/min）的高精
16、度蠕动泵进样控制系统，分析测试满足不同用户的需要。3.2 实验步骤在实验之前，先仔细阅读所使用仪器的相关知识，注意事项以及具体操作，检查所要检测仪器的完好性，配置好实验中要用到的糖水溶液，装在管中，事先配置好质量百分比浓度分别是 1%，2%，3%，4%，5%，6%的糖水溶液，一切准备就绪后就开始实验。第一步：取出仪器中的三角形状的集成片，该集成片由激光光源和一面镀金膜的棱镜等组成。在超声波清洗机的容器里倒入去离子水并加入一种特殊白色粉末，再把集成片浸没在容器里，调节清洗时间为 180s，复洗涤几次，直到清洗干净，然后用氮气烘干，再把集成片从机器正面右上方开口处放入。第二步：打开仪器的电源，屏幕
17、上依次出现“+”，用触摸笔点击“+”，直至符号消失，进入主界面。点击“传感器”主菜单，在屏幕右侧弹出传感器格式化操作按钮。点击“启动”按钮，将在屏幕下方提示“格式化传感器？”，点击“确定”按钮，传感器格式化开始，格式化完成后，点击“确定”按钮保存格式化数据，最后点击通道，选择一个实验效果图好的通道进行实验，当然6.这需要对固定仪器有所了解。第三步：先去离子水清洁一遍，然后依次加入配置好的糖水溶液，从浓度低至浓度高开始实验，并且在换取不同浓度测量的时候换去离子水清洗一遍，保持实验的准确性。待实验完成后，依次点击“保存” ， “退出”仪器就已经存储了实验数据。用数据线连接好电脑与仪器，取出所记录的
18、数据，用Oringin 函数绘图软件画好实验数据图，利于以后观察讨论。第四步：关闭仪器，拔掉电源。整理好实验室其它器材，确认已整理好后方可离开 3.3实验数据图与浓度计算产生表面等离子共振,引起反射光在一定的反射角度上强度大大减弱,能量最低点对应的角度叫做光学SPR角。光学SPR角与靠近金膜的介质折射率有关,而折射率与样品浓度一一对应，当样品浓度变化时，金属表面介质的折射率发生变化,光学SPR角随即改变。那么，浓度的变化可由SPR角度的变化间接求得。本次试验检测出糖水的数据用Oringin函数绘图软件绘制好后如图 5。其中1,2,3,4,5,6分别代表1%，2%，3%，4%，5%，6%的糖水溶液平衡时的SPR响应角度，从上面的数据可以算出糖水浓度，分析对比配置浓度与检测浓度发现HPSPR-6000有着极高的准确度。而且它的检测效率高，操作简单，具有可比性，利于观察等。a b图5.糖水数据图0501015020250302304506708901012SPR response(RU) Times(S)5 61350150165018019502102503040506070SPR response(RU) Times()1234
