Phổ Cộng Hưởng Plasmon Bề Mặt

GIỚI THIỆU

Phổ cộng hưởng Plasmon bề mặt (SPR) là một kỹ thuật không xâm lấn và không cần sử dụng nhãn để theo dõi các tương tác phân tử không cộng hóa trị theo thời gian thực. Là một xét nghiệm không cần nhãn, SPR không yêu cầu nhãn, thuốc nhuộm hoặc thuốc thử chuyên dụng để tạo ra tín hiệu huỳnh quang hoặc tín hiệu ảnh. Trong hai thập kỷ qua, SPR đã được ứng dụng rộng rãi để nghiên cứu các tương tác không cộng hóa trị của protein-DNA, protein-tế bào, RNA-DNA, DNA-DNA, protein-protein, protein-carbohydrate, phân tử nhỏ-đại phân tử (ví dụ: phức hợp thụ thể-chất ức chế), protein-peptide và các lớp màng tự lắp ráp. Ngoài ra, SPR đã được ứng dụng thành công trong việc tìm kiếm phối tử phát hiện thuốc và nghiên cứu khả năng sinh miễn dịch lâm sàng (tức là để theo dõi phản ứng miễn dịch chống lại tác nhân điều trị). Phổ SPR có thể giải quyết các câu hỏi như tính đặc hiệu của tương tác, động học, ái lực và nồng độ của các phân tử được chọn có trong mẫu.

NGUYÊN TẮC

Khi ánh sáng tới lan truyền trong môi trường có chiết suất tương đối cao hơn sang môi trường có chiết suất thấp hơn, tia sáng có xu hướng phản xạ thay vì khúc xạ. Trong khúc xạ, tia sáng thay đổi hướng khi đi qua hai môi trường. Trong phản xạ, chùm sáng bật lại sau khi chiếu vào bề mặt và có góc tới bằng góc phản xạ. Khi chùm sáng bị phản xạ toàn phần, phản xạ toàn phần bên trong (TIR) xảy ra. Một ví dụ phổ biến về TIR là trong kim cương được cắt chuyên nghiệp, nơi nó làm cho chúng lấp lánh. TIR cũng rất quan trọng trong hoạt động của sợi quang, nơi ánh sáng truyền dọc theo sợi quang, phản xạ khỏi các thành của nó, bên trong lõi của cáp với mức tổn thất tối thiểu.

Trong quá trình xảy ra TIR tại giao diện giữa hai môi trường không hấp thụ, xuất hiện cường độ điện trường vào môi trường có chiết suất thấp hơn. Điện trường này được gọi là trường phụ thuộc. Biên độ của sóng trường biến mất giảm dần theo khoảng cách từ giao diện theo kiểu hàm mũ. Trong SPR, sóng phụ thuộc kích thích các electron bên trong lớp kim loại của giao diện kim loại-điện, tạo ra plasmon bề mặt. Plasmon bề mặt hoặc plasmon bề mặt phân cực là sóng điện từ từ bề mặt lan truyền song song với vùng giao diện. Khi sóng plasmon thâm nhập vào môi trường có chiết suất thấp hơn, bất kỳ thay đổi thời gian trong cường độ của "góc" phản xạ của ánh sáng phân cực đều được ghi lại. Cường độ ánh sáng phản xạ được tính theo hàm của góc ánh sáng tới. Sự dịch chuyển trong góc SPR 0,0001 độ tương ứng với một đơn vị dịch chuyển trong tín hiệu SPR.

Hình 1. Sơ đồ cấu hình quang học Kretschmann thông thường cho cảm biến sinh học SPR và sự dịch chuyển góc liên quan và biểu đồ cảm biến về sự thay đổi tín hiệu cộng hưởng theo thời gian

Ứng dụng phổ cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) vào xét nghiệm miễn dịch phân tử nhỏ. Phổ cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) đã được sử dụng để phát hiện các phân tử nhỏ như hormone steroid, chloramphenicol và ochratoxin A. SPR cung cấp thông tin về liên kết và tái chế, cũng như tăng cường tín hiệu thông qua việc sử dụng các phương pháp như kháng thứ cấp hoặc hạt nano vàng để tăng cường khối lượng liên kết và kích hoạt plasmon. Các phương pháp này đã được chuẩn hóa và cung cấp một nền tảng chung để phát hiện phân tử nhỏ trong các cảm biến miễn dịch sinh học, có khả năng ứng dụng cho nhiều loại phân tử nhỏ.

Hình 2. Biểu đồ cảm biến về phản ứng liên kết của kháng thể đơn dòng chính (mAb) với bề mặt cảm biến SPR cố định bằng progesterone và tăng cường tín hiệu liên kết bằng kháng thể thứ cấp sau đó là tái tạo.

Cảm biến của phổ cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) ghi lại các giá trị thay đổi của phản ứng liên kết kháng thể đơn dòng trong quá trình giám sát giai đoạn kháng thể và tái tạo, từ đó theo dõi và đo lường các tương tác giữa các phân tử nhỏ như hormone steroid và kháng thể. Khi các phân tử này liên kết hoặc rời khỏi bề mặt cảm biến, điều này sẽ thay đổi các điều kiện SPR và tạo ra tín hiệu cảm biến thay đổi. Điều này cho phép theo dõi các quá trình tương tác phân tử có độ nhạy cao và theo thời gian thực.

THIẾT BỊ ĐO PHỔ CỘNG HƯỞNG PLASMON BỀ MẶT (SPR)

Phổ cộng hưởng Plasmon bề mặt (SPR) thường sử dụng nguồn sáng có bước sóng từ 500 nm đến 800 nm. Các bước sóng được sử dụng phổ biến nhất thường là khoảng 620 nm đến 800 nm, vì phạm vi này có thể tạo ra hiệu ứng plasmon bề mặt mạnh và cho phép phát hiện những thay đổi trong chỉ số khúc xạ của môi trường xung quanh.

Hình 2. Các bộ phận chính của hệ thống SPR

Nguồn sáng LED LSM có sẵn ở các bước sóng riêng biệt trong phạm vi từ 310-880 nm và tùy chọn màu trắng ấm với nhiệt độ màu 3000K. Thiết kế quang học của dòng đèn LED LSM cung cấp khả năng kết nối vào sợi quang một cách hiệu quả. Đèn LED LSM có thể lắp đặt trên nhiều nơi (thanh DIN, bệ quang, giá đỡ) và được trang bị kèm hộp nhựa để có thể chứa nhiều đèn LED và phụ kiện .

Hình 3. Đèn LED LSM của Ocean Insight

Máy quang phổ được sử dụng để ghi lại quang phổ ánh sáng phản xạ của mẫu đi qua sợi quang. Máy quang phổ USB2000 là sự kết hợp độc đáo của các công nghệ cung cấp cho người dùng cả phổ cao bất thường và độ phân giải quang học tốt. Các thiết bị điện tử được thiết kế để có tính linh hoạt đáng kể khi kết nối với nhiều mô-đun USB2000 series.

Hình 4. Máy quang phổ USB2000 của Ocean Optics

Các thiết bị của Ocean Insight được tin cậy trong việc cung cấp cho các nhà nghiên cứu sự cân bằng hoàn hảo giữa độ phân giải cao và độ nhạy cao trong khi thiết kế các hệ thống và thành phần phù hợp với mục đích của người dùng.

ỨNG DỤNG CỦA CỘNG HƯỞNG PLASMON BỀ MẶT

SPR đã trở thành một công cụ được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu thuốc, kỹ thuật protein và nghiên cứu tương tác sinh học phân tử. Một số ví dụ về ứng dụng của SPR:

1. Nghiên cứu thuốc

SPR phân tích động học liên kết và ái lực của các thuốc với protein mục tiêu để tìm và cải thiện các ứng viên điều trị. Nó cũng có thể được sử dụng để kiểm tra một thư viện hóa chất rộng lớn về khả năng liên kết protein mục tiêu. Trong quá trình tạo ra phương pháp điều trị ung thư, SPR đã được sử dụng để kiểm tra động học liên kết và ái lực của chất ức chế phân tử nhỏ với protein kinase mục tiêu.

2. Đặc điểm kháng thể

SPR được sử dụng để đánh giá sự kết hợp và động học của kháng thể với kháng nguyên mục tiêu của chúng. SPR được sử dụng để nghiên cứu động học và động học của sự liên kết của kháng thể với kháng nguyên mục tiêu của nó trong quá trình tạo ra kháng thể điều trị cho các rối loạn tự miễn dịch.

3. Tương tác protein-protein

Sự tương tác protein - quan trọng đối với nhiều quá trình sinh học, được nghiên cứu bằng SPR. Nó có thể được áp dụng để nghiên cứu cơ chế của các tương tác đã biết cũng như khám phá các tương tác protein-protein mới. SPR được sử dụng để nghiên cứu cách protein tương tác với các chất cùng liên kết của chúng, điều khiển cách gen được biểu hiện.

4. Động học của Enzym

Động học của các phản ứng xúc tác bởi enzyme được nghiên cứu bằng SPR. Động học của quá trình xúc tác bởi enzyme đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa thuốc ở gan đã được nghiên cứu bằng SPR

KẾT LUẬN

Phổ cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) là một phương pháp phân tích mạnh mẽ và có khả năng thích ứng đã hoàn toàn thay đổi thế giới sinh học phân tử và hóa sinh. SPR là một phương pháp đầy hứa hẹn để phân tích các tương tác protein-protein, protein-DNA và protein-ligand vì nó có thể phát hiện các tương tác sinh học phân tử theo thời gian thực và không cần gắn nhãn. Ngoài ra, SPR có nhiều ứng dụng trong giám sát môi trường, chẩn đoán y khoa và phát triển thuốc. Người ta dự đoán rằng SPR chiếm vai trò quan trọng hơn trong cả nghiên cứu cơ bản và thực tế khi công nghệ phát triển.