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仪器应用 | MP-SPR:基于微米厚度水凝胶连续且无需标记的小分子监测技术

来源:北京正通远恒科技有限公司 更新时间:2025-10-09 15:45:19 阅读量:47
导读:表面等离子体共振(SPR)长期以来一直被用于无标记检测分子表面间的相互作用,然而,面对水凝胶或功能性聚合物薄膜这类柔软且厚实的材料时,传统SPR单独使用无法发挥作用,而具有波导检测功能的MP-SPR能够对适体交联水凝胶进行灵敏且实时的表征。





MP-SPR:基于微米厚度水凝胶连续且无需标记的小分子监测技术




表面等离子体共振(SPR)长期以来一直被用于无标记检测分子间的相互作用,尤其是在表面进行检测。然而,当应用于诸如水凝胶或功能性聚合物薄膜这类柔软且厚实的材料时,传统的SPR单独使用可能无法充分捕捉材料内部更深处发生的变化。这就是波导效应在等离子体生物传感中成为一种强大优势的地方。本应用说明介绍了具有波导检测功能的MP-SPR如何能够对一种新型的适体交联水凝胶(适体凝胶)进行灵敏且实时的表征,这种适体凝胶是为连续监测抗生素万古霉素而设计的。(图1)

图1:MP-SPR 兼具波导模式和表面等离子体共振模式

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BioNavis MP-SPR 400 KONTIO(左)、410A KAURIS(右)

在多参数表面等离子体共振(MP-SPR)技术中,如果金属表面存在一层较厚的介质层(通常厚度大于200纳米),那么除了表面等离子体波之外,它还能支持波导模式。这些模式的产生是因为这层厚的介质层具有类似于光学波导的特性,能够捕获光线并使MP-SPR信号产生额外的共振特征。通过分析这些共振波谷的数量和位置,具有内置波导功能的MP-SPR成为了表征多层薄膜或厚涂层厚度及折射率的有力工具,有时可达数十微米。相比之下,传统的表面等离子体共振仅限于近表面区域,通常在金界面附近200至300纳米范围内。在本应用说明中,通过连续监测完整的表面等离子体共振曲线,能够测量适配体水凝胶层与万古霉素的相互作用,超出标准的表面等离子体共振检测范围。

经过镀金处理的MP-SPR传感器上覆盖了一层薄的水凝胶层,该水凝胶由8股的聚乙二醇-诺伯森单元(10千道尔顿)通过巯基化分裂适体序列以不同构型(单巯基化分裂适体对(MM)、单巯基化和双巯基化分裂适体对(MD)、双巯基化分裂适体对(DD)以及双巯基化完整母适体序列(Full))交联而成。在紫外线诱导的巯基-烯键偶联作用下,该水凝胶与巯基功能化的金表面发生共价结合,从而形成一个稳定且响应灵敏的基质。分裂适体经过精心设计,能够识别万古霉素,并同时充当动态交联剂。实验在生理温度(37°C)下进行,采用连续流动(50 μL/min)的方式在含有2毫摩尔氯化镁的 PBS(pH = 7.4)溶液中进行,使用配备有670纳米和785纳米激光波长的四通道MP-SPR 400 KONTIO系统。通过将波导模式反射率光谱(使用670纳米激光波长)与菲涅尔模型进行拟合,提取了水凝胶的参数——厚度(d)和折射率(n)。这些参数估计为2.41微米和1.3510(图2)。


图2用于从波导模式中提取水凝胶的折射率和光学厚度的实验数据拟合的代表性示例,该示例是从全反射率(使用670纳米激光波长记录)光谱中得出的,其结果以蓝色框进行突出显示。


当万古霉素被引入微流控腔中时,便观察到了清晰的光学反应。这种水凝胶的厚度有所减小(Δd),这是由于分析物引起的收缩所致,同时其折射率也有所增加(Δn),这反映了局部的致密化和分子结合事件(图2和图3)。这些结构变化是通过表面等离子共振(SPR)和波导模式同时检测到的。特别是波导模式显示出更高的灵敏度。这主要是由于其狭窄的共振宽度,即反射率下降的半峰全宽(FWHM)。更窄的FWHM会导致更清晰、更明显的信号,从而在实时检测过程中实现更高的角度分辨率和更低的基线噪声。这最终提高了检测限(LOD)。

图3通过计算厚度的相对变化(Δd%)和折射率的相对变化(Δn),以评估1毫摩尔万古霉素在不同交联构型下的结合效果所产生的影响。

事实上,对比分析图4表明,当通过最小的表面等离子体共振入射角偏移(Δθmin)进行追踪时,适配体胶实现了0.25微摩尔的检测限;而在特定角度下监测的波导模式反射率变化(ΔR)则实现了更高的检测限,为0.16微摩尔。作为参考,缺乏水凝胶体积和波导放大作用的适配体单层传感器的检测限则高达1.36微摩尔。

除了在缓冲液中的表现外,该适配体还经过了与生理环境相关的介质中的测试(此处未展示相关数据)。在200倍稀释的大鼠血浆(模拟间质液)中,该传感器的检测限保持在0.32微摩尔。在未稀释的马血清和5倍稀释的人血浆中,分别实现了0.27微摩尔和0.68微摩尔的检测限。这些数值是基于Δθmin监测得出的。

将光波导模式分析整合到MP-SPR框架中,为软物质生物传感带来了强大的新功能。在本研究中,波导模式具有更高的分辨率、更低的检测限以及厚度和折射率参数的评估能力,而仅依靠传统的SPR峰最小角度监测则无法达到如此准确的程度。

图4在不同万古霉素浓度下记录的aptagel的全角度反射率(R)谱图,展示了两种分析模式:(1)波导反射率变化(ΔR);(2)使用670纳米激光波长记录的SPR角度变化(Δθmin,见图注)。

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【END】



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