SPR與LSPR在儀器相關(guān)設(shè)計(jì)和檢測細(xì)節(jié)的區(qū)別

介紹
當(dāng)涉及到用于生物傳感、環(huán)境監(jiān)測、臨床診斷或闡明蛋白-蛋白相互作用的實(shí)時(shí)、無標(biāo)記光學(xué)技術(shù)時(shí)，大多數(shù)研究人員通常會(huì)想到表面等離子體共振(SPR)技術(shù)。一般來說，SPR信號(hào)產(chǎn)生于薄金屬表面生物分子相互作用導(dǎo)致的局部折射率變化，因此不需要標(biāo)記，數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)收集。傳統(tǒng)的SPR已經(jīng)建立了幾十年，局域表面等離子體共振 (LSPR)技術(shù)也走向了商業(yè)化。這兩種技術(shù)在儀器相關(guān)設(shè)計(jì)和檢測細(xì)節(jié)的區(qū)別將在下面進(jìn)行概述。

傳統(tǒng)SPR的優(yōu)勢(shì)
Affinite的SPR儀器的核心技術(shù)使用了Kretschmann配置，其中入射光與連接到玻璃棱鏡的薄金膜上的表面等離子體相互作用(圖1)。消逝波垂直于金屬表面?zhèn)鞑サ街車�的樣品介質(zhì)中。這些消逝波對(duì)金屬薄膜表面[1]到200-300nm范圍內(nèi)的任何折射率變化都很敏感。這是SPR檢測靈敏度的關(guān)鍵，只有在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的折射率變化才會(huì)影響SPR的響應(yīng)。例如，與表面受體結(jié)合的蛋白質(zhì)的存在會(huì)引起表面等離子體條件的變化，從而改變SPR的響應(yīng)，這在我們的儀器中是用波長測量的(可以很容易地轉(zhuǎn)換為共振單位)。
 

圖1所示 基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的SPR設(shè)計(jì)圖像

是什么使Affinite的儀器成為大多數(shù)應(yīng)用、質(zhì)量控制和檢測開發(fā)的首選平臺(tái)?
棱鏡上的金膜厚度為50nm，已被證明能提供高靈敏的測量[2]。這也是市場上大多數(shù)SPR儀器的標(biāo)準(zhǔn)和首選配置。此外，我們的SPR儀器使用波長模式，而不是角度。因此，光學(xué)組件使我們的平臺(tái)保持緊湊和穩(wěn)健，并減少受到物理振動(dòng)或擾動(dòng)產(chǎn)生的噪聲的影響。最重要的是，由于這種技術(shù)的折射特性，光線不需穿透樣本，可以使用血清和血漿等復(fù)雜的基質(zhì)。自從幾十年前傳統(tǒng)的SPR出現(xiàn)以來，已經(jīng)有無數(shù)的文獻(xiàn)對(duì)金表面鈍化以減少非特異性吸附進(jìn)行了研究。Affinite同時(shí)也優(yōu)化了一種名為Afficoat的獨(dú)特試劑，可以降低生物樣本與芯片表面的非特異結(jié)合。最重要的是，由于我們易于使用的SPR平臺(tái)、直觀的軟件和創(chuàng)新的KNX2泵模塊，獲得感興趣的生物分子相互作用的動(dòng)力學(xué)和親和力信息非常簡單。

傳統(tǒng)SPR在生物傳感、分析開發(fā)和其他應(yīng)用方面的主要優(yōu)勢(shì)
*最少的樣品準(zhǔn)備
*對(duì)表面的結(jié)合作用引起的表面折射率變化具有高靈敏度
*在表面化學(xué)、分析開發(fā)、親和力和動(dòng)力學(xué)測定和應(yīng)用方面有許多文獻(xiàn)參考
*可用于復(fù)雜的樣品，如臨床樣本

局域表面等離子體共振技術(shù)LSPR呢?
LSPR使用的不是金屬薄膜，而是圓形的納米顆粒以及其他形狀的納米顆粒，比如直徑通常小于100nm的納米圓盤、納米棒和納米三角形[3]，它們要么用于溶液中，要么固定在透明的基底上。對(duì)于固定的LSPR, SPR信號(hào)依賴于介質(zhì)的局部折射率。當(dāng)入射光激發(fā)納米顆粒時(shí)，表面等離子體激元(或自由電子振蕩)被限制在納米顆粒的邊界內(nèi)(圖2)。LSPR采用透射模式，峰值吸收波長的偏移將對(duì)應(yīng)于納米顆粒表面局部折射率的變化。
 

圖2  局域表面等離子體共振技術(shù)LSPR光路示意圖

雖然LSPR看起來是一個(gè)更簡單的過程，但在信號(hào)重復(fù)性、靈敏度和信噪比方面面臨一系列問題。由于LSPR等離子體激元峰增寬，傳感器性能等問題，檢測時(shí)可能會(huì)發(fā)生結(jié)果重復(fù)性低的問題。這可能與納米顆粒的輻射阻尼，以及這些納米顆粒的尺寸、形狀、表面粗糙度和材料不均勻性的組合有關(guān)[4,5]。如果納米顆粒表面與聚集體不一致，則固定蛋白的密度可能會(huì)發(fā)生變化，這會(huì)影響靈敏度。此外，LSPR實(shí)驗(yàn)的噪聲也高于傳統(tǒng)的SPR[7,8]。當(dāng)?shù)蜐舛鹊姆治鑫锉粰z測時(shí)可能會(huì)遇到信噪比問題。眾所周知，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，納米顆粒的量會(huì)相應(yīng)減少[7,9]。

雖然自21世紀(jì)初[6]以來，關(guān)于LSPR的文獻(xiàn)數(shù)量開始增加，但在納米粒子表面化學(xué)的優(yōu)化方面仍有差距。而納米顆粒的非特異性結(jié)合一直是一個(gè)難以克服的問題[6,9]。當(dāng)涉及臨床樣本這樣的復(fù)雜基質(zhì)時(shí)，尤其如此[9]。

結(jié)論
傳統(tǒng)的SPR和LSPR通過不同的光路設(shè)計(jì)提供信號(hào)。然而，平面金屬薄膜的表面化學(xué)性質(zhì)更加穩(wěn)定，而且SPR信號(hào)不像LSPR那樣嚴(yán)重依賴于納米顆粒的性能和質(zhì)量。納米顆粒的表面化學(xué)必須精細(xì)控制，其性能才得以保障。進(jìn)一步探索LSPR現(xiàn)象和其應(yīng)用依然需要一個(gè)過程。

總之，傳統(tǒng)的SPR工具，如Affinite instruments提供:
*金薄膜的均勻性，檢測重復(fù)性好

*基于波長檢測的儀器設(shè)計(jì)，運(yùn)行穩(wěn)定

*對(duì)于復(fù)雜的生物樣品，亦能提供優(yōu)良的檢測效果

*完善的表面修飾策略，臨床應(yīng)用的案例，以及著名的期刊文獻(xiàn)

考慮到以上所有觀點(diǎn)，Affinite的SPR儀器基于傳統(tǒng)的SPR技術(shù)設(shè)計(jì)，因?yàn)樗�是一種更可靠的方法，可以為研究人員提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，沒有任何不確定性。

Affinite優(yōu)勢(shì)
✓Affinite Instruments的P4SPR、qSPR是一種非常友好的檢測儀器。

✓與傳統(tǒng)的ELISA免疫分析相比，Affinite Instruments的SPR儀器提供快速、實(shí)時(shí)的親和力和動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。

✓簡單----輕松易學(xué)，快速取得試驗(yàn)結(jié)果。

✓多功能性----生物制藥，生物傳感，分析方法開發(fā)及應(yīng)用。

✓經(jīng)濟(jì)----實(shí)惠，方便。

Affinite Instruments公司的SPR儀器使用性價(jià)比高，實(shí)驗(yàn)耗材傳感芯片價(jià)格友好，是一款真正普通實(shí)驗(yàn)室即可買得起用得起的互作檢測儀器，同時(shí)免于維護(hù)的負(fù)擔(dān)。

文獻(xiàn)參考

[1] Maxime Couture, Ludovic S. Live, Anuj Dhawan and Jean-Francois Masson. EOT or Kretschmann configuration? Comparative study of the plasmonic modes in gold nanohole arrays. Analyst, 2012, 137, 4162.

[2] Gwon, H.R.; Lee, S.H. Spectral and angular responses of surface plasmon resonance based on the Kretschmann prism configuration. Mater. Trans. 2010, 51, 1150–1155.

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[4] Mikael Svedendahl, Si Chen, Alexandre Dmitriev, and Mikael Kall. Refractometric Sensing Using Propagating versus Localized Surface Plasmons: A Direct Comparison. Nano Lett., 9, 2009, 4428-4433.

[5] K, Takemura. Surface Plasmon Resonance (SPR)- and Localized SPR (LSPR)-Based Virus Sensing Systems: Optical Vibration of Nano- and Micro-Metallic Materials for the Development of Next-Generation Virus Detection Technology. Biosensors, 2021, 11, 250.

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[8] Chanda Ranjit Yonzon, Eunhee Jeoung, Shengli Zou, George C. Schatz, Milan Mrksich, and Richard P. Van Duyne. A Comparative Analysis of Localized and Propagating Surface Plasmon Resonance Sensors: The Binding of Concanavalin A to a Monosaccharide Functionalized Self-Assembled Monolayer. J. Am. Chem. Soc., 2004, 126, 12669-12676.

[9] Andreas Dahlin. Biochemical Sensing with Nanoplasmonic Architectures: We Know How but Do We Know Why? Annu. Rev. Anal. Chem., 2021, 14, 281–9.