표면 플라스몬 공명 분광법

소개

표면 플라스몬 공명(SPR) 분광법은 비침습적이며 라벨링이 필요 없는 기술로, 실시간으로 비공유 결합 분자 상호작용을 모니터링할 수 있습니다. 라벨 없는 분석법인 SPR은 가시광선 또는 형광 신호를 유도하기 위해 태그, 염료 또는 특수 시약(예: 효소-기질 복합체)이 필요하지 않습니다. 지난 20년 동안 SPR은 단백질-DNA, 단백질-세포, RNA-DNA, DNA-DNA, 단백질-단백질, 단백질-탄수화물, 소분자-거대분자(예: 수용체-억제제 복합체), 단백질-펩타이드 및 자체 조립 단층층의 비공유 상호작용을 연구하는 데 광범위하게 적용되었습니다. 또한 SPR은 약물 발견 리간드-피싱 및 임상 면역원성 연구(즉, 치료제에 대한 면역 반응을 모니터링하는 데)에 성공적으로 적용되었습니다. SPR 분광법은 관심 샘플에 존재하는 선택된 분자의 상호작용 특이성, 동역학, 친화성 및 농도와 같은 질문을 해결할 수 있습니다.

원칙

입사광이 비교적 높은 굴절률의 매질에서 낮은 굴절률의 매질로 전파될 때, 광선은 굴절하는 것이 아니라 반사하는 경향이 있습니다. 굴절에서 광선은 방향을 바꾸고 두 매질을 통과하면서 휘어집니다. 반사에서 광선은 입사각과 반사각이 같은 표면에 충돌한 후 다시 튀어오릅니다. 광선이 경계를 가로지르지 못하고 완전히 반사되면 전반사(TIR)가 발생합니다. TIR의 일반적인 예는 전문적으로 절단된 다이아몬드에서 최대의 반짝임을 구현하는 것입니다. TIR은 또한 광섬유의 작동에서 중요한데, 여기서 빛은 광섬유를 따라 이동하고, 케이블의 핵심 내에서 최소한의 손실로 벽에서 반사됩니다.
비흡수성 매질 사이의 계면에서 TIR이 발생하는 동안 , 완전히 반사된 광선은 굴절률이 낮은 매질로 일부 전기장 강도를 누출합니다. 누출된 전기장은 소멸장이라고 합니다. 소멸장파의 진폭은 계면으로부터의 거리에 따라 지수적으로 감소합니다. SPR에서 소멸파는 금속- 유전체 계면의 금속층 내에서 전자를 여기시켜 표면 플라스몬을 생성합니다. 표면 플라스몬 또는 표면 플라스몬 폴라리트론은 인터페이스 영역과 평행하게 전파되는 전자기 표면파입니다. 플라스 몬파가 굴절률이 낮은 매질로 침투함에 따라 편광된 빛의 반사 "각도" 강도의 시간 의존적 변화가 기록됩니다. 반사광 강도는 입사광 각도의 함수로 계산됩니다. SPR 각도가 0.0001도 변하는 것은 SPR 신호의 단위 변화에 해당합니다.

바이오센싱을 위한 기존 Kretschmann 광학 구성 의 개략도 및 시간에 따른 공명 신호 변화의 관련 각도 이동 및 센서그램 플롯

스테로이드 호르몬, 독소, 약물 및 폭발물 잔류물을 포함한 다양한 종류의 소분자 항원을 대상으로 하는 소분자 면역 검정에 SPR 전달 기술을 적용합니다. SPR 전달은 스테로이드 호르몬, 클로람페니콜 및 오크라톡신 A와 같은 소분자를 감지하는 데 사용되었습니다. SPR은 결합 및 재활용에 대한 정보를 제공하고, 결합 질량 및 협력 플라스몬 활성화 를 강화하기 위해 2차 저항 또는 금 나노입자와 같은 방법을 사용하여 신호를 향상시킵니다 . 이러한 방법은 표준화되었으며 면역 바이오센서 에서 소분자 감지를 위한 공통 플랫폼을 제공하여 광범위한 소분자에 대한 응용 가능성을 열어줍니다.

그림 2. 프로게스테론 고정화 SPR 센서 표면에 대한 1차 단일클론 항체 ( mAb ) 결합 반응과 2차 항체와의 결합 신호 강화에 따른 재구성에 대한 센서그램.

SPR 센서는 2차 항체 및 재생 단계에서 모노클로날 항체 결합 반응의 변화하는 값을 기록하여 스테로이드 호르몬과 항체와 같은 소분자 간의 상호 작용을 모니터링하고 측정합니다. 이러한 분자가 센서 표면에 결합하거나 센서 표면을 떠나면 SPR 조건이 변경되고 이중으로 변하는 센서 신호가 생성됩니다. 이를 통해 분자 상호 작용 과정을 매우 민감하고 실시간으로 모니터링할 수 있습니다.

표면 플라스몬 공명(SPR) 계측

표면 플라스몬 공명(SPR) 분광법은 일반적으로 파장이 500nm에서 800nm 범위인 광원을 사용합니다. 가장 일반적으로 사용되는 파장은 보통 620nm에서 800nm 정도인데, 이 범위는 강력한 표면 플라스몬 효과를 생성할 수 있고 주변 매질의 굴절률 변화를 감지할 수 있기 때문입니다.

그림 2. SPR 시스템의 주요 부분

LSM LED는 310-880nm 범위의 개별 파장과 3000K 색온도의 따뜻한 흰색 옵션으로 제공됩니다. LSM LED 제품군의 혁신적인 광학 설계는 광섬유로의 고효율 커플링을 제공합니다. LSM LED는 여러 장착 옵션(DIN 레일, 광학 벤치, 랙)을 수용하며 여러 LED와 액세서리를 운반할 수 있는 견고한 플라스틱 케이스와 함께 제공됩니다 .

그림 3. Ocean Insight의 LSM LED

분광기는 광섬유를 통과한 샘플에 의해 반사된 빛 스펙트럼을 기록하는 데 사용되었습니다. USB2000 분광기는 사용자에게 단일 패키지에서 비정상적으로 높은 스펙트럼 응답과 우수한 광학 분해능을 모두 제공하는 기술의 독특한 조합입니다. 전자 장치는 다양한 USB2000 시리즈 모듈과 외부 인터페이스에 연결하는 데 상당한 유연성을 제공하도록 설계되었습니다.

그림 4. Ocean Optics의 USB2000 분광기

Ocean Insight 장비는 사용자의 목적에 맞춰 시스템과 구성 요소를 설계할 때 높은 분해능과 높은 감도 사이의 완벽한 균형을 연구자들에게 제공하는 것으로 신뢰받고 있습니다.

표면 플라스몬 공명의 응용

SPR은 약물 발견, 단백질 공학 및 생물 분자 상호 작용 연구 에서 널리 사용되는 도구가 되었습니다 . 다음은 응용 프로그램의 몇 가지 예입니다.

1. 약물 발견

SPR은 치료 후보를 찾고 개선하기 위해 약물 후보의 표적 단백질에 대한 결합 동역학 및 친화도를 분석합니다. 또한 표적 단백질 결합 능력을 위해 방대한 화학 물질 라이브러리를 확인하는 데 사용할 수도 있습니다. 암 치료법을 만드는 과정에서 SPR은 표적 단백질 키나제에 대한 소분자 억제제의 결합 동역학 및 친화도를 검사하는 데 사용되었습니다.

2. 항체 특성화

SPR은 항체가 표적 항원에 결합하는 친화도와 동역학을 평가하는 데 사용됩니다. SPR은 자가면역 질환에 대한 치료용 항체를 만드는 과정에서 항체가 표적 항원에 결합하는 동역학 및 친화도를 조사하는 데 사용되었습니다.

3. 단백질-단백질 상호작용

많은 생물학적 과정에 중요한 단백질 상호작용은 SPR을 사용하여 연구됩니다. 알려진 상호작용의 메커니즘을 조사하고 새로운 단백질-단백질 상호작용을 발견하는 데 적용할 수 있습니다. SPR은 단백질이 유전자가 발현되는 방식을 제어하는 결합 파트너와 어떻게 상호작용하는지 조사하는 데 사용되었습니다.

4. 효소 반응 동역학

효소 촉매 반응의 동역학은 SPR을 사용하여 조사되었습니다. 간의 약물 대사에 중요한 효소 촉매 과정의 동역학은 SPR을 사용하여 조사되었습니다.

결론

표면 플라스몬 공명(SPR)은 분자 생물학과 생화학의 세계를 완전히 바꾼 강력하고 적응력 있는 분석 방법입니다. SPR은 실시간으로  표지 없이 생물 분자 상호 작용을 감지할 수 있기 때문에 단백질-단백질, 단백질-DNA 및 단백질-리간드 상호 작용을 분석하는 데 유망한 방법입니다. 또한 SPR은 환경 모니터링, 의료 진단 및 약물 개발에 광범위하게 사용됩니다. 기술이 발전함에 따라 SPR이 기본 및 실제 연구 모두에서 더욱 중요해질 것으로 예상됩니다.

Figure 4: QEPro spectrometer.

The Ocean LDC-1C LED light source is a state-of-the-art instrument designed for the precise excitation of photoluminescence in photovoltaic materials. It features a compact, single-channel driver and controller tailored for next-generation LED Light Source Modules (LSMs), ensuring optimal performance and protection against excessive current. With its user-friendly, menu-driven interface, the LDC-1C facilitates seamless operation and integration with LSMs, making it an essential tool for researchers and professionals in the field of photovoltaic technology.

Figure 5: LDC-C1 LED controler and LSM LED modules.

Conclusion

Photoluminescence spectroscopy is a powerful, non-destructive tool for analyzing photovoltaic materials. By providing insights into bandgap determination, impurity and defect analysis, recombination mechanisms, and carrier dynamics, it plays a crucial role in optimizing the performance of photovoltaic devices. The use of advanced instruments like the Ocean QEPro spectrometer and the Ocean LDC-1C LED light source enhances the precision and reliability of these measurements, paving the way for more efficient and sustainable solar energy solutions.