表面等离子谐振(SPR)生化分析仪的研制与发展

　　1    引言

　　表面等离子体谐振(Surface Plasmon Resonance,SPR)技术是近年发展起来的一种现代的、先进的、通用的免标记生化检测技术,这种技术是基于物理光学现象的生化检测技术,以一种特殊的消逝波(SPW)为探针,探测传感媒质光学参数的变化过程。上世纪70年代末, SPR传感技术在识别薄膜[1]和监测金属界面反映过程[2]方面的潜力被人发现。1983年,Ny2lander and Liedberg将SPR技术用于气体检测和生物传感器中[3],此后该技术受到了科学界的关注并持续快速的发展起来,出现了能够检测物理、化学、生物量的新型SPR传感结构和器件。作为一种表面检测技术, SPR技术具有灵敏度高、无需标记、稳定快速、便捷实时等特点,特别适合研究生物分子相互作用,因此人们利用SPR技术在生化传感方面做了大量的研究工作。国外在瑞典BiacoreAB、美国TI等数家公司能够提供比较成熟的SPR产品,但价格都比较昂贵;国内中科院电子所传感技术国家重点实验室自行研制了一系列SPR生化分析仪,已提供给多家单位使用。其中高通量、多组份图像SPR生化分析仪成功实现了15个参数同时定量检测和自动进样,推动了其商品化的进程。

　　2　SPR传感技术工作原理

　　表面等离子体谐振(Surface Plasmon Resonance,SPR)生化分析仪,是基于基本的物理光学现象的分析系统。表面等离子体波是在金属和电介质界面上由偏振电磁波激励形成的一种电荷密度波。本SPR生化分析仪采用可见光激励,通过入射光和金属表面的自由电子相互作用,在一定的条件下入射光波将激发表面电荷密度波,从而导致反射光的强度大大减弱。这一现象被称为表面等离子体谐振,此时的入射角被称为谐振角。谐振角与金属表面物质的折射率变化有关,而折射率的变化与吸附或者特异性结合在金属表面的物质有关,因此金属上敏感膜表面的变化会导致吸收峰的移动。记录下时间和谐振角的关系即可记录相互作用的动态过程。

　　表面等离子体谐振生化分析仪可以灵敏﹑快速、原位﹑实时分析,简便快捷地监测DNA与蛋白质之间﹑蛋白质分子之间以及药物—蛋白质﹑核酸—核酸﹑抗原—抗体﹑受体—配体等等生物分子之间相互作用及其反应动力学过在生命科学、医疗检测、药物筛选、食品检测、环境监测、毒品检测、法医鉴定等领域具有广泛的应用需求。

　　3　SPR传感技术发展趋势

　　近年来, SPR传感技术在高通量和小型化两个方面发展受到特别重视:

　　1)高通量、阵列化、高灵敏度。生物技术研究和临床应用迫切需要能够在同一芯片上实现多种生物大分子同时检测的SPR分析仪及阵列化SPR敏感芯片。目前多数的SPR生化分析仪为单通道,双通道最多四通道系统,已经不能满足高通量、多组份检测的要求。阵列化的SPR传感装置最大的好处在于具有多个阵列单元,可以在每个单元上固定不同的生物大分子,实现多组分或者多通道检测,在临床应用,药物筛选和生物研究方面具有广阔的应用前景。前些年使用SPR传感技术检测小分子(分子量<1000Da)还存在困难,目前要测分子量在100Da的小分子,因此,仍需提高SPR传感装置的灵敏度,以满足小分子检测的要求。