光学表面等离子共振（SPR）

光学表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种基于倏逝波与金属薄膜表面自由电子相互作用产生物理光学现象的高灵敏、无标记实时分析技术。当入射光在特定角度（共振角）激发金属薄膜（通常为金或银）表面的等离子体波时，会引起反射光强急剧衰减。共振角对薄膜表面介质的折射率变化极为敏感，任何由生物分子结合、吸附或反应引起的质量变化均会导致折射率改变，从而被SPR仪器实时监测为共振角或共振波长的位移。

检测项目

SPR技术凭借其高灵敏度与实时动力学分析能力，在多个领域实现了广泛而具体的检测应用，以下列举十个以上核心检测项目：

1. 抗体-抗原亲和力与动力学常数测定：通过将抗原固定于传感器芯片表面，注入不同浓度的抗体溶液，实时监测结合与解离过程。通过拟合结合和解离曲线，可精确计算结合常数（Ka）、解离常数（Kd）及亲和力常数（KD）。这是药物研发和免疫诊断的基础。

2. 蛋白质-蛋白质相互作用分析：用于研究信号转导、复合物组装等过程。将一种蛋白质固定，另一种作为分析物流过表面，SPR可实时揭示相互作用的特异性、强度及化学计量比。

3. 小分子药物-靶蛋白相互作用筛选：将药物靶点蛋白固定于芯片，筛选化合物库。通过观察共振信号的变化，可以快速鉴定活性化合物并评估其结合强度，广泛应用于药物发现初期。

4. 核酸杂交动力学研究：将单链DNA或RNA探针固定在芯片表面，监测互补链的杂交过程。可精确测定杂交速率、解链温度及特异性，用于基因诊断和核酸适配体筛选。

5. 细胞-配体粘附作用实时监测：使用特殊设计的芯片或涂层，使细胞直接粘附于传感表面。通过SPR可实时、无标记地监测细胞对表面修饰分子（如RGD肽）的粘附、铺展及响应过程。

6. 脂质双层膜与膜蛋白相互作用：在芯片表面构建支撑脂质双层（SLB）模拟细胞膜环境，进而将膜蛋白重组于其中。用于研究跨膜信号传导、抗菌肽作用机制等。

7. 病毒颗粒与宿主受体结合分析：将病毒受体蛋白固定，直接检测完整病毒颗粒的结合行为。可评估病毒与受体的亲和力，为疫苗设计和抗病毒药物开发提供依据。

8. 酶活性与抑制剂评价：将酶底物固定于芯片，当溶液中的酶流过时催化反应，导致底物被修饰或切割，引起SPR信号变化。通过添加抑制剂可实时评价抑制效率与动力学。

9. 污染物（如重金属、霉菌毒素）快速检测：基于竞争抑制法或间接法。将污染物特异性的抗体或适配体固定，样品中的污染物与标记或固定的类似物竞争结合位点，信号变化与污染物浓度成反比，实现高灵敏快速筛查。

10. 材料表面蛋白质吸附与污损研究：直接将待测材料（如医用高分子、隐形眼镜材料）制成传感芯片或薄膜，暴露于血清、血浆等复杂样品中，实时定量监测蛋白质的非特异性吸附，评价材料的生物相容性。

11. 全血或血清中生物标志物直接检测：通过优化芯片表面化学和流体系统，利用SPR可实现复杂生物样品（如稀释的全血）中疾病标志物（如CRP、PSA）的直接、无标记检测，减少前处理步骤。

12. 纳米颗粒与生物分子相互作用：表征功能化纳米颗粒（如脂质体、聚合物纳米粒）与靶蛋白或细胞受体的相互作用，为纳米药物载体的靶向性设计提供关键参数。

13. 气体分子与敏感膜相互作用：在芯片表面涂覆对特定气体（如VOCs、硫化氢）敏感的功能材料薄膜，气体吸附引起薄膜折射率变化，可用于开发高灵敏气体传感器。

检测范围

SPR技术的应用领域已超越传统生命科学，扩展至多个对界面相互作用敏感的行业：

1. 食品接触材料：检测包装材料中化学迁移物（如双酚A、塑化剂）与生物受体的相互作用，评估迁移风险。

2. 医疗器械：评估植入体材料（如钛合金、医用聚合物）的蛋白质吸附、细胞粘附及生物相容性；检测体外诊断试剂盒中关键配体的活性。

3. 儿童玩具：筛查玩具涂层或塑料中禁用偶氮染料、重金属污染物与生物分子的结合能力。

4. 生物制药：从早期靶点验证到后期产品质量控制，全程用于抗体药物亲和力、动力学分析、宿主细胞蛋白残留检测等。

5. 环境监测：检测水体、土壤提取物中的农药残留、抗生素、内分泌干扰物等。

6. 临床诊断：开发用于传染病、癌症标志物、自身抗体检测的快速、免标记免疫传感器。

7. 化妆品：评估功效成分（如肽、生长因子）与皮肤靶蛋白的相互作用，或检测禁用成分。

8. 法医学与兴奋剂检测：高灵敏检测体液中的毒品、兴奋剂及其代谢物。

9. 基础生命科学研究：作为研究各种分子相互作用（蛋白、核酸、脂类、糖类等）的核心工具。

10. 材料科学：研究新型功能材料（如超材料、水凝胶、抗菌涂层）表面的分子吸附与界面现象。

检测标准

为确保SPR检测结果的可靠性、重现性与可比性，相关标准体系已逐步建立：

• ISO 19040 系列：针对水质评估，规定了使用SPR等生物传感器方法检测雌激素潜力的标准程序。

• ASTM E2530：《表面等离子共振生物传感器用于生物分子相互作用分析的标准指南》。该指南详细规定了SPR仪器的校准、实验设计、数据采集和分析、结果报告等通用要求，是SPR技术的核心参考标准。

• GB/T 各项：中国在国家层面上，针对SPR技术在特定领域的应用，正逐步建立和转化相关标准。例如，在医疗器械生物学评价、食品安全检测等领域，SPR方法正被纳入相关检测标准体系中作为推荐或确认方法。具体标准号需根据最新国标目录查询，如涉及生物材料相互作用的评估可能参考GB/T 16886系列。

• ICH Q2(R1)：虽然并非SPR专用标准，但制药行业在进行方法学验证（如用于生物制品表征的SPR方法）时，必须遵循该指南对专属性、精密度、准确度、检测限、定量限、线性及范围等进行验证。

检测仪器

现代SPR仪器系统多样，技术特点各异，主要涵盖以下几类：

1. 传统棱镜耦合角度调制型SPR仪：核心技术平台。通过机械旋转或CCD阵列检测反射光强度随角度的变化，分辨率高，动力学范围宽，是进行高精度动力学和亲和力分析的“金标准”。

2. 波长调制型SPR仪：固定入射角，监测共振波长位移。特别适用于与光谱技术（如红外、拉曼）联用，进行同步结构分析。

3. 光栅耦合SPR仪：利用光栅结构激发SPR，无需棱镜，易于芯片集成和微型化，适合开发便携式设备或多通道阵列检测。

4. 光纤SPR传感器：将SPR传感结构集成在光纤端面或侧面，探头小巧灵活，适用于远距离、在线或在体监测，在环境与工业现场检测中前景广阔。

5. 局域表面等离子共振（LSPR）仪：基于纳米颗粒（如金纳米棒、纳米星）的局域等离子体共振。对周围环境折射率变化敏感，仪器结构相对简单，更适于高灵敏静态终点检测和定点诊断。

6. SPR成像（SPRi）系统：通过在二维CCD上监测固定角度下的反射光强度分布，可同时对传感芯片上成千上万个点（如蛋白微阵列）进行无标记、实时平行分析，适用于高通量筛选和多参数检测。

7. 电化学-SPR联用系统：在传统SPR系统中集成电化学工作站，可同时施加电位并监测电流与SPR信号，用于研究电化学界面过程、电催化、导电高分子膜的生长与掺杂等。

8. 磁光-SPR（MOSPR）增强系统：在SPR结构中引入磁性材料，利用磁光效应对SPR信号进行增强和调制，可显著提升检测灵敏度，尤其适用于低浓度生物标志物或小分子检测。

这些设备的技术特点共同构成了SPR技术强大的检测能力：从飞摩尔（fM）级的高灵敏度，到跨越多个数量级的宽动力学范围；从毫秒级分辨率的实时动力学监测，到无需标记的原位分析；从单通道的精密表征，到高通量的并行筛选。随着芯片表面化学、微流控技术和数据算法的不断进步，SPR技术将继续深化其在基础科学研究和产业质量控制中的核心作用。