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表面等离子体共振生物传感器：原理、应用与展望

一、引言

1.1研究背景与意义

在科技飞速发展的当下，生物传感器作为现代生物检测领域的关键技术，正经历着深刻的变革与创新。表面等离子体共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）生物传感器以其独特的优势，逐渐成为研究热点，在多个领域展现出巨大的应用潜力。

表面等离子体共振现象最早于20世纪初被发现，当时Wood观测到连续光谱的偏振光照射金属光栅时出现反常衍射现象，随后在1941年，Fano用金属与空气界面的表面电磁波激发模型对这一现象给出了解释。1957年，Ritchie发现电子穿过金属薄片时存在数量消失峰，并提出“金属等离子体”概念。1968年，Otto和Kretschmann等人研究了金属和介质界面用光学方式激发SPR的问题，并分别设计了两种棱镜耦合方式，此后，SPR技术获得了长足的发展。1990年，国际上第一台商业生产的生物传感器在瑞典的Biocore公司诞生，标志着SPR技术正式走向实际应用。

SPR生物传感器的工作原理基于表面等离子体共振这一物理光学现象。表面等离子体是沿着金属和电介质间的界面传播的电磁波形成的，当平行表面的偏振光以特定的入射角（表面等离子角）照在界面上发生全反射时，入射光被耦合入表面等离子体内，由于表面等离子体谐振，会引起界面反射率显著减少。而且，SPR对附着在金属表面的电介质的折射率非常敏感，而折射率是所有材料的固有特征。因此，任何附着在金属表面上的电介质均可被检测，不同电介质其表面等离子角不同；同一种材料，附着在金属表面的量不同，则SPR的响应强度不同。基于此，SPR生物传感器通常将已知的生物分子固定在几十纳米厚的金属（如金、银等）膜表面，当加入与其互补的目标生物分子时，两者结合会使金属膜与溶液界面的折射率上升，从而导致谐振角改变。通过固定入射角度，就能根据谐振角的改变程度对互补的目标生物分子进行定量检测。

在生物医学领域，疾病的早期诊断对于提高治愈率和患者生活质量至关重要。传统的检测方法如酶联免疫吸附测定（ELISA）、聚合酶链式反应（PCR）等，虽然在临床诊断中发挥了重要作用，但也存在着操作繁琐、检测时间长、需要专业设备和人员等局限性。而SPR生物传感器能够实现对生物分子的快速、灵敏检测，无需对样品进行标记，可实时监测生物分子间的相互作用，为疾病的早期诊断提供了新的技术手段。例如，在癌症诊断方面，通过检测血液或组织中的肿瘤标志物，SPR生物传感器能够在疾病早期发现异常，为后续治疗争取宝贵时间。在药物研发过程中，SPR生物传感器可以用于药物靶点的筛选和验证，以及药物与靶点相互作用的研究，加速新药研发进程，降低研发成本。

环境监测对于保护生态环境和人类健康具有重要意义。随着工业化和城市化的快速发展，环境污染问题日益严重，对环境监测技术提出了更高的要求。传统的环境监测方法主要依赖于化学分析和实验室检测，存在检测周期长、成本高、无法实时监测等问题。SPR生物传感器能够快速、准确地检测环境中的污染物，如重金属离子、有机污染物、生物毒素等，实现对环境的实时在线监测。例如，在水质监测中，利用SPR生物传感器可以快速检测水中的有害物质，及时发现水质污染情况，为水资源保护提供科学依据。在空气质量监测方面，通过检测空气中的有害气体和生物气溶胶，SPR生物传感器能够为空气污染预警和治理提供支持。

除了生物医学和环境监测领域，SPR生物传感器在食品安全检测、农业生产、生物反恐等领域也具有广泛的应用前景。在食品安全检测中，能够快速检测食品中的农药残留、兽药残留、微生物污染等问题，保障食品安全；在农业生产中，可用于检测土壤中的养分含量、病虫害监测等，助力精准农业发展；在生物反恐领域，能够对生物战剂进行快速检测和预警，保障国家安全。

表面等离子体共振生物传感器作为一种新型的生物传感器，具有高灵敏度、高选择性、实时监测、无需标记等优点，在生物医学、环境监测等多领域展现出巨大的应用潜力。对其进行深入研究，不仅有助于推动生物传感器技术的发展，也将为解决实际问题提供有力的技术支持，具有重要的理论意义和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

自1990年国际上第一台商业生产的表面等离子体共振生物传感器在瑞典的Biocore公司诞生以来，该技术在全球范围内引发了广泛的研究热潮，在多个领域取得了显著进展。

在国外，众多科研团队和企业致力于SPR生物传感器的研究与开发，不断推动技术的创新与应用拓展。在基础理论研究方面，科研人员深入探究表面等离子体共振的物理机制，优化传感器的设计与性能。例如，通过对金属膜材料、厚度以及表面修饰等关键因素的研究，提高传感器的灵敏度和稳定性。在应用研究领