表面等离子共振技术-北京大学单分子与纳米生物学试验室.PDFVIP

表面等离子共振技术 北京大学力学系生物医学工程专业2003级，郭瑾 摘要：表面等离子共振技术自80年代发展起来后，目前在生物医学领域已有了广泛应用，发挥着重要 作用。本文就表面等离子共振技术的原理和其在蛋白质组学、抗原－抗体研究和药物筛选中的应用做 了简要阐述。 关键词：表面等离子共振，隐失波，蛋白质组学，抗原－抗体相互作用，药物筛选 表面等离子共振技术（surface plamon resonace technology,SPR 技术）是上个世纪80 年代发展起来的以生物传感芯片（biosensor chip）为中心的一种新技术，由Biacore AB公司 开发。此后人们开始研究用各种方法改进SPR的性能、简化仪器系统，并试图用SPR技术测量不 同的生化物质，如DNA-DNA间的生物特异性相互作用【1】，蛋白质折叠机制的研究【2】，微生 物细胞的检测【3】，抗体－抗原分子相互作用的研究【4】等。本文对于表面等离子共振技术 的原理和其在生物医学领域的应用作了简要的综述。 一、表面等离子共振技术的原理 全内反射是一种普遍存在的光学现象。考虑一束平面光波从介质1表面进入到介质2中。入 射光在介质1表面上一部分发生反射，另一部分则透射进介质2。入射角和透射角之间满足关系 式： n1sinθ1=n2sinθ2 这里n1是介质1的折射率，n2是介质2的折射率。当入射角增大，增大到临界角θc 时,这时 的透射角为90°；当入射角继续增大到大于临界角时，光不再透射进介质2，也就是发生了全反 射。由snell定律可知： θ2=90° θc=sin-1(n2/n1) 由上式可知，当n2n1时，全反射就可能发生。从几何光学的角度来看，当光发生全反射时， 光会在介质1界面上完全反射而不进入介质2中。实际上，由于波动效应，有一部分光的能量会 穿过界面渗透到介质2中，平行于界面传播。这部分光场就是所谓的隐失波【5】。一般情况下 隐失波在折射率小的介质中传播一段距离，再回到折射率大的介质，使光的全部能量都回到第 一介质中。如果隐失波的频率与金属表面振荡的自由电子（即等离子）频率一致，则金属表面 的等离子就吸收光能发生共振（surface plasmon resonance，SPR），使反射光强度减弱，这时 的入射角为共振角（SPR角）。糖蛋白和脂蛋白引起的特异性折射率增高较其他蛋白低。而核酸 引起的特异性折射率增高比蛋白质稍高。 在表面等离子共振仪中，最核心的结构是芯片，芯片的结构见图1。在玻璃表面附有一层金 箔，一种待检分子（ligand）连在金箔上，入射光在金和玻璃表面发生全反射，并产生SPR，这 时的入射角为I。当有另一种分子（analyte）与ligand相互作用时，使金箔的折射率发生变化， 这时以原来的入射角（I）入射就不能发生SPR，而以入射角（II）入射才能发生SPR【6】。用楔 形的入射光入射保证了入射角在一定范围能，并能实时检测。 图1 图2 在analyte与ligand相互作用后，以缓冲液流过芯片表面，使analyte和ligand相分离，从 而芯片得到再生，可以重复使用（如图2）。 二、表面等离子共振仪的组成 表面等离子共振仪主要由五部分组成：芯片、光学系统、液体处理系统、控温系统和计算 机软件。液体处理系统是一个多通道的微流池，可以控制不同液体流过芯片表面。另外由于折 射率、反应动力学、溶液中分子转移至芯片上等等均对温度很敏感，所以控温系统对于仪器测 量的准确度也很重要。 这里具体介绍一下芯片和光学系统的组成【7】： 芯片主要由玻璃基底、金箔和表面基质组成。芯片上的