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技術應用
表面等離子共振技術的研究與改進方向
來源:
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作者:英柏研發(fā)部
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發(fā)布時間: 2018-08-31
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《表面等離子共振檢測技術簡介與進展》第四部分
由于SPR傳感技術與其他傳統(tǒng)分析方法相比的獨特優(yōu)點，使得它在生物技術研究，藥物篩選、食品檢測、生物診斷技術等許多重要領域得到了保持著快速的發(fā)展。目前的主要技術研究和改進方向包括：進一步提高SPR分析儀器的檢測靈敏度和分辨率以及穩(wěn)定性；提高SPR分析儀器的高通量分析能力，實現SPR生物傳感器的的微陣列化和微流控這兩個方面。
進一步提高SPR分析儀器的檢測靈敏度和分辨率以及穩(wěn)定性一直是重點；主要的改進方向利用復合金屬膜層物對金屬膜層的改進和納米金屬粒子電磁場耦合諧振效應和表面富集效應增強來提高檢測靈敏度。
單個金屬膜層在作為SPR傳感芯片時都有其優(yōu)缺點，使用金屬膜復合層結構是實現不同金屬膜之間的優(yōu)勢互補，提高SPR生物傳感器的靈敏度。2010 年，Chang 等研發(fā)了一款Au 與ZnO 復合金屬膜傳感器， 其信號強度變化的靈敏度是傳統(tǒng)的Au /Ni復合膜面的2倍多，對分析物檢測限更是降低了4 倍 [11] 。王曉萍等提出了一種鈀( Pd) /金( Au) 復合膜表面等離子共振氫敏結構，與單一Pd膜氫敏傳感器相比，具有可靠性好、靈敏度高和響應度大等特點。數值模擬結果表明基于Au/Pd復合膜氫敏傳感器所獲得的最佳靈敏度比單一Pd膜氫敏傳感器提高了49. 4% [12] 。
1993年Severns等人率先提出用亞微米膠粒放大的方法來增強SPR傳感器的靈敏度。他們先將亞微米膠粒與抗原結合，然后再與傳感芯片表面的抗體結合，亞微米膠粒通過抗原抗體的結合連接到傳感芯片上，可以將SPR傳感器檢測HCG的靈敏度提高30倍[13] 。1994年Lenung等人從理論上提出了納米粒子放大提高SPR靈敏度的不規(guī)則團模式。金膠粒固聯(lián)到金膜表面上可以放大SPR傳感器的響應信號，放大倍數主要取決于金膠粒的大小 [14] 。1998年，He等人提出利用金納米顆粒與金膜間的電磁場耦合諧振效應以及金納米顆粒的表面富集效應來提高SPR檢測靈敏度。在實驗研究中，先將一單鏈DNA末端用琉基標記，再利用金硫之間的共價鍵結合將該DNA固聯(lián)在金納米球表面，然后再將用金納米球標記后的DNA通入樣品池，與目標DNA發(fā)生雜交反應，SPR傳感器的靈敏度有了明顯的提高。靈敏度提高的機理主要是基于金膜表面和金納米球間的電磁場禍合諧振效應以及金納米球的表面富集作用 [15] 。李峰杰等分析了金納米棒的幾種表面修飾處理方法，選定一種表面修飾方法對金納米棒的表面進行修飾及功能化，然后使之與抗體偶聯(lián)。將金納米棒與抗體的偶聯(lián)體作為第二抗體，采用雙抗體夾心法測試其對抗原與第一抗體反應信號的放大作用。實驗結果表明，金納米棒通過抗體與抗原的反應結合到傳感芯片上，對之前抗原與第一抗體的反應信號有很明顯的放大作用，測試發(fā)現SPR傳感器對人IgG的靈敏度提高了50倍 [16] 。
微陣列芯片是指采用微量點樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細胞等生物樣品有序地固化于支持物的表面，然后與已標記的待測生物樣品中靶分子反應，通過特定的儀器，對反應信號的強度進行快速、并行、高效地檢測分析的技術。能夠極大的提高分析時候的通量。1998年荷蘭的Berge等人設計了由兩個4通道的流通池構成4X4二維陣列，可以同時檢測16種樣品的SPR傳感器，另外通過改變響應尖端的兒何構型可以優(yōu)化基于白光的動態(tài)范圍和檢出限的多模光纖SPR傳感器，在同樣的探頭上同時可觀察到多個SPR活躍區(qū)，從而可以增加SPR光譜的信息量[17]。2004年捷克的Homola小組又研制了一種基于衍射光柵陣列建立的SPR傳感器，傳感片上多達216個傳感通道，大大增加了SPR傳感器的通量[18]。目前隨著微量點樣技術的發(fā)展，微陣列芯片技術相對來說比較成熟；各個SPR檢測儀器公司已經推出了微陣列化的SPR生物傳感器[18]。
微流控芯片是指把生物和化學等領域中所涉及的樣品制備、反應、分離和檢測等基本操作單元集成到一塊幾平方厘米或更小的芯片上，由微通道網絡運輸流體貫穿于整個系統(tǒng)以控制生物或化學反應過程，并對其反應產物進行分析的一種技術，與其它分析技術相比較，微流控芯片的最大優(yōu)勢在于微小尺寸下各種單元技術的靈活組合和規(guī)模集成，其結果是實現最大限度的自動化、高通量和低消耗。微流控芯片的上述特征使得芯片實驗室(Lab-on-a-Chip概念成為可能。而微流控芯片技術與SPR生物傳感器集合，能極大的增強SPR檢測技術處理樣本的通量和靈敏度，大大節(jié)約了其檢測時間，提高了檢測效率。Ouellet 等研發(fā)了一款集成264個微單元腔的微流控芯片，每個單各由獨立微型閥單獨控制，這種設計大大增強了SPR一次性分析通量，減小了樣品的損耗[19]。
進一步提高SPR分析儀器的檢測靈敏度和分辨率以及穩(wěn)定性一直是重點；主要的改進方向利用復合金屬膜層物對金屬膜層的改進和納米金屬粒子電磁場耦合諧振效應和表面富集效應增強來提高檢測靈敏度。
單個金屬膜層在作為SPR傳感芯片時都有其優(yōu)缺點，使用金屬膜復合層結構是實現不同金屬膜之間的優(yōu)勢互補，提高SPR生物傳感器的靈敏度。2010 年，Chang 等研發(fā)了一款Au 與ZnO 復合金屬膜傳感器， 其信號強度變化的靈敏度是傳統(tǒng)的Au /Ni復合膜面的2倍多，對分析物檢測限更是降低了4 倍 [11] 。王曉萍等提出了一種鈀( Pd) /金( Au) 復合膜表面等離子共振氫敏結構，與單一Pd膜氫敏傳感器相比，具有可靠性好、靈敏度高和響應度大等特點。數值模擬結果表明基于Au/Pd復合膜氫敏傳感器所獲得的最佳靈敏度比單一Pd膜氫敏傳感器提高了49. 4% [12] 。
1993年Severns等人率先提出用亞微米膠粒放大的方法來增強SPR傳感器的靈敏度。他們先將亞微米膠粒與抗原結合，然后再與傳感芯片表面的抗體結合，亞微米膠粒通過抗原抗體的結合連接到傳感芯片上，可以將SPR傳感器檢測HCG的靈敏度提高30倍[13] 。1994年Lenung等人從理論上提出了納米粒子放大提高SPR靈敏度的不規(guī)則團模式。金膠粒固聯(lián)到金膜表面上可以放大SPR傳感器的響應信號，放大倍數主要取決于金膠粒的大小 [14] 。1998年，He等人提出利用金納米顆粒與金膜間的電磁場耦合諧振效應以及金納米顆粒的表面富集效應來提高SPR檢測靈敏度。在實驗研究中，先將一單鏈DNA末端用琉基標記，再利用金硫之間的共價鍵結合將該DNA固聯(lián)在金納米球表面，然后再將用金納米球標記后的DNA通入樣品池，與目標DNA發(fā)生雜交反應，SPR傳感器的靈敏度有了明顯的提高。靈敏度提高的機理主要是基于金膜表面和金納米球間的電磁場禍合諧振效應以及金納米球的表面富集作用 [15] 。李峰杰等分析了金納米棒的幾種表面修飾處理方法，選定一種表面修飾方法對金納米棒的表面進行修飾及功能化，然后使之與抗體偶聯(lián)。將金納米棒與抗體的偶聯(lián)體作為第二抗體，采用雙抗體夾心法測試其對抗原與第一抗體反應信號的放大作用。實驗結果表明，金納米棒通過抗體與抗原的反應結合到傳感芯片上，對之前抗原與第一抗體的反應信號有很明顯的放大作用，測試發(fā)現SPR傳感器對人IgG的靈敏度提高了50倍 [16] 。
微陣列芯片是指采用微量點樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細胞等生物樣品有序地固化于支持物的表面，然后與已標記的待測生物樣品中靶分子反應，通過特定的儀器，對反應信號的強度進行快速、并行、高效地檢測分析的技術。能夠極大的提高分析時候的通量。1998年荷蘭的Berge等人設計了由兩個4通道的流通池構成4X4二維陣列，可以同時檢測16種樣品的SPR傳感器，另外通過改變響應尖端的兒何構型可以優(yōu)化基于白光的動態(tài)范圍和檢出限的多模光纖SPR傳感器，在同樣的探頭上同時可觀察到多個SPR活躍區(qū)，從而可以增加SPR光譜的信息量[17]。2004年捷克的Homola小組又研制了一種基于衍射光柵陣列建立的SPR傳感器，傳感片上多達216個傳感通道，大大增加了SPR傳感器的通量[18]。目前隨著微量點樣技術的發(fā)展，微陣列芯片技術相對來說比較成熟；各個SPR檢測儀器公司已經推出了微陣列化的SPR生物傳感器[18]。
微流控芯片是指把生物和化學等領域中所涉及的樣品制備、反應、分離和檢測等基本操作單元集成到一塊幾平方厘米或更小的芯片上，由微通道網絡運輸流體貫穿于整個系統(tǒng)以控制生物或化學反應過程，并對其反應產物進行分析的一種技術，與其它分析技術相比較，微流控芯片的最大優(yōu)勢在于微小尺寸下各種單元技術的靈活組合和規(guī)模集成，其結果是實現最大限度的自動化、高通量和低消耗。微流控芯片的上述特征使得芯片實驗室(Lab-on-a-Chip概念成為可能。而微流控芯片技術與SPR生物傳感器集合，能極大的增強SPR檢測技術處理樣本的通量和靈敏度，大大節(jié)約了其檢測時間，提高了檢測效率。Ouellet 等研發(fā)了一款集成264個微單元腔的微流控芯片，每個單各由獨立微型閥單獨控制，這種設計大大增強了SPR一次性分析通量，減小了樣品的損耗[19]。