表面等離子共振技術(shù)(surface plasmon resonance technology ,SPR)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)標(biāo)記的檢測(cè)方法,基于SPR檢測(cè)生物傳感芯片(biosensor chip)檢測(cè)生物分子間的相互作用。后由于SPR技術(shù)的生物傳感器研究的全面展開(kāi),SPR的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。

SPR技術(shù)原理

當(dāng)一束平面光波從光密介質(zhì)1透過(guò)金屬薄膜表面進(jìn)入到光疏介質(zhì)2中,入射光在介質(zhì)1表面上一部分發(fā)生反射,另一部分則透射進(jìn)入介質(zhì)2。此時(shí)入射角和透射角滿足關(guān)系式:

n1sinθ1=n2sinθ2

n1是介質(zhì)1的折射率,n2是介質(zhì)2的折射率。當(dāng)入射角逐漸增大,增大到臨界角θc時(shí),此時(shí)透射角為90°;當(dāng)入射角繼續(xù)增大到大于臨界角時(shí),光透過(guò)介質(zhì)2約一個(gè)波長(zhǎng)的深度,再沿界面流動(dòng)約半個(gè)波長(zhǎng)后返回光密介質(zhì),形成全反射。

由snell定律可知:

θ2=90°

θc=arcsin(n2/n1)

由上式可知,當(dāng)n2 < n1時(shí),全反射就可能發(fā)生。從幾何光學(xué)的角度來(lái)看,當(dāng)光發(fā)生全反射時(shí),光會(huì)在介質(zhì)1界面上完全反射而不進(jìn)入介質(zhì)2中。實(shí)際上由于波動(dòng)效應(yīng),有一部分光的能量會(huì)穿過(guò)界面滲透到介質(zhì)2中,平行于界面?zhèn)鞑?,這部分光場(chǎng)就是所謂的消逝波。一般情況下消逝波在折射率小的介質(zhì)中傳播一段距離,再回到折射率大的介質(zhì),光的全部能量都回到第一介質(zhì)中。

而進(jìn)入介質(zhì)2的消逝波會(huì)引發(fā)金屬中的自由電子產(chǎn)生表面等離子體,如果消逝波的頻率與金屬表面等離子體頻率相同,則二者發(fā)生共振,此時(shí)入射光被吸收,使反射光能量急劇下降,在反射光譜上出現(xiàn)反射光譜最低值,即為共振峰。

SPR角隨金屬表面的折射率變化而變化,而折射率的變化又和結(jié)合在金屬表面的生物分子質(zhì)量成正比,因而可通過(guò)對(duì)生物反應(yīng)過(guò)程中SPR角的動(dòng)態(tài)變化獲取生物分子相互作用的特異信號(hào)。

SPR技術(shù)優(yōu)勢(shì)

  • 高靈敏度
  • 無(wú)標(biāo)記檢測(cè)
  • 實(shí)時(shí)監(jiān)控
  • 減少樣品體積消耗
  • 定量評(píng)估、確定動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)

SPR生物傳感器

基于SPR的商業(yè)化的生物傳感器近幾年已經(jīng)在研究和醫(yī)療等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其測(cè)定原理是基于表面等離子共振檢測(cè)傳感片表面液體的折射率變化,這一變化和傳感片表面所結(jié)合生物分子的質(zhì)量成正比。

當(dāng)進(jìn)行分子間相互作用分析時(shí),將其中一個(gè)反應(yīng)物(稱為配體)偶聯(lián)在傳感片上,含有另一個(gè)反應(yīng)物(稱作分析物)的樣品通過(guò)蠕動(dòng)泵以恒定的流速通過(guò)傳感片表面,分子間有結(jié)合反應(yīng)而導(dǎo)致傳感片表面分子濃度的變化將由SPR信號(hào)的改變而得到測(cè)定,并以共振單位(RU)作表達(dá)。

以時(shí)間對(duì)共振單位(RU)連續(xù)作圖,得到的傳感圖記錄了整個(gè)反應(yīng)過(guò)程包括結(jié)合和解離過(guò)程(如下圖)。當(dāng)一輪反應(yīng)結(jié)束后,結(jié)合在傳感片上的反應(yīng)物可以用洗脫液洗脫,從而使傳感片得到再生進(jìn)行下一輪反應(yīng)。

加入的分析物與結(jié)合在傳感片上的配體反應(yīng)導(dǎo)致信號(hào)上升,記錄復(fù)合物的結(jié)合過(guò)程和平衡狀態(tài)。當(dāng)樣品加完后分析物被緩沖液代替,此時(shí)信號(hào)的下降顯示解離過(guò)程。從結(jié)合的量可反映出樣品的濃度。

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參考文獻(xiàn)

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