顾悦-Y05110108-SPR在细胞检测中的应用.docx

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1、本科毕业设计（论文）题目SPR在细胞检测中的应用学院一物理与电子工程学院年级10级专业电子科学与技术班级Y05U01学号Y05U0108学生姓名顾悦指导教师李方强职称论文提交日期摘要细胞生物学的众多研究项目一直被认为是生命科学研究领域的重要组成部分。虽然目前有大量的仪器应用于细胞检测，但其各自因具有需要荧光标记、灵敏度低、对细胞具有破环性、无法实时检测等一个或多个缺点而限制了细胞检测技术的发展。而基于表面等离子体共振（SPR）的传感方法是一种具有无需标记、高通量、高灵敏、可实时检测等特性的新颖光学检测方法。因此，将SPR技术应用于细胞检测的应用中具有十分重要的意义。本文主要研究，表面等离子体共

2、振（SPR）传感技术在细胞检测中的应用。利用MATLABR2012b软件对基于角度调制的克莱舒曼型棱镜耦合传感模型的各参数进行数值仿真，得出各参数之间的相互关系。通过改变模型各参数，使其在中红外波段形成最强共振吸收峰（SPW）,以增加激发波长的方式来增加检测深度，从而更准确可靠地完成一些与SPW相匹配的生物细胞的测量。关键字：SPR；细胞检测；中红外；仿真AbstractCellBiologyhasbeenseenasaveryimportantpartoflifescienceresearch,andcellbiologyisoneofthefourbasiclifesciencedisci

3、plinesinourcountry.Therearealargenumberofinstrumentsusedincelldetection,buttheseinstrumentshaveoneormoreweakpoints,needingfluorescentlylabeled,lowsensitivity,damagingcells,notreal-timemonitoringandetc,limitingthedevelopmentofCellDetectionTechnology.However,SPRsensorisanoveldetectionmethod,sensitive,

4、high-throughput,withoutfluorescentlylabeled,capableofreal-timemonitoringandetc.Therefore,theSPRtechnologyforcelldetectionapplicationhasveryimportantsignificance.ThispapermainlystudiesSPRsensingtechnologyincelldetection.TonumericalsimulationforeachparameterofKretschmann-Raetherprismsensormodelbasedon

5、theparametersofanglemodulationwithMATLABsoftware.Bychangingtheparametersofthemodeltobeformedinthemaximumresonanceinfraredabsorptionpeak(SPW),toincreasethewavelengthoftheincidentwavetoincreasethedetectiondepth,thuscompletingthemeasurementmoreaccurateandreliableSPWseveralmatchingthemeasurementsofbiolo

6、gicalcells.Keywords:SPR;celldetection;infraredband;simulation目录第一章绪论61.1 概述61.1.1 细胞检测的意义61.1.2 细胞检测技术的研究现状71.1.3 细胞检测技术存在的问题121.2 基于SPR传感的细胞检测131.2.1 SPR现象与传感原理131.2.2 基于SPR传感的细胞检测技术概述151.2.3 SPR传感用于细胞检测的优势及瓶颈问题171.3 课题内容和意义18第二章SPR传感用于细胞检测的理论分析192.1 棱镜耦合式SPR传感模型192.2 SPW的特性212.2.1 SPW的传播特性212.2.2

7、SPW穿透深度与激发波长的关系232.3 SPR细胞检测模型的建立及分析242.3.1 细胞的等效折射率242.3.2 SPR细胞检测的物理模型242.3.3 SPR传感的灵敏度分析25第三章SPR细胞检测模型的设计263.1 KreschmannSPR传感模型的数值模拟263.2 金属膜材料与厚度的选择283.2.1 金属膜材料的选择283.2.2 Ag膜厚度的选择293.3 Ag膜的制备工艺313.4 Ag膜SPR细胞检测模型的可行性分析31第四章总结与展望32参考文献33第一章绪论1.1 概述1.1.1 细胞检测的意义细胞组学作为细胞生物学研究的一个前沿分支，它结合了基因组学、蛋白质组学

8、与转录组学的技术等，主要对细胞结构以及内部DNA或蛋白质的功能进行研究。由此，细胞组学不仅能够使人类进一步认识到生命的过程，而且对于临床应用中疾病的诊断、进展预测与治疗也十分重要。自人类基因组图谱绘制完成后，生命科学就已经进入了后基因时代，对于DNA序列的测定与遗传信息的解释也已经转移到了分子水平上的研究。从而，在分子水平阐述生命的奥秘，寻找诊断和治疗疾病的新方法与新途径。发展至今,大量的基因组与蛋白组的研究项目已成为了生命科学研究中的焦点。然而，基因位于染色体上，基因表达而产生的蛋白质是在核糖体上合成的，生命体中的各种生化反应也都是在细胞中完成的。脱离了细胞而进行DNA、蛋白质变化的研究,获

9、得的数据往往与实际情况有较大差异。可以说，基因组只是定义了生物体的遗传潜力，但不能完全反映出环境因素改变时细胞整体功能性的改变，而细胞是生物体表现功能的基本单位。因此，对DNA与蛋白质的研究必须整合到细胞中进行，把生命过程中从基因到蛋白质的有关信息和细胞的结构与功能及细胞间的相互联系关联起来，即只有在细胞层次上对DNA和蛋白质等生物分子进行的研究，才能够系统地、全面地认识它们的功能以及相互作用。由于在生命体中的各项活动都离不开细胞，在细胞层次上对生物分子的研究已然成为新的研究热点。但是，研究层次的不同对技术手段与实验方法的要求也是不同的。目前，虽然蛋白质芯片、DNA芯片等技术已趋于成熟，但其均

10、脱离了细胞，无法适用于细胞检测。因此，研究生物分子在细胞水平上的实时检测技术更是刻不容缓。从人类首次用显微镜观测到细胞到现在，Cellbiology的发展离不开新的检测技术，若没有技术层面上新的突破，对细胞研究的进展只能是极其缓慢并且十分困难的。纵观历史，细胞生物学的萌芽得益于光学显微镜的发明，随之各种各样的显微镜的相继问世又进一步推动了细胞生物学的发展，使之进入了更深层次的研究。而如今细胞生物学的研究早已发展到了分子阶段，迫切需要细胞一分子检测技术的支持，对精度的要求也急剧提高。随着细胞生物学的发展，细胞的检测方法不再停留在光学显微镜阶段，而是向多元化发展。按不同检测方式所适用的范围来划分，

11、细胞检测技术可分为几个方面：细胞的形态与生理功能方面，细胞接受外界的刺激方面，细胞内蛋白质之间的相互作用方面，细胞膜上的生理活动方面。1.1.2.1细胞形态与生理功能检测人类对细胞最初的认识仅仅停留在形态结构上，但随着电子显微镜的问世，cellbiology的发展又迈出了重要的一步。人类对细胞的研究不再局限于光学显微镜时代形态上的构造，而由显微结构过渡到亚显微结构，随后对细胞的功能性研究也开始起步，随着研究的深入，又推动了新的检测技术与仪器的发展。1.1.2.1J流式细胞仪细胞生物学早期的研究重心主要放在对细胞的分类与细胞形态结构的描述，传统的光学显微镜无法快速检测细胞的亚显微结构，也不能够便

12、捷地得到细胞分类或细胞周期变化的各种参数。为了克服传统光学显微镜的不足，于是便研发出了流式细胞仪(FCM)0流式细胞仪的出现始于上世纪70年代，并在多个领域已经得到了广泛的应用，并向仪器功能增强化、分析快速化、使用智能化等方面发展。流式细胞仪是通过检测分析被荧光染色的细胞在不同散射角度的光散射光信号和荧光信号(荧光强度)，从而获取细胞种类与数量等信息。随着人类对细胞的研究发展到微结构层次，对分辨率的要求进一步提高，原子力显微镜(AFM)便应运而生。AFM具有原子级别的分辨率，它主要通过对微弱力极其敏感的微悬臂上的针尖扫描待测样品时微悬臂随样品表面形貌上下起伏，激光照射在微悬臂背面，随着微悬臂的

13、上下浮动，反射光也随之偏移，通过分析检测器获得的反射光光斑的偏移从而获得样品表面的形貌信息。AFM应用在细胞研究项目上，不仅能够观测到细胞膜表面非常细微的结构，并且对膜的粘性以及膜上生物分子的识别等研究也同样适用。原子力显微镜能够提供样品的三维表面图且不需要对样品进行特殊处理，但由于成像原理的特殊性，原子力显微镜对样品细胞的稳定性要求较高。AFM通常有3种工作模式，非接触模式在室温大气下难以实现，而接触模式与敲击模式在扫描过程中又有可能损伤探针与待测细胞。因此，原子显微镜在细胞检测的应用中也存在着局限性。1.1.2.1.3 激光共聚焦扫描显微镜荧光标记法常用于细胞生理活动的研究中，并使用荧光显

14、微镜来观测。随着共振能量转移技术的逐渐成熟，再加上荧光蛋白标记技术的发展，激光共聚焦扫描显微镜(LCSM)成为了细胞形态结构、细胞生理活动研究的利器。1.CSM能够显示出细胞的立体结构，并且避免了光散射导致的图像信噪比低的现象，使图像的分辨率得以提高。LCSM的基本结构如图1.1所示，其主要由激光发射器、物镜、扫描模块与图像处理模块组成。LCSM的缺点有：需要对待测细胞进行荧光标记，而激光又会快速漂白荧光蛋白1叫荧光信号的捕获需要低噪音光电倍增管按点逐一进行，造成成像时间长且无法实时监控的缺点；激光照射在整个细胞上，但只有很少一部分的荧光受激发后被采集到，从而荧光信号的捕获效率低下。由此可见，

15、LCSM对细胞的检测难以做到实时的3D显示。图1.1 LCSM的基本结构图1.1.2.1.4 扫描电化学显微镜在对细胞的研究中，不仅用到了光学成像法，同时也用到了电化学检测法。扫描电化学显微镜(SECM)与AFM不同，它是通过使用电化学的原理并能够对单个细胞进行实时监测的仪器。SECM对单个细胞的的检测原理如下图1.2所示，它具有一个超微电极(UME)作为检测时的探针，当探针离细胞表面非常近时，UME上便产生了电流的变化，进而可以反映细胞的形貌与各种生理过程等。图1.2扫描电化学法原理图当细胞受到化学药剂、生物分子等外界刺激时，它便会发生一些生理变化，例如细胞内的分子运动、细胞的形态变化等。而

16、这些变化是可以通过发光、颜色变化、电位变化等特征来观测。1.1.2.2.1 电阻抗法电阻抗法最早被运用于细胞增殖、细胞形变与运动的研究中，它是一种以阻抗特性为检测依据的电化学检测方法。但随着技术的成熟化，电阻抗法被运用于更多的生物细胞学的研究中，例如检测细胞的新陈代谢、细胞的应激反应等。电阻抗检测的检测过程一般为：将待测细胞偶联于工作电极上以增加电极阻抗；在适宜的频率下，检测对电极与工作电极之间的阻抗；解析电信号从而取得所需信息。电阻抗法的检测环境必须在溶液中，但溶液中电解所产生的离子以及其它的杂质又会干扰检测，使检测的可靠性下降。因此，细胞检测中使用电阻抗法同样也具有一定的局限性。1.1.2.2.2