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一种新型表面等离子体谐振(SPR)生化分析系统的研究

蔡浩原  
【摘要】: 表面等离子体谐振(Surface Plasmon Resonance,SPR)传感技术是一项新兴的生物化学检测技术。SPR传感技术具有免标记检测、实时检测生化反应的动力学过程、无损伤检测等独特的优点。本论文介绍了一种大范围、高精度的角度扫描SPR生化分析仪的研制、测试与应用实验。 该SPR生化分析仪具有自主知识产权(授权发明专利号:ZL 98102366.5)。它是一种基于高精度机械扫描结构的谐振角调制SPR系统,采用先进的虚拟仪器技术以及嵌入式微控制器为主体的仪器;设计、编制了操作简便、功能完备的信息处理软件和操作控制软件;设计和制造了配套的小型流动注入系统、温控测试池及可批量制备的SPR生物传感芯片等,具有创新性。 根据Maxwell方程和Fresnel方程推导出5层棱镜耦合SPR数值化模型,利用数学软件MathCAD对该数学模型进行了模拟,讨论了金属膜厚度d_2、生物膜厚度d_3和折射率n_3、载玻片厚度d_1与谐振峰值θ_(SPR)的关系。另外,还发现了由于载玻片引起反射光发生干涉,干涉条纹在SPR曲线上产生了周期性的明暗条纹变化。干涉条纹周期在原SPR谐振角附近,存在着一个奇异的尖锐的突起,我们把这个尖突称为SPR干涉谐振峰,相应的峰顶对应的入射角称为干涉谐振角θ_(inl-SPR)。干涉谐振角θ_(inl-SPR)在厚度d_3或者折射率n_3分别变化时,与变化的参量(d_3或n_3)有着良好的线性关系,与SPR谐振角θ_(SPR)的线性具有相同的量级,这说明有可能通过测定干涉谐振角θ_(inl-SPR)来检测生物样品的细微变化,从而提出了一种确定SPR峰值移动的全新的方法。 已成功研制光、机、电一体化、智能化、实用化的表面等离子体谐振(SPR)生化分析仪四台,通过院级鉴定和科技部成果验收,填补了我国SPR生化分析仪产品上的空白,达到国际先进水平。对仪器性能进行了测定,角度扫描范围达40度~70度,角度扫描分割精度优于0.001度。应用本仪器进行了多项生化应用实验并提供多家科研单位使用,使用反馈表明,本仪器是目前国内唯一具有实用化水平的国产化SPR仪。


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