SPR生物传感器

SPR生物传感器1SPR生物传感器的工作原理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)。它是一种消逝波，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，入射光被耦合人表面等离子体内，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，将一种具有特异识别属性的分子(配体)固定在传感芯片表面金属膜上含分析物的样品(受体)以恒定的速度通过传感芯片，与该配体之间发生相互作用，引起金属膜表面溶液的光学参数(如折射率)发生变化，SPR光学信号也随之改变。记录和处理这些信号可将整个反应显示出来。基于这种原理的检测仪器被称为SPR生物传感器(SPRBiosensor)。根据耦合方式的不同，SPR传感器在结构上可分为棱镜耦合式SPR传感器，集成光波导耦合式SPR传感器，光纤式SPR传感器和光栅耦合式SPR传感器。根据测量方式，则可分为：(1)角度指示型，固定入射光波长，观测反射光归一化强度达到最小时的入射角；(2)波长指示型，固定入射光的入射角，测量反射光归一化强度达到最小时的波长(3)光强指示型，固定入射光的入射角和波长，测量反射光的归一化光强；(4)相位指示型，固定入射光的角度和波长，测量入射光和反射光的相位差。此外，根据支撑表面等离子体的金属膜不同，则有金膜型和银膜型。对光纤SPR传感器，还有单模光纤和多模光纤之分。图1给出了一种棱镜耦合式、波长指示型的SPR生物传感器系统的工作原理。图1SPR生物传感器系统原理图2SPR生物传感器的特点与传统的相互作用检测技术，如超速离心、荧光法、热量测定法等相比，SPR生物传感器具有如下显著特点：(1)实时检测，能动态地监测生物分子相互作用的全过程。这是SPR生物传感器独有的特点。这是传统的检测方法所办不到的；(2)无需标记样品，保持了分子活性。克服了许多传统方法，如ELISA和放射免疫荧光技术等不能解决的问题；(3)样品需要量极少，一般一个表面仅需约llag蛋白配体；(4)检测过程方便快捷，灵敏度高，其检测灵敏度可以与放射I生元素标记技术媲美；(5)应用范围非常广泛；(6)高通量、高质量的分析数据：(7)能跟踪监控固定的配体的稳定性；(8)对复合物的定量测定不干扰反应的平衡；(9)大多数情况下，不需对样品进行预处理；(10)由于SPR基于对未穿透样品的反射光的测量，所以检测能在混浊的甚至不透明的样品中进行。3SPR生物传感器的的应用3.1监控生物分子之间的相互作用SPR技术自被引入传感器领域以来，利用该技术作为检测系统的免疫生物传感器迅速发展起来，到目前为止已逐步成为直接实时监控、分析生物分子特异性相互作用的有效工具和主导技术。Hideka等(1999)在探寻氨基葡聚糖与胶原蛋白与其它细胞外基质中糖蛋白间的相互作用的化学机理时，通过比较肝素与V型和IX型胶原蛋白以及硫酸软骨素E与Ⅱ型、V型、Ⅶ型胶原蛋白之间的相互作用，发现硫酸软骨素E与V型结合的亲和力要高于肝素与V型之间的亲和力，这表明硫酸软骨素E和V型胶原蛋白之间存在奇妙的特征序列。在人类基因组测序方面，Lacy等（2002利用BIAC0RE技术，通过探针分子与DNA中GG或GT错配碱基对的高选择性的结合，检测到了单核苷酸的多态现象。3.2在药物残留检验中的应用SPR生物传感器的很多特性如无需标记、样品需要量极少、检测灵敏度高等特点很适合应用于药物残留的检验，因此在这方面的应用起步也较早。1993年，Minunni和Mascini建立了一项BIACoRE检验用于检测饮水中杀虫剂和莠去津(一种除草剂)(Els等，2002)。Sernesj6(1995)利用SPR生物传感器检验乳中残留的磺胺甲嘧啶(Elliott等，1999)。到目前为止，SPR生物传感器已完成了对克伦特罗、链霉素、氯霉素、莱克多巴胺、恩诺沙星、环丙沙星、沙丁胺醇、伊维菌素、西玛三嗪、青霉素G、头孢菌素以及孕酮等药物的检测。3.3在临床疾病诊断方面的应用SPR生物传感器由于各种因素，在临床上的应用还不太广泛，但作为一种临床监控装置的一种补充仪器，其优越性也逐渐显露出来。Bianchi等(1997)将生物素化的HIV一1寡核苷酸探针固定在SPR传感芯片上，对HIV一1进行实时分子诊断。由湖南大学化学生物传感与剂量学国家重点试验室研制的SPR生物传感器用于乙肝表面抗原(HBsAg)的检测，其检测限量为0．06ng／ml，远低于传统的ELISA法(1ng／m1)，表明该SPR生物传感器对HbsAg具有较好的特异选择性(陈泽患等，2003)。3.4在畜牧养殖业中的应用迄今为止SPR生物传感器仍然还是一种十分前沿的生化分析仪器，而畜牧养殖业的总体发展水平较低，因此该类仪器在畜牧养殖业方向中的应用还较为少见。但基于SPR生物传感器的优良性能，越来越多的畜牧科研工作者也将致力于SPR技术的开发与应用中。3.5细胞膜模拟利用装在生物传感器金属表面上的脂膜，能模拟天然细胞膜组分与可溶性分析物的相互作用。与传统的溶液研究相比，碳水化合物、受体和粘附分子在生物传感器脂膜上的特异性定向更接近于体内膜系统。大量的文献介绍了利用BIAcore的疏水性HPA或亲脂性Ll传感器芯片构建杂交脂双层，进行膜模拟的研究工作。这些芯片表面的稳定性和可重复性，使药物、抗体和蛋白结合到脂膜的定性和半定量分析成为可能。Bader等将脂泡吸附到HPA芯片表面形成人造膜，并插入脂修饰的Ras蛋白，从而研究信号传导过程中Ras与下游效应子的相互作用。Wang等研究了玉米蛋白与不同脂肪酸的相互作用，说明玉米蛋白与亲水和疏水表面都可以发生作用，并证明玉米蛋白的浓度对形成的膜的厚度有影响。4总结SPR生物传感器经过20年来的发展，已经成为生命科学和制药领域的一种重要的研究工具。近几年，其发展尤为迅猛，随着SPR仪器的不断完善和生物分子膜构建能力的不断增强，SPR生物传感器的应用前景极为广阔。SPR生物传感器与其它相关技术的成功结合，为研究者提供了更为准确详尽的实验信息，也带来了更为开阔的研究思路。从现在的研究成果来看，SPR传感器技术虽然具备了在这些领域有着广泛应用的潜力，但这些已经商品化的SPR传感器系统的使用，还仅局限于科研和实验室。为了突破这种限制，SPR传感器的研制应将朝如下方向发展：进一步提高检测准确度开拓多信道传感器；研制先进的标识元素。此外，光波导技术也为研制小型化、高性能和多信道SPR生物传感器提供了根本保证。参考文献1司士辉．生物传感器．北京：化学工业出版杜，2003，20~242陆斌，韦钰．基于全内反射荧光原理的免疫传感器．中国生物医学工程学报，1993，12(2)：142．3陈莉莉，陈静，杜毅，等．基于生物传感器BiacoreSS1技术的新药发现与开发．生命的化学，2004(6)；507～509．4崔大付，李向明，蔡号原，等．表面等离子谐振(SPR)生化分析仪的研制．现代科学仪器，2001(6)：34～38．5葛晶，殷涌光，王凯．使用SPR生物传感器快速检测大肠杆菌E．Coli0157：H7．吉林大学学报(工学版)，2005，35(2)：214～218．6ElsHG，JamesPG，JosephMS，eta1．Developmentandvalidationofabiosensor—basedimmunoassayforprogesteroneinbovinemilk[J]．JournalofImmunologicalMethods，2002，267：131～138．7EvaG，PerterB，AseS．BiosensoranalysisofpenicillinGinmilkbasedontheinhibitionofcarh0xypeptidaseactivity[J]．AnalyticalChimieaActa，2002，486：153～159．8WaldmannA．Monoelonalantibodiestoprogesterone；charac—terizationandselectionforenzymeimmunoassayinbovinemilk．Hybridoma，1999，18(3)：289～296．