SPR生物传感器的应用现状与发展趋势

SPR生物传感器的应用现状与发展趋势0引言SPR生物传感器是20世纪80年代出现的一种基于物理光学原理的新型生化分析系统，是生物传感器中起步较晚的一种。20世纪初，WoodRW观测到用连续光谱的偏振光照射金属光栅时出现了反常的衍射现象，第一次对这种现象作了公开描述。1983年，瑞典科学家Liedberg首次将SPR技术应用于抗体抗原相互作用的测定，由此产生了世界上第一只SPR生物传感器。此后，各国开始了研究的热潮。我国开展SPR传感器的研究较晚，尚处于起步阶段。目前，已经成功研制多种SPR传感器。SPR生物传感器作为一种强有力的动态检测手段，与传统检测手段比较，具有实时检测、无需标记、耗样量少等突出优点，在生物工程、医学、食品工业等多个领域都有广阔的应用前景。本文介绍SPR生物传感器的基本原理，并在此基础上详细概括了SPR生物传感器在生命科学，药物残留，疾病诊断以及食品检测中的应用，并对其未来的发展趋势进行了展望。1SPR生物传感器的原理SPR是一种物理光学现象，是由入射光的电磁波和金属导体表面的自由电子形成的电荷密度波相互作用产生的。这种沿着金属导体(金、银)表面传播的电荷密度波是一种电磁波，被称为表面等离子体波(surfaceplasmonwave，SPW)。这种波是一种消逝波，它在金属内部的分布是随着与表面垂直距离的增大而呈指数衰减的。当平行表面的偏振光以一定角度照在界面上发生衰减全反射时，入射光被耦合入表面等离子体内，光能大量被吸收，在这个角度由于表面等离子体谐振将引起界面反射率显著减少。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。而同一种电解质，其附着在金属表面的量不同，则SPR响应强度不同。基于这种原理的生物传感器通常将一种具特异识别属性的分子即配体固定于金属膜表面，监控溶液中的被分析物与该配体的结合过程。在复合物形成或解离过程中，金属膜表面溶液的折射率发生变化，随即被SPR生物传感器检测出来。2SPR生物传感器的应用SPR生物传感器能够准确、灵敏、快速、简便地检测多种生化指标。近年来，被广泛地应用在生命科学、药物残留、疾病诊断、食品检测等领域。随着近年来相关理论和方法学的完善，SPR生物传感器在研究中发挥出越来越重要的作用。2．1在生命科学中的应用SPR生物传感器是一种新型生化分析系统。与传统的超速离心、荧光法相比，无需纯化各种生物组分，实时监测各类生物分子，如，蛋白质、核酸、多糖、脂类，甚至全病毒、细胞之间相互作用的整个过程。崔大付等人［10］利用SPR—2000型生化分析仪对6氧甲基鸟嘌呤—DNA甲基转移酶(简称MGMT)的基因片段进行检测。MGMT是一种重要的DNA损伤修复酶，检测组织中MGMT的活性可以预测正常细胞的突变性，为肿瘤的早期预防提供依据。陈受惠等人采用基于SPR原理的生物分子相互作用分析技术，研究了抗生物素抗体与生物素相互作用的动力学特征。结果表明:抗生物素抗体与生物素的结合速率常数为2．59×104L/(mol·s)，结合常数为6．86×106L/mol。EndoT等人利用SPR光学生物传感器监测抗原抗体反应，根据不同浓度的纤维蛋白原与固定在纳米颗粒层表面的抗纤维蛋白原抗体免疫反应，导致光学信号的改变，从而实时监测抗原抗体免疫反应，其最低检出量为10μg/L。AndersenJT等人运用原核表达的办法，通过大肠杆菌大量表达了切除重链的FcRn，通过SPR技术去评价该FcRn的功能，并且研究了该FcRn与免疫球蛋白结合时的pH条件。HosseRJ等人［14］利用SPR技术研究了大肠杆菌E7的DNA酶的结构域与同源蛋白、免疫蛋白相互结合动力学，通过精确的动力学分析，对一系列的克隆抗体进行筛选，从而建立了快速抗体筛选方法。新生儿特异性免疫球蛋白G输送蛋白(FcRn)是免疫球蛋白G的受体，结构类似于主要组织相容性复合物类型I，在被动免疫中有着重要作用。MassarelliI等人用SPR技术，以人体纤维蛋白抗原决定簇(312—324)和多肤配基为分析对象，研究了两者之间的结合动力学，结果表明:SPR技术是研究结合自由能的一种快捷可靠方法。到目前为止，SPR生物传感器已逐步成为直接实时监控分析分子生物学相互作用的有效工具和主导技术。2．2在药物残留中的应用农、兽药的大量使用，污染了农牧产品，诸如肉类、奶类等，给人类的健康带来巨大危害。通常，这些药品在食品中的残留量很小，需要灵敏度高的仪器进行检测。TschmelakJ等人利用SPR生物传感器检测雌激素酮及其他有机混合物，检测限达0．20μg/L，其使用的抗体特异性强，消耗量仅为3．0μg/L样品，实现了实时检测。McGrathT等人利用SPR生物传感器对猪肉中多种磺胺类药物残留进行检测。该方法可在短短的5h内完成对40份肉样品中20余种磺胺类药物残留的检测，灵敏度为16．9ng/g。李辉等人利用中国科学院电子学研究所自行研制的SPR—2004单通道双参数传感器检测磺胺二甲嘧啶。后来该组又利用图像阵列式SPR生物传感器对2种磺胺药物磺胺甲恶唑和磺胺二甲嘧啶进行检测。李子颖等人利用SPR生物传感器对动物源性食品中磺胺嘧啶的残留分析进行研究。检测范围为0．1～10μg/L，检测下限可达到0．1μg/L。后来，又利用SPR传感器对磺胺嘧啶与磺胺二甲嘧啶进行快速无标记检测研究，优化反应条件。与传统的方法相比，SPR生物传感器采用阵列芯片图像检测系统，可同时将多种抗原固定于芯片上，当待测物进入芯片后，能够对多种药物进行联合检测。SPR生物传感器因具有无需标记、样品需求量少、检测灵敏度高等特点，很适合应用于药物残留的检测。在药物残留分析中，SPR生物传感器大都应用于检测磺胺类药物。随着对SPR生物传感器研究的不断深入，将促使SPR生物传感器在药物残留方面取得新的进展。2．3在疾病诊断中的应用ChungJW等人利用SPR生物传感器，对人乙型肝炎病毒(hHBV)进行医疗诊断。为了提高SPR生物传感器的灵敏度，使用二级抗体抗生物素—酰化抗体和过氧化物酶—抗过氧化物酶复合物，进行多次放大测试。结果证明:SPR生物传感器用于医学诊断的检出可以与作为肝炎诊断参考标准的商业酶联免疫试剂盒(ELISAKit)相媲美。王于杰等人［23］利用参比型SPR生物传感器进行SARS病毒抗原检测的研究。利用参比型SPR生物传感器在线制备了2种检测芯片。直接固定抗体法制备的SARS病毒抗原检测芯片在检测SARS病毒抗原时信号微弱，难以检测;蛋白A固定抗体法制备的芯片在通入灭活SARS病毒时检测信号明显，检测灵敏度已达到1．66×104CFU/mL。VaisocherovaH等人用SPR生物传感器和酶联免疫吸附试验(ELISA)来分析人血清中的白细胞活化粘附因子(activatedleukocytecelladhesionmolecule/CD166，ALCAMorCD166)。ALCAM是一种105—kDa的糖蛋白，被确定为乳腺癌、大肠癌、肝癌的潜在生物标志物。实验结果表明:在缓冲液和人血清中SPR检测结果与ELISA可以媲美。LaddJ等人利用SPR成像技术检测候选癌症生物标记物ALCAM和胶转蛋白—2(Transgelin-2，TAGLN2)，研究结果表明:SPR成像传感器的传感响应与类似的光谱SPR传感器观察结果相符合。后来利用SPR传感器直接检测临床人血清样品中的癌胚抗原［28］。检测癌胚抗原自身抗体的增加，可用于诊断癌症患者。在疾病诊断方面，SPR生物传感器由于各种因素，应用还不太广泛，但是该方法比现行临床方法，灵敏度和精确度都有很大提高，为疾病的早期诊断和治疗提供了依据。2．4在食品检测中的应用食品中微生物污染是一个非常严重的问题，因此，需要开发出快速、准确、实时的检测技术，SPR生物传感器的研发成功顺应了检测的要求。葛晶等人利用大肠杆菌抗体的免疫吸附反应，使用集成化、手持式SpreetaTMSPR传感器快速检测大肠杆菌E．ColiO157∶H7，采用亲和素—生物素系统放大检测的响应信号，并引入复合抗体作为二次抗体，使该传感器对大肠杆菌的检测限由106CFU/mL下降到105CFU/mL。WaswaJ等人利用SpreetaTMSPR生物传感器，使用特定的抗体首次来检测牛奶、苹果汁、碎牛肉提取物中的大肠杆菌E．ColiO157∶H7，使用该传感器对大肠杆菌的灵敏度为102～103CFU/mL。沙门氏菌是食物中毒中最常见的致病菌，对人危害很大。而传统的沙门氏菌检测方法检测周期长达一周，远远不能满足要求。王凯等人使用集成化手持式SpreetaTMSPR传感器快速检测沙门氏菌，利用亲和素—生物素系统保证检测的准确性。整个检测过程在1h以内完成，实现了快速检测。LanYB等人利用SPR生物传感器检测沙门氏菌。结果表明:鼠伤寒沙门氏菌的浓度为1×106CFU/mL。生长激素(Somatotropin，ST)是脑下垂体产生的22kDa蛋白质。2007年，HeutmekersTHJ等人利用SPR生物传感器来检测注射配置剂中的生长激素。在抑制试验中，用兔抗—牛重组生长激素。结果表明:牛生长激素检测限为0．008mg/L。因此，利用SPR生物传感器，能及时准确地检测出食品中的病原微生物和毒素，对于人类的身体健康有重要的意义。目前，SPR生物传感器在食品检测中已成为很受关注的一项光电检测技术。该技术也可以和其他分析方法结合，有望在食品检测中取得更完美的测试结果。3发展趋势与展望作为一种新兴的现代化分析手段，SPR生物传感器具有许多独特的优势。然而，现有的SPR传感技术与传统分析手段相比，在检测成本、检测效率以及灵敏度等方面还存在一些不足。为了弥补这种不足，SPR传感器的研制应将朝如下方向发展:1)进一步提高检测灵敏度和特异性，获得更低的检测限:到目前为止，SPR传感技术对于低浓度、小分子量分子检测精度不高，因此，利用先进技术可以提高检测灵敏度和特异性。2)研制微型化，高通量的SPR传感器:传统的SPR生化检测装置体积庞大、价格昂贵，而且多数的SPR生化分析仪的单通道，双通道，四通道系统，已经不能满足高通量、多组份检测的要求。因此未来SPR传感技术应重点放在高通量和微型化这两个方面。3)与其他分析方法联用:单一技术的发展是有限的，随着SPR技术与光纤技术、仿生学技术等的结合，各种新型的、功能完善的SPR传感器也将不断的被研究出来。4)与其他学科的交叉:SPR生物传感技术是生物学与物理学原理相结合的一个成功的例子。近几年，随着各个领域的相互渗透和交错发展，SPR与超分子科学，自组装技术等多学科相结合，这些学科的交叉将进一步促进SPR技术的发展。4结束语SPR生物传感器经过20多年的发展，已经成为一种重要的研究工具。与传统的分析方法相比，SPR生物传感器本身具有许多优势。近年来，随着计算机技术的发展，SPR仪器也在不断完善中，其应用前景也将越来越广阔。另外，SPR生物传感器作为多学科交叉的高科技领域，引起了化学、生物、物理、材料、计算机等相关领域研究人员的重视，随着人们研究的不断深入，SPR生物传感器将会有更大的发展空间。