表面等离子体谐振(SPR)生化分析仪的研制

　　1　引　言

　　21世纪是生命科学的时代,在分子水平上认识和研究生命现象是当今研究的热点。近年来一种先进的生物化学分析方法和技术———表面等离子体谐振(Surface Plasmon Resonance, SPR)测试技术得到广泛的重视和迅速的发展。

　　SPR技术是基于物理光学特性的一种分析技术,利用光学SPR技术测定时,将一种反应物(如配体)固定在传感芯片表面金属膜上,含分析物的样品(受体)以恒定的速度通过传感芯片,与传感芯片上分子间的相互作用,引起表面膜的光学参数变化(如折射率变化等),将带来SPR光学信号的改变。记录和处理这些信号可将整个反应过程显示出来。分析时不需预先处理和纯化。整个测量可在数分种内完成,而传统技术需数小时、甚至数日的分析。

　　传统的分析方法局限于体外实验或使用离体器官进行。必须进行标记,才能对有关实验系统进行示踪,跟随实验过程,研究有关动力学过程。传统的表面分析技术,例如X射线光电子能谱(XPS)、俄歇电子能谱(AES)以及次级离子质谱(SIMS)等,不仅费用比较昂贵,设备庞大,灵敏度有限,而且都不能研究有关动力学过程。与传统技术相比,SPR技术的优点极为明显,不需要进行标记,表面生物分子间的相互作用可以直接、实时、原位地进行监测,样品需要量少,可以监测吸附或解吸附过程的连续反应,可以监测可逆性程度,也可以详尽地研究生物分子相互作用的动力学过程。SPR分析技术的出现,大大加快和优化免疫测定过程;更为DNA和蛋白质之间的研究带来了重大突破。几十年来,DNA和蛋白质之间相互作用,特别是其反应动力学的测定一直没有简便快捷的方法,而SPR技术解决了这一难题。

　　SPR分析技术在美、英、日等国都在进行大量研究应用[1,2,8],每年都发表大量论文,有人统计仅1999年就有507篇[9];SPR生化分析仪性能也在不断改进。作为商品Phamacia公司的Biacore系列产品占据国际市场主导地位,并已进入中国市场。由于价格昂贵,售出不多,仅有数台。目前已出现多种结构、不同调制方式的SPR生化分析仪。我们设计研制谐振角调制型SPR生化分析系统已有十多年历史^[3~7],先后研制成立式SPR分析系统和卧式SPR分析系统。本文介绍SPR-2000型卧式系统,其具有很高的精度,测角精度达1×10^-3度,入射角变化范围很宽,从40°到70°,可测定气体和液体样品,具有通用性。试用证明是一种有特色、实用、可靠的SPR生化分析系统。

　　2　原　理

　　表面等离子体谐振是由入射光的电磁波和金属导体表面的自由电子形成的电荷密度波相互作用产生的。这种沿着金属导体(金,银)表面传播的电荷密度波是一种电磁波,被称为表面等离子体波(SurfacePlasmon Wave,SPW)。它是一种消逝波,在金属内部的分布是随着与表面垂直距离的增大而指数衰减。根据Maxwell方程,可以推导出该电磁波的波矢k_sp^[1]: