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）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
2、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2SPR传感器的理论及应用简介21表面等离子体共振22光SPR传感器的工作原理23SPR传感器的应用简介3SPR检测糖水的浓度31实验仪器简介32实验步骤33实验数据图与浓度计算4实验过程以及分析讨论41实验过程42分析讨论5结论参考文献1SPR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
3、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SURFACEPLASMONRESONANCE,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。关键词SPR传感器检测SPRDETECTIONOFSUGARWATERCONCENTRATIONAUTHORDENGXINGLIANGTUTORPROFESSORFUYUNLIANGDEPARTMENTOFPHYSICS,HAINANNORMALUNIVER
4、SITY，HAIKOU,571158ABSTRACTSURFACEPLASMONRESONANCESPRSENSOR,WHICHISAKINDOFADVANCEDANALYSISOFBIOMOLECULARINTERACTIONSBYMEANSOFWEUSESURFACEPLASMONRESONANCESPRTECHNOLOGY,TOESTABLISHARAPIDQUANTITATIVEDETECTIONOFSYRUPCONCENTRATIONTOACHIEVEAVARIETYOFBIOCHEMICALASSAYSHAVEBEENINCREASINGLYUSINGASURFACEPLASMON
5、RESONANCESURFACEPLASMONRESONANCE,SPR,INTHEPROCESSOFTHEEXPERIMENT,WEUSEDIFFERENTREFRACTIVEINDEXDIELECTRICHAVEDIFFERENTSPRSPECTRUMCHARACTERISTICS,THROUGHTHEEXPERIMENTALSTUDYONTHERELATIONSHIPBETWEENCONCENTRATIONANDREFRACTIVEINDEX,ACAREFULANALYSISOFTHEIMPACTOFEXPERIMENTALFACTORS,PUTFORWARDTOIMPROVETESTI
6、NGACCURACYMETHODKEYWORDSSPR,SENSOR,DETECTION1引言利用表面等离子共振SURFACEPLASMONRESONANCE，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，SPR的成2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
7、用HPSPR6000光学生物分析仪测量糖水的密度。2SPR传感器的理论及应用简介21表面等离子体共振表面等离子体共振SURFACEPLASMONRESONANCE,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
8、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们3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。22光SPR传感器的工作原理使得被测量与输出量之间通过数字信
9、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，本次论文采用的是
10、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。4图3SPR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SIN10KKX1在1式中,光在自由空间的波数为K0，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32320KKSP2在2式中,样品和AU薄膜的相对介电常数为2、3。如
11、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13232ARCSIN3SPR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。23SPR传感器的应用简介5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，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
12、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
13、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。3SPR检测糖水的浓度31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HPSPR6000光学SPR生物分析仪（如图4）图4HPSPR6000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6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
14、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（0006290ML/MIN）的高精度蠕动泵进样控制系统，分析测试满足不同用户的需要。32实验步骤在实验之前，先仔细阅读所使用仪器的
15、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
16、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7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
17、离开33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HPSPR6000有着极高的准确度。而且它的检测效率高，操作简单，具有
18、可比性，利于观察等。AB图5糖水数据图4实验过程与数据分析讨论41实验过程本次实验从开始到完成用时三个上午。第一天上午由于集成片金膜质量05001000150020002500300020003000400050006000700080009000100001100012000SPRRESPONSERUTIMESS561350015000165001800019500210002250030004000500060007000SPRRESPONSERUTIMESS12348达不到要求导致实验失败。第二天上午由于通道1质量问题及加糖水溶液顺序错误导致实验数据图不理想，如图6。经过不懈努力终于在第
19、三天上午成功完成实验。图6不理想数据图42分析讨论对实验过程中出现的问题分析讨论如下（1）在实验的过程中，相对于去离子水的SPR测量结果出现了几次比较不规范的图像，产生了一些误差。分析该原因可能是由于水流过棱镜表面的时候，由于力的作用，使得棱镜本该固定的位置产生了细微变化。对于该原因，我们固定了棱镜装置以及改进了液体的加载方法；也可能是去离子水掺杂了一些杂质，为了得到更纯净的去离子水，我到生物实验室去用更高级的去离子水生产器提取去离子水。这样能够获得更好的实验结果。（2）106是在实验室中环境空气的实际折射率。而在空气中测量的实验数据刚好一样，说明了该实验的成功性与操作者对于实验操作的掌握性，
20、也说明了本实验装置较好，产生的偏差是可以忽略的，更有力的证明了温度与湿度是是有一定影响的。（3）为方便比较，我们将所测量所有余浓度的糖水溶液SPR谱迭放在同一个坐标系中，如上图A所示；我们可以根据图像观察的到以下几个方面共振角对不同浓度的液体的变化而实现实时的检测，随着浓度的升高，图像呈现一个梯形的变化，并且会慢慢的升高，如果用去离子水清洗的时候，图像会降到最低层。全内反射光的强度随着实验的进行而不断地减弱，这也是表明了随着时间0150030004500600075009000105001200030004000500060007000SPRRESPONSERUTIMESS13123459的延
21、长反映入射的激光强度也会下降，该原因可能是激光笔使用的是纽扣电池，装在着有限的容量，不适合长时间的工作，因此会影响到实验的进行。在原理上认识，这不会影响到对SPR共振吸收角的测量，但是测量精度会因为吸收峰的下降而受到影响，所以我们要使用稳压的电源来供电。当然，原因还有多方面的，当棱镜发生转动时，入射角也会发生一些偏差而造成测量角度发生变化，所测量糖水溶液的浓度对金膜也会发生腐蚀，镀金的质量与玻片也会产生影响，包括实验时的温度对折射率的影响也是原因之一；除此之外还有其它因素需要在实验的过程中，不断的发现问题，改进实验方法与过程。（4）一般来说，由于外界噪声的干扰和一些设备性能的不理想，都会影响到
22、数据，因为我们所得到的数据是从采集系统采集到被测目标的某些物理量经过传感器的转换而传出来的，然后又经过衰减或者放大等等环节之后才能实现的，因此数据处理的一个重要环节就是要最大限度地把噪声消除，以便得到更加准确的数据。就目前来说，我们多数都是采用内插值的方法，选择左右两边相同数量的点，也可以于曲线的最小点为中心，采用质心跟踪法一阶导数零点法多次测量求平均值，达到更加准确的数值，从而把要计算的数据的起点和终点确定了，随后利用一阶矩的计算公式计算，当然，该方法也有优缺点，缺点是限制了非扫描仪的动态范围，因为线矩是由相互独立的像素形成的，这样会加大了系统的误差一阶导数零点法的计算，而该方法的优点则在于
23、噪音信号对于仪器的干扰可以相应的减少。该方法会在一定程度上提高了数据处理的灵敏度与精度5结论与传统的检测方法想对比，SPR检测仪器明显会比传统方法进步，表现出了更大的高精度，自动进样、灵敏度高、多通道检测、数据传输速率高采用USB20接口等优点。论文预期的研究结果顺利的达到了，电脑快速的对数据的处理功不可没，仪器的高精度采集的数据，在画图软件上很清晰，便于观察。所以本次实验检测糖水浓度比较成功。但HPSPR6000值得改进的地方就是触屏不大灵敏，进样管下没有固定装置。科学技术不断进步，对于现实出现的问题不断总结，不断学习，虚心改进，争取能够把物理实验发扬光大，物理学科的魅力就在于不断的更新。我
24、们要在深刻理解理论知识的基础上，学会应用它，设计的实验过程也要合理。这样才能使实验进行得更加准确，顺利，并且要实事求是。试验后要对其及时分析与总结，这样才利于牢固掌握。大学四年的学习尤其是论文使我们深刻体会到“加强基础，10提高素质，开拓思维，重视应用，培养能力”的重要意义。也激励着我们学会努力的生活与学习，对科学有严谨与敬畏的精神，并无尽地追求探索它，力求完美。参考文献1符运良，“表面等离子共振AG/TIO2复合膜气体传感器”，传感器与微系统2008122李奇林，“全自动多通道SPR检测仪器的设计与实现”，网络出版年期201173陈焕文、牟颖、赵晓君、宋大千、张寒琦、金钦汉，“表面等离子体子
25、共振传感器应用和进展”，分析仪器200124LIEDBERGB,NYLANDERC,LUNDSTROMISURFACEPLASMONSRESONANCEFORGASDETECTIONANDBIOSENSORINGJSENSORSANDACTUATORSB,198342993045LIYOPTICALPERFORMANCEOFEXTREMEULTRAVIOLETLITHOGRAPHYFOR50NMGENERATIONJACTAOPTICASINICA,2004,2078658686夏涵,黄君富,姚春艳,等基于HRP2DAB信号放大系统的压电石英晶体DNA传感器微阵列检测表皮葡萄球菌的研究J中华医院感染学杂志,2008,1833163197王珏,夏涵,罗阳,等表面等离子体共振生物传感器对病原菌快速检测研究J中华医院感染学杂志,2009,1914177917818RAETHER,HSURFACEPLASMONONSMOOTHANDROUGHSURFACESANDONGRATINGSBERLINSPRINGERVERLAG,19881
