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技術(shù)應用
表面等離子共振技術(shù)的研究與改進(jìn)方向
來(lái)源:
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作者:英柏研發(fā)部
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發(fā)布時(shí)間: 2018-08-31
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《表面等離子共振檢測技術(shù)簡(jiǎn)介與進(jìn)展》第四部分
由于SPR傳感技術(shù)與其他傳統分析方法相比的獨特優(yōu)點(diǎn)，使得它在生物技術(shù)研究，藥物篩選、食品檢測、生物診斷技術(shù)等許多重要領(lǐng)域得到了保持著(zhù)快速的發(fā)展。目前的主要技術(shù)研究和改進(jìn)方向包括：進(jìn)一步提高SPR分析儀器的檢測靈敏度和分辨率以及穩定性；提高SPR分析儀器的高通量分析能力，實(shí)現SPR生物傳感器的的微陣列化和微流控這兩個(gè)方面。
進(jìn)一步提高SPR分析儀器的檢測靈敏度和分辨率以及穩定性一直是重點(diǎn)；主要的改進(jìn)方向利用復合金屬膜層物對金屬膜層的改進(jìn)和納米金屬粒子電磁場(chǎng)耦合諧振效應和表面富集效應增強來(lái)提高檢測靈敏度。
單個(gè)金屬膜層在作為SPR傳感芯片時(shí)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，使用金屬膜復合層結構是實(shí)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(diǎn)。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(lái)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(guò)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(chǎng)耦合諧振效應以及金納米顆粒的表面富集效應來(lái)提高SPR檢測靈敏度。在實(shí)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(jià)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(chǎng)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(jìn)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(shí)驗結果表明，金納米棒通過(guò)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(diǎn)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(guò)特定的儀器，對反應信號的強度進(jìn)行快速、并行、高效地檢測分析的技術(shù)。能夠極大的提高分析時(shí)候的通量。1998年荷蘭的Berge等人設計了由兩個(gè)4通道的流通池構成4X4二維陣列，可以同時(shí)檢測16種樣品的SPR傳感器，另外通過(guò)改變響應尖端的兒何構型可以?xún)?yōu)化基于白光的動(dòng)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(shí)可觀(guān)察到多個(gè)SPR活躍區，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(gè)傳感通道，大大增加了SPR傳感器的通量[18]。目前隨著(zhù)微量點(diǎn)樣技術(shù)的發(fā)展，微陣列芯片技術(shù)相對來(lái)說(shuō)比較成熟；各個(gè)SPR檢測儀器公司已經(jīng)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(xué)等領(lǐng)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(wǎng)絡(luò )運輸流體貫穿于整個(gè)系統以控制生物或化學(xué)反應過(guò)程，并對其反應產(chǎn)物進(jìn)行分析的一種技術(shù)，與其它分析技術(shù)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(shù)的靈活組合和規模集成，其結果是實(shí)現最大限度的自動(dòng)化、高通量和低消耗。微流控芯片的上述特征使得芯片實(shí)驗室(Lab-on-a-Chip概念成為可能。而微流控芯片技術(shù)與SPR生物傳感器集合，能極大的增強SPR檢測技術(shù)處理樣本的通量和靈敏度，大大節約了其檢測時(shí)間，提高了檢測效率。Ouellet 等研發(fā)了一款集成264個(gè)微單元腔的微流控芯片，每個(gè)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(jìn)一步提高SPR分析儀器的檢測靈敏度和分辨率以及穩定性一直是重點(diǎn)；主要的改進(jìn)方向利用復合金屬膜層物對金屬膜層的改進(jìn)和納米金屬粒子電磁場(chǎng)耦合諧振效應和表面富集效應增強來(lái)提高檢測靈敏度。
單個(gè)金屬膜層在作為SPR傳感芯片時(shí)都有其優(yōu)缺點(diǎn)，使用金屬膜復合層結構是實(shí)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(diǎn)。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(lái)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(guò)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(chǎng)耦合諧振效應以及金納米顆粒的表面富集效應來(lái)提高SPR檢測靈敏度。在實(shí)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(jià)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(chǎng)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(jìn)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(shí)驗結果表明，金納米棒通過(guò)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(diǎn)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(guò)特定的儀器，對反應信號的強度進(jìn)行快速、并行、高效地檢測分析的技術(shù)。能夠極大的提高分析時(shí)候的通量。1998年荷蘭的Berge等人設計了由兩個(gè)4通道的流通池構成4X4二維陣列，可以同時(shí)檢測16種樣品的SPR傳感器，另外通過(guò)改變響應尖端的兒何構型可以?xún)?yōu)化基于白光的動(dòng)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(shí)可觀(guān)察到多個(gè)SPR活躍區，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(gè)傳感通道，大大增加了SPR傳感器的通量[18]。目前隨著(zhù)微量點(diǎn)樣技術(shù)的發(fā)展，微陣列芯片技術(shù)相對來(lái)說(shuō)比較成熟；各個(gè)SPR檢測儀器公司已經(jīng)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(xué)等領(lǐng)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(wǎng)絡(luò )運輸流體貫穿于整個(gè)系統以控制生物或化學(xué)反應過(guò)程，并對其反應產(chǎn)物進(jìn)行分析的一種技術(shù)，與其它分析技術(shù)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(shù)的靈活組合和規模集成，其結果是實(shí)現最大限度的自動(dòng)化、高通量和低消耗。微流控芯片的上述特征使得芯片實(shí)驗室(Lab-on-a-Chip概念成為可能。而微流控芯片技術(shù)與SPR生物傳感器集合，能極大的增強SPR檢測技術(shù)處理樣本的通量和靈敏度，大大節約了其檢測時(shí)間，提高了檢測效率。Ouellet 等研發(fā)了一款集成264個(gè)微單元腔的微流控芯片，每個(gè)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]。