SPR生物传感器研究综述

SPR生物传感器研究综述

刘小林

(宜春学院,江西宜春336000)

摘　要:SPR生物传感器已广泛应用于易变反应物与传感器表面固定结合配体之间特定定性与定量分析1

文章综述了这种新技术的研究和应用进展情况,传感器的组成和工作原理,传感器表面和固定,应用于实验

的步骤,实验结果与未来发展趋势1

关键词:SPR生物传感器;固定技术;生物大分子

中图分类号:Q6　文献标识码:A　文章编号:1671-380X(2006)04-0120-04

Rev i ews on the Study of Surface Pl a s m on Resonance B i osen sors

L I U Xiao-lin

(Yichun College1J iangxi Y ichun336000China)

Abstract:Surface p las mon res onance bi osens ors have become increasingly popular for the qualitative and quantitative characterizati on of the s pecific binding of a mobile reactant t o a binding partner i m mobilized on the sens or surface1This A rticle revie ws the study devel2 opments of this ne w technique,including sens or surface and i m mobilizati on,an app lied experi m ental p r ocedure,experi m ental results and future pers pectives1

Key words:Surface Plas mon Res onance B i osens or;I m mobilizati on Technique;B i ol ogicalMacr omolecule

1990年,随着SPR生物传感器(Surface p las mon res o2 nance bi osens ors)的传播,可视的光波生物传感器随即被广泛应用并逐渐成为生物大分子间相互作用的定性和定量的检测工具1对照于其他方法,这种生物传感器能察觉到在流动时期结合到被固定在生物传感器表面的特殊反应1SPR 生物传感器部分地引起关注是因为被测的物理量是折射率变化,因此,没有chr omophoric组或被标记的生物大分子是必须要的1另外,SPR生物传感器在结合的过程中提供即时的消息,也适用于μM到sub---n M宽物质间的相互作用1

目前,很多大分子间的相互作用在SPR生物传感器上的应用被公开地应用于多个领域1包括细胞粘附因子,T 细胞抗原受体和MHC-编码分子,受体—配体的相互作用,抗体抗原的相互作用,病毒研究,蛋白质—DNA和DNA--DNA间的相互作用,脂类泡状体或平面双层间的相互作用及与膜结合的单程转录复合物的合成等1除了由B iacore、Upp sala、s weden(B I A core)、I ntersents I nstru ments BV、Amersfoort、Netherlands(I B I S)制造的工业上应用的SPR生物传感器和几种用于装备实验室的SPR生物传感器外,目前只有两种渐消失的光波导耦合方式生物传感器在工业上被应用,这两种生物传感器(Kretsch mann结构为基础的棱镜型和衍射光栅型生物传感器)是以反射原理和光栅配体原理为基础,它们在描述可视物质的相互作用的性能上与SPR生物传感器类似1

用渐消失的光波生物传感器得到的可靠的数据描述化学结合动力学和平衡点,比较于简单的结合定性分析,这是一种费时费力的工作1即便是反应都遵守简单的准一级动力学规律,需要克服的困难却有:(1)固定技术必须按本来的结构结合自由反应物,必须反应均匀,必须达到方位1表面不允许有较多的非特异性结合1(2)相对地小折射率的指标增加的大多数生物大分子必须有限制的集中于传感器表面的结合位点上1(3)自由反应物能有效地运输到反应的传感器表面等问题比混合反应物的问题难解决得多1结果,测量的结合过程曲线受到限制自由反应物的质量转移,和到达传感器表面和在传感器表面上毗邻结合位点的障碍,这些测量的结合过程曲线也同样受到固定反应物不同亚群结合过程重叠和非特异性结合的影响1最近几年,最重大的进展是实验技术的发展使这些问题可以得到解决或降低其影响,在计划上控制实验,在分析程序和诊断上的发展,在结果的描述上都有改进1

SPR生物传感器的基本构造是一个由很薄的金属薄膜(通常是金的或银的)组成的棱镜,这个结构最早由Kretsch mann和Raether提出,光在棱镜内部的全部反射往往激发金属薄膜上的非放射性表面胞质团1这种胞质团是使金属薄膜表面产生等离子膜共振1

1　生物传感器的组成和工作原理

第28卷　第4期2006年8月

宜春学院学报(自然科学)

Journal of Yichun University(s ocial science)

Aug128,No14

Aug12006

收稿日期:2006-04-17

作者简介:刘小林(1966-),男,江西高安市人,副教授,在读博士研究生,研究方向:农学与生物技术1

传感器是能将一种被测量的信号(参量)转换成为一种可输出信号的装置1生物传感器(bi osens ors)就是用生物成分作为感受器的传感器1通常由感受器和换能器和电子线路三部分组成1当待测物质通过具有分子识别功能的接受器时,固定在接受器上的亲和配基与待测生物分子相互作用的瞬间发生能量的转移,经过换能器,这种能量会以电或光等物理讯号的方式输出,经过电子系统的放大处理和显示,就可以测出待测物质的量1

感受器是生物传感器的心脏,整个生物传感器核心技术也在于此1制备感受器包括两个方面的工作,一是选择最佳的载体材料,二是在载体表面固定化亲和配基1传感器另一个重要组成部分是换能器,它可以感知固定化配基(分子识别器)与待测物质特异性结合产生的微小变化,并把这种变化转变成其他可以记录的信号,如检测电学变化,密度和质量的变化,振幅和频率和声波相位的改变,或用热敏感元件测量热学的改变1把这些信号送到放大装置中,输出并记录结果1换能器质量的好坏,决定了传感器灵敏度的高低1

SPR是一种物理光学现象,是电磁波所激励的在金属和电介质交界面上形成的影响电磁波传播的谐振波1表面等离子体(SP)是沿着金属和电介质间界面传播的电磁波形成的1当平行表面的偏振光以称之为表面等离子体共振角入射在界面上,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1在这个角度上由于表面等离子体共振引起界面反射光显著减少1由于SPR对金属表面电介质的折射率非常敏感,不同电介质其表面等离子体共振角不同,同种电介质,其附在金属表面的量不同,则SPR的响应强度不同,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既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1

2　传感器表面和固定

SPR生物传感器不必为反应物贴标签,一种结合配体被固定在传感器表面(被看作是肉眼可见到的尺寸相当于标签)1结合亲和力和动力学的分析通常解释结合反应独有的反应物间本来的相互作用,那就是,非特异性表面结合是可以忽略的,固定也不影响结合位点的结构,更可取地是,大分子必须按相同的方位连接或自由的接近自由反应物1因此,传感器表面的固定技术的应用非常重要,有很多不同的固定技术已经被描述1显然,做好结合配体的固定是最佳的选择,并且最好固定技术的应用决定于特殊的相互作用的大分子,如果有可能,选择使用各种固定技术似乎有很多优点1

3　SPR生物传感器应用于实验的步骤

第一、反应物要共价的结合到传感器表面,在实验的接合期,自由的第二反应物按结合浓度溶于缓冲液并在传感器表面流动,而传感器表面检测着过程中的复杂信息1接下来是解离期,自由的反应物不在缓冲液中并且记录复杂解离的时程,最后,传感器表面去掉剩余合成物而恢复[比如短时暴露在过低PH值的缓冲液中]1这些结合、解离、和再生循环在不同浓度的自由反应物中不断重复,所得到的结合过程曲线包括化学率常数与热力学平衡常数间相互影响的信息1

4　实验结果

平衡衡量一般地允许数据遵从方程式6,在许多研究中,提取平衡不变告诉我们一对化学物质是独立的和选择结合对象是固定的,类似的结合过程曲线服从方程式4和7是常有地1然而,在大多数试验中,期望单个代表者联合和分离过程违反结合动力,取而代之,联合时期显然多数代表者或S型结合过程被观察,在分离时间,双代表者曲线是非常常见的,虽然,这可以指出多步骤结合机制或多价的影响,这些影响还是服从系统坚持简单的唯一级动力,因此,常有地偏差归因于固定结合位点上亚种的存在(本生存在的或不规则固定产生的)在传感器表面立体的妨碍的影响,或群体转移限制中外来物质的产生,这些在分离时期都牵涉重结合1

尽管如此,大多数公开的实验都争论方程式4和7,为纯准一级结合,可正确的特有的选择数据子集,这可指示的接近可导致随意地和内部地不一致的结果,例如:比率K-/K+是不同的命令大小从平衡固定K D获得平衡平面信号,这些违反方程式1、消极的推断价值K ObS在f O=0;或服从结合率不变的在结合期K ObS比K-小,这违反方程式5,这主张获得动力率常数可翻译表面率常数,然而,这可指出清晰的数据不追随模型为起源率常数是基础,率常数的使用是一个问题1

K D=K-/K+(1) d[XL]/dt=k+[L]([X]t ot-[XL])-k-[XL](2) dR/d t=k+f o R sat-(k+f o+k-)R,(3) R(t)=R eq(f o)[1-exp(-k0bs t)](4) K obs=k+f o+k-(5) R eq(f o)=R max[1+k-/(k+f o)]-1=R max[1+K D/f o]-1

(6)

R(t)=R(t o)exp[-k-(t-t0)](7) K+app/k+=k-app/k-=[1+k+(R sat-R)/k tr]-1(8) K li m obs(f o)=(k+・f o+k-)/[1+(k+R sat/k tr)(1+k+f o/ k-)-1](9) dR/dt=-k-R/[1+k+(R sat-R)/k tr](10)许多研究是比较其他实验室中有关大分子相互作用系统,用生物传感器获得的平衡常数和动力常数,在很多不同时期,例如热量测定法沉淀平衡,荧光猝灭,E L I S A,过滤结合测定,在有些实验,有些可限制实验不稳定的方法出现,在其他的研究中,最大的不同是显而易见的,包括许多序列大小的差异,N ieba和结合用生物传感器发现不同的半抗原对抗体相对吸引力能与E L I S A竞争实验中体现最大的不同点1

当然,很难找到一般的规律,它们服从不一致和矛盾在重要的严密的数据分析和控制实验下划线,持这种看法

第4期 刘小林:SPR生物传感器研究综述 第28卷