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基于表面等离子体共振的多巴胺反应体系分析.pdf

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西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下1.利用SPR实验从纯水、50%乙醇和100%乙醇三个方面对Winspall的模拟结果进行对比,提出Winspall软件对SPR现象分析存在误差性,但可对SPR现象的改变趋势做出相对有效的预测。2.从三个方面包括气相、液相和偶联单分子层利用Winspall软件对SPR中的最佳金膜厚度展开模拟,确定了50nm左右的最佳值。3.本文首次利用SPR传感器探究并归纳了多巴胺在金传感膜表面的反应体系。从pH、多巴胺浓度、缓冲液类型及多巴胺通入时间四个方面展开实验研究。获得多巴胺在SPR传感器中和金传感膜的反应规律;发现多巴胺与金传感膜经优化后的反应条件为多巴胺浓度2mg/ml,pH 8.6,Tris缓冲溶液;在优化反应条件下,SPR现象消失的临界时间为通入多巴胺溶液16614s。4.最后利用数学优化分析法对SPR的传感图曲线进行非线性拟合,这一拟合方式在SPR动力学分析中也是首次使用。获得了多巴胺在不同pH,浓度和缓冲液的反应体系中,与金表面的结合与解离常数,并分析变化规律。结果和多巴胺的实验结果相互印证,这为构建多巴胺反应体系提供了定量化依据。本人郑重声明所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名;i簪王小日期 20心.1-.一万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第l页摘 要表面等离子体共振SPR生物传感器具有实时反应、灵敏度高、无需标记、原位分析等特点,现已经广泛应用于环境检测、食品分析、药物筛选及生化分析等领域。其中生化领域作为应用最广的方向,呈现出迅速化、多元化的发展趋势,其中之一即为检测分子之间的相互作用。多巴胺作为一种儿茶酚和氨基组成的小分子物质,表现出极为强大的粘附能力,为其应用领域提供了广大的空间。在生物传感器中,多巴胺常用于通过表面改性来搭建二次反应平台,其中包括SPR传感器。本文以SPR传感器为主线,围绕SPR的数值分析及基于SPR的多巴胺分子反应体系构建两部分展开研究,最后通过动力学分析完善多巴胺反应体系。首先,利用基于菲涅尔公式的SPR分析软件Winspall,从纯水、50%7,醇和100%乙醇这三个方面对SPR曲线展开模拟,并与SPR实验结果作对比。结果发现,Winspall软件对SPR现象分析结果存在误差性,但可对SPR现象的改变趋势做出相对有效的预测。继而,采用Winspall软件从气相、液相和偶联单分子层三个方面对SPR中的最佳金膜厚度进行数值分析,最后确定了50nm左右的最佳厚度。随后,本文首次利用SPR传感器探究并归纳了多巴胺在金传感膜表面的反应体系从pH、多巴胺浓度、缓冲液类型及多巴胺通入时间四方面展开实验研究。获得多巴胺在SPR传感器中和金传感膜的反应规律;发现多巴胺与金传感膜经优化后的反应条件为多巴胺浓度2mg/ml,pH8.6,Tris缓冲溶液;在优化条件下,SPR现象消失的临界时间为通入多巴胺溶液16614s。以上综合分析了多巴胺在多种缓冲体系中浓度时间等反应影响因素,为其在SPR传感器中的应用奠定了基础。最后以动力学方程为基础,利用数学优化分析法对多巴胺在SPR中的传感图曲线进行非线性拟合,并分析计算结果。获得了多巴胺在不同pH,浓度和缓冲液的反应体系中,与金表面的结合与解离常数,并分析变化规律。这为构建多巴胺反应体系提供了定量化依据。关键词表面等离子体共振;多巴胺SPR数值模拟t动力学万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文Abs仃act第||页Surface plasmon resonanceSPRbiosensor has the advantages of a real-time detection,high sensitivity,without marking and in situ detecting.It has been widely utilized inenvironment detection,food analysis and biochemical analysis.Among them,biochemicalanalysis that is the greatest applying field has showed a trend with rapid and diversifieddeveloping,one of which is used for inspecting the interaction between molecules.Dopamineas a smallmolecule that contains both catechol and amine has been widely applied,due to itscapable of ing strong adhesive layers on various substrates.It Can serve as a versatileplat for secondary surface modified reactions in biosensors including SPR sensor.Thisstudy spread out the research on numerical analysis and dopamine reaction system based onSPR which as the mainstay.Finally the dynamics analysis was as a way for improving thedopamine reaction system.First place,SPR CHIVES were plotted using Winspall that was based on the Fresnelequations from three aspectsultrapure water,50%ethanol aqueous solvent and pure ethan01.Results of simulation were compared with the experimental results by SPR sensor,it showedthat there were errors between simulation and experiment,but Winspall could make arelatively effective prediction to the changing trend of SPR phenomenon.Subsequently,theoptimal thickness of gold films was analyzed numerically from three aspectsgas phase,liquidphase and coupling monolayer.The results indicated that the optimal thickness was about50nm.Second place,the system of dopamine reaction with gold films was firstly establishedand concluded by changing pH,concentration,buffer and time based on SPR sensor.Thus thereaction rules of dopamine and gold films in SPR were built;the optimum reaction conditionof dopamine and gold films was 2mg/ml dopamine concentration,pH 8.6,Tris buffer;underthis condition,a critical time of SPR phenomenon disappearing was inj ecting dopaminesolution 1 66 1 4s.Influence factors including pH,concentration,buffer and time were万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第1I I页comprehensively analyzed in different buffer system.These laid a good foundation fordopamine reaction on SPR.At last,based on kinetic equations the SPR sensorgrams of dopamine reaction were tomatch in nonlinearity by mathematical optimization analysis,and the results were calculatedand analyzed.The association and dissociation constant between dopamine and gold filmswere obtained in different pH,concen仃mion and buffer reaction system,then analyzed therelative changing rules.Thus provided a quantitative ination for building reaction systemof dopamine.Key wordsSurface plasma resonance;Dopamine;Numerical simulation;Kinetics万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第1V页目 录摘 要IAbstract..II目勇毛.4第1章绪论11.1表面等离子体共振SPR概述.11.1.1表面等离子体。11.1.2表面等离子体共振与色散关系一21.1.3 SPR传感器的结构与激发41.1.4 SPR的相关应用及发展61.2贻贝粘附蛋白和多巴胺81.2.1贻贝粘附蛋白81.2.2多巴胺及其性质。91.2.3多巴胺在生物传感器中的应用.121.3本文主要内容一141.3.1研究意义及目的141.3.2研究方法和内容1 51.3.3研究创新点16第2章基于SPR的数值分析172.1 SPR数值分析软件172.2基于Winspall的理论基础..172.3基于SPR实验的Winsapll模拟.1 82.3.1 Winspall模拟。182.3.2实验部分192.3.3结果和讨论202.4 Winspall计算不同环境介质的最佳金膜厚度.212.4.1以空气为环境介质计算.222.4.2以乙醇为环境介质计算.232.4.3以乙醇为环境介质偶联羟基硫醇单分子层计算.24第3章基于SPR的多巴胺反应体系研究273.1设备与试剂。273.2探究不同pH的影响283.2.1缓冲液的配制283.2.2实验过程293.2.3结果和讨论.303.3探究不同浓度的影响..323.3.1实验过程323.3.2结果和讨论.33万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第V页3.4探究不同缓冲液的影响..353.4.1实验过程353.4.2结果和讨论363.5探究不同时间的影响..383.5.1不同时间相同pH值的对比.383.5.2实验过程403.5.3结果和讨论41第4章基于SPR的动力学分析434.1 SPR的动力学拟合分析434.2动力学计算不同pH环境下的多巴胺反应曲线454.2.1拟合过程454.2.2结果和讨论464.3动力学计算不同浓度的多巴胺反应曲线。474.3.1拟合过程474.3.2结果和讨论484.4动力学计算不同缓冲液的多巴胺反应曲线..494.4.1拟合过程.494.4.2结果和讨论49结论.5 l剪【谢.52参考文献53攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果61万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第1页第1章绪论1.1表面等离子体共振SPR概述1.1.1表面等离子体1900年,Drude[1】提出并建立了经典的金属自由电子气模型,为探究表面等离子体提供了基础。1902年,Wood[2]在光学实验中发现了偏振光在金属光栅上的反常衍射,由此首次记录了表面等离子体子的共振现象,并将其命名为“Wood异常”。直到1941年,Fano[3】才提出金属和空气界面上的表面等离子体电磁波理论,从而对“Wood异常”进行诠释。1957年,Ritchie[4】通过对高能电子经过金属薄膜时能量损失的研究,预言了金属表面等离子体的存在。1959年,Powell和Swan[5】通过电子激发试验发现电子能量损失,论证了Ritchie的理论。紧接着1960年,Stern和Farrell[6]研究了产生共振的条件,首次定义了表面等离子体子Surface Plasmons,SPs这一概念。等离子体【7】一般是指在极高温度下被气化和电离出的大量自由电子和离子,且在整体上表现出电中性。常温下,金属中存在的自由电子在原子核晶格中不断地做自由运动,且呈现电中性,因而金属可被称为冷等离子体【8】。设想在无界的金属模型中,当存在外界扰动时,将会破坏电中性平衡而出现电子过剩,从而使等离子体处于失衡态。此时,过剩电子将会产生一个电场,而电子之间的斥力会让电子从电场区域跑出,以达到恢复平衡态的目的。然而,电子跑出所具有的运动动能并不会在达到平衡态时就马上停止,这就造成电场区域跑出电子过多,反而形成了正离子过剩的失衡态。正离子的过剩又重新吸引着电子的回归,同样的,惯性的作用使电子的过剩重新出现。在这样往复的过程中,相当于数量电子的一个集体运动,从而产生了等离子体的集体振荡,振荡能级约为10eV量级【31。在整个等离子体集体振荡的过程中,电子和正离子的动能和静电位能在不停地发生转换,同时在碰撞阻尼或其他阻尼的作用下而使得能量持续被消耗,最后导致振荡终止[9】o若等离子体的集体振荡发生在金属表面,电子垂直于表面的横向TransversalLX_动由于受到阻碍而使能量转化为焦耳热,此时,电子浓度在金属表面呈现出一种梯度分布,且SPs的集体振荡将局限于表面。由此,金属表面产生了一种沿平行于界面的工方万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第2页向横向传播,沿垂直于界面的z方向纵向振动且呈指数衰减的电磁波,这就是表面等离子体波Surface Plasmon Wave,SPW[10 11】,如图1.1所示。图1-1表面等离子体波SPW表面等离子体波SPW可用波动方程描述为【12】EEo。exp[ikxz±kzZ一∞t】 1-1其中,晶为SPW电场的振幅;exp[ikzz±kzzcIJ£】为相位因子;kx为与界面相平行的横向波矢量kz前的±表示当砭0时为正,当z郢时为负;kz为与界面垂直的波矢量。由此式可看出电场沿着Z轴呈指数eIkzIz衰减。1.1.2表面等离子体共振与色散关系表面等离子体共振的本质[13】即为外在入射电磁波在一定条件下激发了表面等离子体波并与之耦合,最终导致能量损耗的过程。首先,入射光线须为P偏振光,只有它才能激发出SPR现象【14】。这是由于当光线入射到界面上时,入射光可分为两个互相正交的偏振波,即为P偏振波和S偏振波。而其中,S偏振波的电场方向与界面平行,这就使电子由于不存在障碍而做无规则的自由运动,继而无法激发SPW。相反的,电场方向与界面垂直的P偏振波将会受到表面电荷的阻碍,使得表面电子激发并产生SPW[151。其次,表面等离子体波作为电磁波的一种,它与激发光波发生共振的的条件是两者需要满足能量守恒及动量守恒[16】,即需要有相同的频率∞和波矢k。一般情况下电磁波的频率不会因为表面等离子体共振而发生改变【16】,因此只要动量匹配即外在激发万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第3页波的波矢与表面等离子体波的波矢相同,便可引起表面等离子体共振。作为电磁波的SPW符合麦克斯韦电磁波传播理论。在麦克斯韦方程中,可根据金属和介质表面的边界条件推导出SPW的沿z轴的横向波矢量为【10】‰cJJ”f EI十E磊I‘/I 12其中,∞为等离子波的频率;c为真空中光速;E1、£m为介质和金属的复介电常数。光线的波矢量在x轴方向的分量为ke妒譬佰。0SITt 1 。I.3圮e妒2、/£1 1 【。jJ其中,山为入射光的频率0,为入射角的角度。由公式1-2和13g绘制出SPW和入射光波的色散曲线图,如图1-2所示。其中曲线a为SPW的色散曲线,曲线b为入射光的色散曲线,可看出曲线a和b之间不存在交点,这就说明,在频率相同的情况下,两者的波矢并不相等,如上文所述即无法达到动量匹配而引起表面等离子体共振。然而,如果增加如图所示的波矢匹配量Ak,曲线b将变化至曲线c处,则与曲线a相交,即七如key14时可激发表面等离子体共振。图1-2入射光波失与SPW的色散曲线增加波矢量Ak的过程就是增加入射光动量的过程,常见的有三种方法,分别是光栅激发【17 1 81、基于光波导系统的激发【19Jan衰减全反射【20]Attenuate TotalReflection,ATR激发。本文主要讨论最后一种衰减全反射激发法。衰减全反射激发法是指入射光波在进入金属界面前先通过一个折射率大的介质E2,从本质上来说这就增加了到达金属界面的入射光波的动量【20】。介质的改变也使得入射万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文第4页光波的色散由足et,詈佰sfn日1变为了七Pp si.01,如图1-2中曲线c则为对应的色散曲线,此时的入射光波色散曲线将会与SPW的色散曲线相交,从而引起表面等离子体共振。1.1.3 SPR传感器的结构与激发Otto结构【1 2】与Kretschmann结构【21】是衰减全反射激发法的主要常见的两种结构,如图13所示。两种结构均是以棱镜作为折射率较大的介质£2,当入射光P偏振光通过棱镜入射到金属界面时,将会引起表面等离子体共振。其中两个结构中的SPW的传播方向一致,而它们的主要区别在于金属界面的位置。Surface plasmonMetalrlSmMetalaOtto模型 bKretschmann模型图1.3两种典型的SPR结构Otto[12】在1968年首先提出使用棱镜构成的Otto结构。如图1.3a所示,在Otto结构中,棱镜和金属界面之间存在着狭缝,且狭缝必须小于一个波长【12】。调节狭缝的宽度放置被测物,且被测物常为固体材料。当光从棱镜入射时,在被测物和金属界面之间引起表面等离子体共振而激发出SPW。该模型由于需要在棱镜和金属界面之间留有狭缝导致制作工艺复杂,加之应用范围相对局限以及被测物质更换麻烦等原因而未得到广泛的应用【22】。随后,Kreteschman和Raether[21]提出另外一种更为简便应用更广泛也是最常见的Kretschmann结构。如图1.3b所示,与Otto结构相比,Kreteschman结构的金属层直接镀在了棱镜表面,金膜厚度小于一个波长,而被测物质则位于金属层下方且直接与金属层接触。本文中所选用的SPR传感器则为Kreteschman结构,因而着重介绍Kreteschman结构的激发过程。万方数据
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