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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(cè)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(tǒng)分析方法相比的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使得它在生物技術(shù)研究，藥物篩選、食品檢測(cè)、生物診斷技術(shù)等許多重要領(lǐng)域得到了保持著快速的發(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(cè)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(shí)現(xiàn)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(cè)靈敏度和分辨率以及穩(wěn)定性一直是重點(diǎn)；主要的改進(jìn)方向利用復(fù)合金屬膜層物對(duì)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(yīng)和表面富集效應(yīng)增強(qiáng)來(lái)提高檢測(cè)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(fù)合層結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)不同金屬膜之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，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(fù)合金屬膜傳感器， 其信號(hào)強(qiáng)度變化的靈敏度是傳統(tǒng)的Au /Ni復(fù)合膜面的2倍多，對(duì)分析物檢測(cè)限更是降低了4 倍 [11] 。王曉萍等提出了一種鈀( Pd) /金( Au) 復(fù)合膜表面等離子共振氫敏結(jié)構(gòu)，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(yīng)度大等特點(diǎn)。數(shù)值模擬結(jié)果表明基于Au/Pd復(fù)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(qiáng)SPR傳感器的靈敏度。他們先將亞微米膠粒與抗原結(jié)合，然后再與傳感芯片表面的抗體結(jié)合，亞微米膠粒通過(guò)抗原抗體的結(jié)合連接到傳感芯片上，可以將SPR傳感器檢測(cè)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(tuán)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(yīng)信號(hào)，放大倍數(shù)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(yīng)以及金納米顆粒的表面富集效應(yīng)來(lái)提高SPR檢測(cè)靈敏度。在實(shí)驗(yàn)研究中，先將一單鏈DNA末端用琉基標(biāo)記，再利用金硫之間的共價(jià)鍵結(jié)合將該DNA固聯(lián)在金納米球表面，然后再將用金納米球標(biāo)記后的DNA通入樣品池，與目標(biāo)DNA發(fā)生雜交反應(yīng)，SPR傳感器的靈敏度有了明顯的提高。靈敏度提高的機(jī)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(yīng)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(duì)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(cè)試其對(duì)抗原與第一抗體反應(yīng)信號(hào)的放大作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金納米棒通過(guò)抗體與抗原的反應(yīng)結(jié)合到傳感芯片上，對(duì)之前抗原與第一抗體的反應(yīng)信號(hào)有很明顯的放大作用，測(cè)試發(fā)現(xiàn)SPR傳感器對(duì)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(xì)胞等生物樣品有序地固化于支持物的表面，然后與已標(biāo)記的待測(cè)生物樣品中靶分子反應(yīng)，通過(guò)特定的儀器，對(duì)反應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行快速、并行、高效地檢測(cè)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(shè)計(jì)了由兩個(gè)4通道的流通池構(gòu)成4X4二維陣列，可以同時(shí)檢測(cè)16種樣品的SPR傳感器，另外通過(guò)改變響應(yīng)尖端的兒何構(gòu)型可以優(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)可觀察到多個(gè)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(dá)216個(gè)傳感通道，大大增加了SPR傳感器的通量[18]。目前隨著微量點(diǎn)樣技術(shù)的發(fā)展，微陣列芯片技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟；各個(gè)SPR檢測(cè)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(yīng)、分離和檢測(cè)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(yùn)輸流體貫穿于整個(gè)系統(tǒng)以控制生物或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并對(duì)其反應(yīng)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(shì)在于微小尺寸下各種單元技術(shù)的靈活組合和規(guī)模集成，其結(jié)果是實(shí)現(xiàn)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(yàn)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(qiáng)SPR檢測(cè)技術(shù)處理樣本的通量和靈敏度，大大節(jié)約了其檢測(cè)時(shí)間，提高了檢測(cè)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(dú)立微型閥單獨(dú)控制，這種設(shè)計(jì)大大增強(qiáng)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(cè)靈敏度和分辨率以及穩(wěn)定性一直是重點(diǎn)；主要的改進(jìn)方向利用復(fù)合金屬膜層物對(duì)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(yīng)和表面富集效應(yīng)增強(qiáng)來(lái)提高檢測(cè)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(fù)合層結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)不同金屬膜之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，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(fù)合金屬膜傳感器， 其信號(hào)強(qiáng)度變化的靈敏度是傳統(tǒng)的Au /Ni復(fù)合膜面的2倍多，對(duì)分析物檢測(cè)限更是降低了4 倍 [11] 。王曉萍等提出了一種鈀( Pd) /金( Au) 復(fù)合膜表面等離子共振氫敏結(jié)構(gòu)，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(yīng)度大等特點(diǎn)。數(shù)值模擬結(jié)果表明基于Au/Pd復(fù)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(qiáng)SPR傳感器的靈敏度。他們先將亞微米膠粒與抗原結(jié)合，然后再與傳感芯片表面的抗體結(jié)合，亞微米膠粒通過(guò)抗原抗體的結(jié)合連接到傳感芯片上，可以將SPR傳感器檢測(cè)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(tuán)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(yīng)信號(hào)，放大倍數(shù)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(yīng)以及金納米顆粒的表面富集效應(yīng)來(lái)提高SPR檢測(cè)靈敏度。在實(shí)驗(yàn)研究中，先將一單鏈DNA末端用琉基標(biāo)記，再利用金硫之間的共價(jià)鍵結(jié)合將該DNA固聯(lián)在金納米球表面，然后再將用金納米球標(biāo)記后的DNA通入樣品池，與目標(biāo)DNA發(fā)生雜交反應(yīng)，SPR傳感器的靈敏度有了明顯的提高。靈敏度提高的機(jī)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(yīng)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(duì)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(cè)試其對(duì)抗原與第一抗體反應(yīng)信號(hào)的放大作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，金納米棒通過(guò)抗體與抗原的反應(yīng)結(jié)合到傳感芯片上，對(duì)之前抗原與第一抗體的反應(yīng)信號(hào)有很明顯的放大作用，測(cè)試發(fā)現(xiàn)SPR傳感器對(duì)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(xì)胞等生物樣品有序地固化于支持物的表面，然后與已標(biāo)記的待測(cè)生物樣品中靶分子反應(yīng)，通過(guò)特定的儀器，對(duì)反應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度進(jìn)行快速、并行、高效地檢測(cè)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(shè)計(jì)了由兩個(gè)4通道的流通池構(gòu)成4X4二維陣列，可以同時(shí)檢測(cè)16種樣品的SPR傳感器，另外通過(guò)改變響應(yīng)尖端的兒何構(gòu)型可以優(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)可觀察到多個(gè)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(dá)216個(gè)傳感通道，大大增加了SPR傳感器的通量[18]。目前隨著微量點(diǎn)樣技術(shù)的發(fā)展，微陣列芯片技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較成熟；各個(gè)SPR檢測(cè)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(yīng)、分離和檢測(cè)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(yùn)輸流體貫穿于整個(gè)系統(tǒng)以控制生物或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，并對(duì)其反應(yīng)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(shì)在于微小尺寸下各種單元技術(shù)的靈活組合和規(guī)模集成，其結(jié)果是實(shí)現(xiàn)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(yàn)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(qiáng)SPR檢測(cè)技術(shù)處理樣本的通量和靈敏度，大大節(jié)約了其檢測(cè)時(shí)間，提高了檢測(cè)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(dú)立微型閥單獨(dú)控制，這種設(shè)計(jì)大大增強(qiáng)了SPR一次性分析通量，減小了樣品的損耗[19]。