表面等离子共振（SPR）技术：如何洞察分子互作

    你是否曾好奇，科学家们如何精确捕捉分子间瞬间的互动？如何在不干扰生命过程的前提下，实时观测分子结合与解离？这一切的答案，很可能就是表面等离子共振（SPR）技术。

1、技术原理

    表面等离子体是一种金属表面的电磁波，由自由振动的光子和电子相互作用产生。表面等离子体共振（surface-plasmon resonance，SPR）是一种发生在两种介质表面的光学现象，这种现象可以由光子或电子诱导。光从光密介质射入光疏介质发生全反射现象，会形成消逝波进入光疏介质。当全反射的消逝波与金属表面的等离子波相遇时，可能会发生共振，反射光能量下降，在反射光能量谱上出现共振峰，这种共振称为表面等离子体共振。引起表面等离子体共振的入射角称为SPR角。

    SPR生物传感器提供了一个灵敏的、实时监测分子间相互作用的非标记检测技术。该传感器检测的是SPR角的变化，SPR又与金属表面的折射率相关。当有分析物结合到芯片表面后，导致了芯片表面折射率的改变，从而引起SPR角度变化，这就是SPR生物传感器实时检测分子间相互作用的基本原理。在相互作用分析时，SPR角度的改变被实时记录在传感图上。

 

2、技术特点

    免标记检测：无需对分析物进行荧光或放射性标记，保持分子天然状态。

    实时动态监测：直接、实时地观察分子结合与解离的全过程。

    高灵敏：可检测极低浓度（皮摩尔甚至飞摩尔级）的样品。

    非破坏：对样品通常是非破坏性的，样品可回收。

    高通量：现代SPR仪器支持多通道并行检测，提高效率。

    动力学：直接获得分子相互作用的结合和解离速率常数。

    定量精准：直接测量由分子结合引起的质量变化，提供绝对定量的结合信息。

 

3、技术对比

    在分子互作研究领域，没有一种“万能”的技术。MST、SPR、BLI 和 ITC 虽然都用于检测结合事件，但它们的工作原理、提供的信息维度以及适用场景各有侧重。选择错误的技术，可能会导致实验失败、数据不准确或无法获得关键参数。例如，若需要了解结合过程中的热量变化（这对于理解结合驱动力至关重要），就必须选择 ITC；若需要实时监测快速的结合和解离速率，则 SPR 或 BLI 更为合适。因此，清晰地区分这些技术的独特优势和核心输出，是设计成功实验方案、获取可靠生物学结论的第一步。

 

4、实验方法

（1）固定配体

    将一种分子（称为配体，如抗体、蛋白质等）通过化学方法固定于传感器芯片的金属膜表面。

（2）分析物进样

    将含有待检测分子的样品注入流动池，与固定在芯片表面的分子接触。使用SPR仪器Biacore实时监测分子间相互作用，记录结合和解离过程中的反射光强度变化。

（3）芯片再生

    每次结合后以甘氨酸盐酸盐（pH 2.0）再生芯片；使用Biacore Insight评估软件，通过1:1 Langmuir模型拟合获取结合及解离常数。

（4）数据分析

    计算结合常数（Ka）、解离常数（Kd）、亲和力(KD)等参数，对传感图进行动力学或亲和力分析。

 

5、应用范围

    SPR技术的应用早已渗透到生命科学和医疗产业的各个角落：

    新药研发：是药物筛选、抗体表征、候选药物优化中不可或缺的工具，可精准测定药物与靶点结合的亲和力、速率常数。

    基础研究：广泛用于研究蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸、抗原-抗体等生物分子间相互作用。

    疾病诊断：高灵敏度的SPR生物传感器可直接检测疾病标志物，用于早期诊断。

    食品安全与环境监测：快速检测食物中的过敏原、病原体，或环境中的污染物。

    从基础科研到临床应用，表面等离子共振技术正如一双敏锐的“眼睛”，让我们能够洞见微观分子世界的瞬息万变，持续推动着生物医学领域向前发展。

 

6、案例展示

    按照溶解浓度进行化合物测定，化合物的动力学拟合的测定结果如下所示。

B蛋白与化合物A相互作用测定（上：互作拟合图；下：质控结果）