SPR生物传感器的优化和在生物材料生物相容性研究中的应用

摘要

表面等离激元共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)技术由于独特的优点日渐成为生物分子相互作用分析的领导技术。基于表面等离激元共振技术研制而成的生物传感器在生物学、医学、化学等领域获得了十分广泛的应用。 SPR生物传感器可以对生物分子在材料表面的动态吸附过程进行实时、原位的检测。分析时需要的样品量少且无需标记。生物分子在材料表面吸附的浓度也可以通过检测共振角度的偏移而获得。 本论文的目的是优化重建一套用于生物材料生物相容性评价领域的表面等离激元共振生物传感器。这套基于SPR技术的系统，可以原位、实时、非标记的表征蛋白质在生物材料表面的动态吸附行为。通过检测蛋白质吸附前后共振角的变化，可以计算出不同材料表面蛋白质的吸附量，从而对生物材料的血液相容性做出初步评价。 本论文的主要内容如下： 1．介绍了国内外基于表面等离激元共振技术的生物传感器的研究进展，简要地介绍生物相容性和蛋白质吸附的研究方法及手段，以及表面等离激元共振传感器在生物相容性方面的研究进展。 2．对表面等离激元共振原理和多种表面等离激元共振传感器模式进行了讨论，探讨了基于表面等离激元共振技术的Kretschmann光学模型的SPR生物传感器的各种影响因素，并利用Matlab工具对其进行了数值模拟，为本论文SPR传感器的研制和调试工作提供了理论依据。 3．优化和重建了一套基于Kretschmann模式的SPR生物传感器的硬件系统，主要涉及传感系统的棱镜和金膜，以及采用了基于PCI总线的数据采集卡用于光强检测和处理单元。 4．采用VC++编写了一套配合硬件系统工作，进行硬件控制和数据采集、处理和分析的软件，该软件主要具有仪器系统的运行控制、光谱数据的实时采集、处理和显示、数据分析和谱线模拟等四个功能，分为仪器系统驱动、运行控制、光谱数据的实时采集、处理和显示、数据分析等九个模块，并应用该软件对硬件系统进行了测试，首先得到了金膜在空气介质中的SPR谱，然后测出在通入PBS缓冲液条件下金膜的SPR谱，比较两条谱线，可见两者共振角有明显的偏移，依据仿真分析的结论，说明了本系统的可行性，为下一步的生物蛋白质吸附实验打下基础。 5．使用本传感器对三种血浆蛋白(Alb、Fib和IgG)在两种材料表面的吸附性能进行了研究。通过检测生物材料表面蛋白吸附引起的SPR共振角的变化，计算出材料表面的蛋白吸附量，结果显示H50-50型聚氨酯对蛋白吸附的白/纤比和白/球比均大于金膜，表明其抗凝血性优于金膜。实验结果和本课题组前期的研究结果具有一致性，证实SPR传感器在生物相容性研究中的可行性。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1引言

1.2生物材料的生物相容性意义

1.3生物材料血液相容性的研究发展及评价方法

1.4蛋白质吸附在血液相容性研究中的作用

1.5材料表面蛋白质吸附的研究方法

1.6表面等离激元共振生物传感器

1.7 SPR生物传感器在生物相容性研究的应用进展

1.8本论文的主要内容

参考文献

第二章表面等离激元共振的相关原理

2.1表面等离激元共振现象

2.2理论模型探讨

2.3表面等离子波的激发

2.3.1 SPW的色散曲线分析

2.3.2全内反射和衰减全反射

2.3.3 SPR传感模型

2.3.4 SPR谱理论计算

2.4 Matlab仿真分析

2.5本章小结

参考文献

第三章SPR传感器硬件系统的建立

3.1硬件系统概述

3.2硬件系统

3.2.1传感系统

3.2.2流动注入系统

3.2.3光源

3.2.4旋转定位系统

3.2.5接口板卡--PCI数据采集卡

3.2.6光电检测和处理单元

3.2.7接口

参考文献

第四章SPR传感器软件系统的建立

4.1软件系统概述

4.2软件系统模块

4.2.1仪器系统驱动模块

4.2.2运行控制模块

4.2.3光谱数据的实时采集、处理和显示模块

4.2.4数据分析模块

4.2.5谱线模拟模块

4.2.6文件管理模块

4.2.7系统界面设计

4.2.8数字滤波

4.2.9坐标系统

4.3系统测试

4.4本章小结

参考文献

第五章基于所构建SPR系统的生物材料表面蛋白质吸附研究

5.1实验材料和仪器

5.1.1实验材料

5.1.2实验仪器

5.2实验内容和方法

5.2.1溶液的配制

5.2.2金片的处理

5.2.3聚氨酯材料薄膜的制备

5.2.4接触角测试

5.2.5 SPR传感器实验过程

5.2.6蛋白质吸附量的计算及统计学分析

5.2.7蛋白质吸附实验结果分析

5.3实验结果与讨论

5.3.1接触角实验结果

5.3.2材料表面蛋白质吸附实验结果

5.3.3讨论

5.4本章小结

参考文献

第六章总结与展望

6.1论文总结

6.2展望

6.2.1硬件系统

6.2.2软件系统

致谢

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