表面等离子共振技术的研究与改进方向

《表面等离子共振检测技术简介与进展》第四部分

由于SPR传感技术与其他传统分析方法相比的独特优点，使得它在生物技术研究，药物筛选、食品检测、生物诊断技术等许多重要领域得到了保持着快速的发展。目前的主要技术研究和改进方向包括：进一步提高SPR分析仪器的检测灵敏度和分辨率以及稳定性；提高SPR分析仪器的高通量分析能力，实现SPR生物传感器的的微阵列化和微流控这两个方面。

进一步提高SPR分析仪器的检测灵敏度和分辨率以及稳定性一直是重点；主要的改进方向利用复合金属膜层物对金属膜层的改进和纳米金属粒子电磁场耦合谐振效应和表面富集效应增强来提高检测灵敏度。

单个金属膜层在作为SPR传感芯片时都有其优缺点，使用金属膜复合层结构是实现不同金属膜之间的优势互补，提高SPR生物传感器的灵敏度。2010 年，Chang 等研发了一款Au 与ZnO 复合金属膜传感器， 其信号强度变化的灵敏度是传统的Au /Ni复合膜面的2倍多，对分析物检测限更是降低了4 倍 ^[11] 。王晓萍等提出了一种钯( Pd) /金( Au) 复合膜表面等离子共振氢敏结构，与单一Pd膜氢敏传感器相比，具有可靠性好、灵敏度高和响应度大等特点。数值模拟结果表明基于Au/Pd复合膜氢敏传感器所获得的最佳灵敏度比单一Pd膜氢敏传感器提高了49. 4% ^[12] 。

1993年Severns等人率先提出用亚微米胶粒放大的方法来增强SPR传感器的灵敏度。他们先将亚微米胶粒与抗原结合，然后再与传感芯片表面的抗体结合，亚微米胶粒通过抗原抗体的结合连接到传感芯片上，可以将SPR传感器检测HCG的灵敏度提高30倍^[13] 。1994年Lenung等人从理论上提出了纳米粒子放大提高SPR灵敏度的不规则团模式。金胶粒固联到金膜表面上可以放大SPR传感器的响应信号，放大倍数主要取决于金胶粒的大小 ^[14] 。1998年，He等人提出利用金纳米颗粒与金膜间的电磁场耦合谐振效应以及金纳米颗粒的表面富集效应来提高SPR检测灵敏度。在实验研究中，先将一单链DNA末端用琉基标记，再利用金硫之间的共价键结合将该DNA固联在金纳米球表面，然后再将用金纳米球标记后的DNA通入样品池，与目标DNA发生杂交反应，SPR传感器的灵敏度有了明显的提高。灵敏度提高的机理主要是基于金膜表面和金纳米球间的电磁场祸合谐振效应以及金纳米球的表面富集作用 ^[15] 。李峰杰等分析了金纳米棒的几种表面修饰处理方法，选定一种表面修饰方法对金纳米棒的表面进行修饰及功能化，然后使之与抗体偶联。将金纳米棒与抗体的偶联体作为第二抗体，采用双抗体夹心法测试其对抗原与第一抗体反应信号的放大作用。实验结果表明，金纳米棒通过抗体与抗原的反应结合到传感芯片上，对之前抗原与第一抗体的反应信号有很明显的放大作用，测试发现SPR传感器对人IgG的灵敏度提高了50倍 ^[16] 。

微阵列芯片是指采用微量点样等方法，将大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至组织切片、细胞等生物样品有序地固化于支持物的表面，然后与已标记的待测生物样品中靶分子反应，通过特定的仪器，对反应信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析的技术。能够极大的提高分析时候的通量。1998年荷兰的Berge等人设计了由两个4通道的流通池构成4X4二维阵列，可以同时检测16种样品的SPR传感器，另外通过改变响应尖端的儿何构型可以优化基于白光的动态范围和检出限的多模光纤SPR传感器，在同样的探头上同时可观察到多个SPR活跃区，从而可以增加SPR光谱的信息量^[17]。2004年捷克的Homola小组又研制了一种基于衍射光栅阵列建立的SPR传感器，传感片上多达216个传感通道，大大增加了SPR传感器的通量^[18]。目前随着微量点样技术的发展，微阵列芯片技术相对来说比较成熟；各个SPR检测仪器公司已经推出了微阵列化的SPR生物传感器^[18]。

微流控芯片是指把生物和化学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离和检测等基本操作单元集成到一块几平方厘米或更小的芯片上，由微通道网络运输流体贯穿于整个系统以控制生物或化学反应过程，并对其反应产物进行分析的一种技术，与其它分析技术相比较，微流控芯片的最大优势在于微小尺寸下各种单元技术的灵活组合和规模集成，其结果是实现最大限度的自动化、高通量和低消耗。微流控芯片的上述特征使得芯片实验室(Lab-on-a-Chip概念成为可能。而微流控芯片技术与SPR生物传感器集合，能极大的增强SPR检测技术处理样本的通量和灵敏度，大大节约了其检测时间，提高了检测效率。Ouellet 等研发了一款集成264个微单元腔的微流控芯片，每个单各由独立微型阀单独控制，这种设计大大增强了SPR一次性分析通量，减小了样品的损耗^[19]。