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摘 要：通过对表面等离子共振技术的原理研究，从而深入介绍表面等离子共振传感技术在现代生物科技和医学上的广泛应用，以及探讨未来表面等离子共振技术的应用领域和趋势。
关键词：表面等离子共振技术 生物应用 医学应用
表面等离子共振技术，英文简写SPR。随着SPR技术成为分析生物化学、药物研究和食物监控领域[1-3]中的一个不可缺少的部分，SPR生物传感器的应用将更加趋向多样化，特别是它在小分子检测盒脂膜领域的新兴应用将使其在未来药物发现和膜生物学中扮演一个越来越重要的角色。近几年，其发展尤为迅猛，随着SPR仪器的不断完善和生物分子膜构建能力的不断增强，SPR生物传感器应用前景极为广阔。
一、表面等离子共振技术简介
表面等离子共振技术，英文简写SPR。1983 年，瑞典科学家 Liedberg 首次将 SPR 技术应用于抗体抗原相互作用的测定，由此产生了世界上第一只 SPR 生物传感器[4]由于SPR生物传感器作为一种强有力的动态检测手段，具有实时检测、无需标记、耗样量少等突出优点，在生物工程、医学、食品工业等多个领域都有广阔的应用前景，引起了世界范围的研究热潮[5]。
1.表面等离子共振技术的原理
表面等离子体共振又称SPR（Surface Plasmon Resonance），是一种物理光学现象[6]，它是由于入射光激发表面等离子体产生表面等离子波而形成的。当一束p偏振光在一定角度范围内入射到两种不同介质界面，如端面蒸镀有一层约50nm厚金膜的棱镜端面时，在棱镜与金膜界面将产生表面等离子波，当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金膜内自由电子产生共振，即表面等离子共振，入射光的一部分能量在金属表面发生迁移，从而使反射光在一定角度范围内大大减弱，使反射光在一定角度内完全消失的入射角为共振角。如果用于检测分析分子之间的反应动态时，先在芯片表面固定一层生物分子识别膜，然后将待测样品流过芯片表面，如果样品中有能够与芯片表面的生物分子识别膜相互作用的分子，引起金膜表面样品质量和折射率变化，从而导致共振角变化。通过实时监测SPR共振角所反映的生物分子动态结合和解离过程，可以获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数和特异性等信息。
二、表面等离子共振技术的应用
SPR生物传感器由于具有无需标记、在线检测、可再生、无样品前处理等优点[7]，在生命科学、药物残留、食品检测、疾病机理等方面有着广泛的应用前景。
1.在生命科学中的应用
SPR传感器能快速、灵敏、准确、简便地检测多种生化指标，并实时监测生物分子间的相互作用及影响因素的作用环节，可作为疾病诊断和机理研究的有效工具。
斯城燕[8]等人使用BIACORE 3000 SPR生物传感器系统实现了大肠杆菌O157：BH7的快速在线检测。这是因为大肠杆菌O157：H7是国际公认的食源性致病菌之一，对其快速检测，有助于迅速甄别传染源，将危害降到最低。
使用自行研制的SPR生物传感器进行乙肝表面抗原（HBsAg）的检测，与传统的酶联免疫吸附试验（ELISA）相比，SPR生物传感器的检出灵敏度明显高于ELISA法，还具有免标记、只需单一抗体、迅速给出定量结果的优点。
2.在药物残留中的应用
采用SPR生化分析仪快速检测对人类健康有潜在危害的动物源性食品中残留的醋酸甲羟孕酮（medroxy progesterone acetate，MPA），并对抗原的固定条件、抗体的浓度及芯片再生条件进行了优化，同时对抗体的稳定性及特异性进行了分析。由于检测时间短，易于携带，非常适合现场的快速检测，具有广泛的应用前景。采用HPSPR-6000型SPR生物分析仪对牛奶中兽药残留的主要成分磺胺二甲嘧啶进行了检测，发现该方法简单、快速、灵敏度高且重复性好，适用于大量无标记的牛奶中兽药残留的检测。
3.在疾病机理中的应用
利用生物传感器，可检测和定量测定病人血清中的生物药剂和抗体滴度的可行性，跟踪检测动物模型、人类临床试验。利用SPR技术在胞外环境中研究控制基因转录、细胞周期、细胞分裂和凋亡的信号传递途径，从而可以准确地设计出这些生化作用催化剂的拮抗物，应用于癌症的治疗。
4.在食品检测中的应用
主要用于维生素检测、生物毒素检测、细菌和病原菌检测、农、兽药残留量检测。生物传感器的在线分析能力和高灵敏度，微量样品需求的特点，使得这种仪器成为食品及環境安全监控的理想工具。
三、未来发展趋势
正是由于SPR技术有着巨大的优势，因此发展空间十分广阔。随着现代技术的发展与不断改进，对SPR的一些不足已经出现了不少改善方案。例如通过在生物分子与金属薄膜的结合中间做些改变可以增强SPR的稳定性；在检测效率方面，目前微流控芯片已经应用于SPR技术并实现了对蛋白质的可控分离和多通道检测。
SPR生物传感器作为多学科交叉的高科技领域，正越来越引起了化学、生物、物理、材料、计算机等相关学科研究人员的高度重视，随着研究的不断深入，必将为人类作出更大的贡献。
参考文献
[1] Villafranca J J. Techniques in Protein Chemistry[M]. New York： Academic Press，1991.
[2] Rodriguez-Mozaza S，Aldaa M J L，Marcob M P，et al. Biosensors for environmental monitoring： A global perspective[J]. Talanta，2005，65（ 2） ： 291 - 297.
[3] Mauriz E，Calle A，Montoya A，et al. Determination of environmental organic pollutants with a portable optical immunosensor[J].Talanta，2006，69（ 2） ： 359 - 364.
[4]杨 波，元秀华，金四化等. 用表面等离子体谐振技术测试抗原抗体结合反应[J]. 中国医学物理学杂志，2003，20（ 4） ：241 - 242.
[5] Baird C L，Myszka D G. Current and emerging commercial optical biosensors[J]. J Mol Recognition，2001，14（ 5） ： 261 - 268.
[6] Gjerde.D.T，Wiederin，D.R，Smith，F.G，Mattson，B.M.J Chro，atogr.1993，640，73
[7] Shankaran D R， Gobi K V， Miura N. Sensors and Actuators B， 2007， 121： 158.
[8]斯城燕、叶尊忠、王一娴等。 SPR生物传感器快速检测大肠杆菌O157BH7的研究 。光谱学与光谱分析，2011，10：2598-2601
关键词：表面等离子共振技术 生物应用 医学应用
表面等离子共振技术，英文简写SPR。随着SPR技术成为分析生物化学、药物研究和食物监控领域[1-3]中的一个不可缺少的部分，SPR生物传感器的应用将更加趋向多样化，特别是它在小分子检测盒脂膜领域的新兴应用将使其在未来药物发现和膜生物学中扮演一个越来越重要的角色。近几年，其发展尤为迅猛，随着SPR仪器的不断完善和生物分子膜构建能力的不断增强，SPR生物传感器应用前景极为广阔。
一、表面等离子共振技术简介
表面等离子共振技术，英文简写SPR。1983 年，瑞典科学家 Liedberg 首次将 SPR 技术应用于抗体抗原相互作用的测定，由此产生了世界上第一只 SPR 生物传感器[4]由于SPR生物传感器作为一种强有力的动态检测手段，具有实时检测、无需标记、耗样量少等突出优点，在生物工程、医学、食品工业等多个领域都有广阔的应用前景，引起了世界范围的研究热潮[5]。
1.表面等离子共振技术的原理
表面等离子体共振又称SPR（Surface Plasmon Resonance），是一种物理光学现象[6]，它是由于入射光激发表面等离子体产生表面等离子波而形成的。当一束p偏振光在一定角度范围内入射到两种不同介质界面，如端面蒸镀有一层约50nm厚金膜的棱镜端面时，在棱镜与金膜界面将产生表面等离子波，当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金膜内自由电子产生共振，即表面等离子共振，入射光的一部分能量在金属表面发生迁移，从而使反射光在一定角度范围内大大减弱，使反射光在一定角度内完全消失的入射角为共振角。如果用于检测分析分子之间的反应动态时，先在芯片表面固定一层生物分子识别膜，然后将待测样品流过芯片表面，如果样品中有能够与芯片表面的生物分子识别膜相互作用的分子，引起金膜表面样品质量和折射率变化，从而导致共振角变化。通过实时监测SPR共振角所反映的生物分子动态结合和解离过程，可以获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数和特异性等信息。
二、表面等离子共振技术的应用
SPR生物传感器由于具有无需标记、在线检测、可再生、无样品前处理等优点[7]，在生命科学、药物残留、食品检测、疾病机理等方面有着广泛的应用前景。
1.在生命科学中的应用
SPR传感器能快速、灵敏、准确、简便地检测多种生化指标，并实时监测生物分子间的相互作用及影响因素的作用环节，可作为疾病诊断和机理研究的有效工具。
斯城燕[8]等人使用BIACORE 3000 SPR生物传感器系统实现了大肠杆菌O157：BH7的快速在线检测。这是因为大肠杆菌O157：H7是国际公认的食源性致病菌之一，对其快速检测，有助于迅速甄别传染源，将危害降到最低。
使用自行研制的SPR生物传感器进行乙肝表面抗原（HBsAg）的检测，与传统的酶联免疫吸附试验（ELISA）相比，SPR生物传感器的检出灵敏度明显高于ELISA法，还具有免标记、只需单一抗体、迅速给出定量结果的优点。
2.在药物残留中的应用
采用SPR生化分析仪快速检测对人类健康有潜在危害的动物源性食品中残留的醋酸甲羟孕酮（medroxy progesterone acetate，MPA），并对抗原的固定条件、抗体的浓度及芯片再生条件进行了优化，同时对抗体的稳定性及特异性进行了分析。由于检测时间短，易于携带，非常适合现场的快速检测，具有广泛的应用前景。采用HPSPR-6000型SPR生物分析仪对牛奶中兽药残留的主要成分磺胺二甲嘧啶进行了检测，发现该方法简单、快速、灵敏度高且重复性好，适用于大量无标记的牛奶中兽药残留的检测。
3.在疾病机理中的应用
利用生物传感器，可检测和定量测定病人血清中的生物药剂和抗体滴度的可行性，跟踪检测动物模型、人类临床试验。利用SPR技术在胞外环境中研究控制基因转录、细胞周期、细胞分裂和凋亡的信号传递途径，从而可以准确地设计出这些生化作用催化剂的拮抗物，应用于癌症的治疗。
4.在食品检测中的应用
主要用于维生素检测、生物毒素检测、细菌和病原菌检测、农、兽药残留量检测。生物传感器的在线分析能力和高灵敏度，微量样品需求的特点，使得这种仪器成为食品及環境安全监控的理想工具。
三、未来发展趋势
正是由于SPR技术有着巨大的优势，因此发展空间十分广阔。随着现代技术的发展与不断改进，对SPR的一些不足已经出现了不少改善方案。例如通过在生物分子与金属薄膜的结合中间做些改变可以增强SPR的稳定性；在检测效率方面，目前微流控芯片已经应用于SPR技术并实现了对蛋白质的可控分离和多通道检测。
SPR生物传感器作为多学科交叉的高科技领域，正越来越引起了化学、生物、物理、材料、计算机等相关学科研究人员的高度重视，随着研究的不断深入，必将为人类作出更大的贡献。
参考文献
[1] Villafranca J J. Techniques in Protein Chemistry[M]. New York： Academic Press，1991.
[2] Rodriguez-Mozaza S，Aldaa M J L，Marcob M P，et al. Biosensors for environmental monitoring： A global perspective[J]. Talanta，2005，65（ 2） ： 291 - 297.
[3] Mauriz E，Calle A，Montoya A，et al. Determination of environmental organic pollutants with a portable optical immunosensor[J].Talanta，2006，69（ 2） ： 359 - 364.
[4]杨 波，元秀华，金四化等. 用表面等离子体谐振技术测试抗原抗体结合反应[J]. 中国医学物理学杂志，2003，20（ 4） ：241 - 242.
[5] Baird C L，Myszka D G. Current and emerging commercial optical biosensors[J]. J Mol Recognition，2001，14（ 5） ： 261 - 268.
[6] Gjerde.D.T，Wiederin，D.R，Smith，F.G，Mattson，B.M.J Chro，atogr.1993，640，73
[7] Shankaran D R， Gobi K V， Miura N. Sensors and Actuators B， 2007， 121： 158.
[8]斯城燕、叶尊忠、王一娴等。 SPR生物传感器快速检测大肠杆菌O157BH7的研究 。光谱学与光谱分析，2011，10：2598-2601