A Single and a Dual-Fractal Analysis of Analyte-Receptor Binding Kinetics for Surface Plasmon Resonance Biosensor Applications

The diffusion-limited binding kinetics of analyte in solution to either a receptor immobilized on a surface or to a receptorless surface is analyzed within a fractal framework for a surface plasmon resonance biosensor. The data is adequately described by a single- or a dual-fractal analysis. Initially, the data was modeled by a single-fractal analysis. If an inadequate fit was obtained then a dual-fractal analysis was utilized. The regression analysis provided by Sigmaplot (32) was used to determine if a single fractal analysis is sufficient or if a dual-fractal analysis is required. In general, it is of interest to note that the binding rate coefficient and the fractal dimension exhibit changes in the same direction (except for a single example) for the analyte-receptor systems analyzed. Binding rate coefficient expressions as a function of the fractal dimension developed for the analyte-receptor binding systems indicate, in general, the high sensitivity of the binding rate coefficient on the fractal dimension when both a single- and a dual-fractal analysis is used. For example, for a single-fractal analysis and for the binding of human endothelin-1 (ET-1) antibody in solution to ET-115-21.BSA immobilized on a surface plasmon resonance (SPR) surface (33), the order of dependence of the binding rate coefficient, k, on the fractal dimension, Df, is 6.4405. Similarly, for a dual-fractal analysis and for the binding of 10(-6) to 10(-4) M bSA in solution to a receptorless surface (direct binding to SPR surface) (41) the order of dependence of k1 and k2 on Df1 and Df2 were -2.356 and 6.241, respectively. Binding rate coefficient expressions are also developed as a function of the analyte concentration in solution. The binding rate coefficient expressions developed as a function of the fractal dimension(s) are of particular value since they provide a means to better control SPR biosensor performance by linking it to the degree of heterogeneity that exists on the SPR biosensor surface. Copyright 1999 Academic Press.     

An Evaluation of Cellular Analyte-Receptor Binding Kinetics Utilizing Biosensors: A Fractal Analysis

A fractal analysis is presented for cellular analyte-receptor binding kinetics utilizing biosensors. Data taken from the literature can be modeled by using (a) a single-fractal analysis and (b) a single- and a dual-fractal analysis. Case (b) represents a change in the binding mechanism as the reaction progresses on the biosensor surface. Relationships are presented for the binding rate coefficient(s) as a function of the fractal dimension for the single-fractal analysis examples. In general, the binding rate coefficient is rather sensitive to the degree of heterogeneity that exists on the biosensor surface. For example, for the binding of mutagenized and back-mutagenized forms of peptide E1037 in solution to salivary agglutinin immobilized on a sensor chip, the order of dependence of the binding rate coefficient, k, on the fractal dimension, D(f), is 13.2. It is of interest to note that examples are presented where the binding coefficient (k) exhibits an increase as the fractal dimension (D(f)) or the degree of heterogeneity increases on the surface. The predictive relationships presented provide further physical insights into the binding reactions occurring on the surface. These should assist us in understanding the cellular binding reaction occurring on surfaces, even though the analysis presented is for the cases where the cellular "receptor" is actually immobilized on a biosensor or other surface. The analysis suggests possible modulations of cell surfaces in desired directions to help manipulate the binding rate coefficients (or affinities). In general, the technique presented is applicable for the most part to other reactions occurring on different types of biosensors or other surfaces. Copyright 2000 Academic Press.     

表面等离子体共振生物传感器及其应用

表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)生物传感器在检测生物分子特异性结合方面具有的高灵敏度、免标记及检测快速等优点,使其在过去的20年中在生命科学、医药科学、食品安全等领域取得了快速发展。本文对SPR生物传感器进行了简要介绍,并着重对其在生命科学、医药学、环境分析、食品安全等领域的应用进行了综述,最后对该领域的研究前景进行了展望。     

表面等离子体共振法检测人血清白蛋白抗体活性

表面等离子体共振法是研究生物大分子间相互作用的有效方法之一,和非直接方法（如酶联免疫）相比,具有实时、快速和免标记等特点。我们在甲羧基化葡聚糖修饰的传感片表面直接交联固一人血清白蛋白（ＨＳＡ）,用于ａｎｔｉ－ＨＳＡ抗体活性的检测,并用Ｈ３ＰＯ４（０．１ｍｏｌ／Ｌ）溶液再生。结果表明表面等离子体共振（ＳＰＲ）生物传感器能快速实时检测ａｎｔｉ－ＨＳＡ抗体的活性,且传感片能够重复使用１００次以上。     

一种糖生物传感芯片制备的新方法

建立了一种用于SPR生物传感器分析的糖生物传感芯片制备新方法。在已二胺大量过量的情况下，海洋硫酸多糖911还原末端的半缩醛基与已二胺的一个氨基进行还原胺化反应，引入一个伯氨基，该伯氨基进一步与sulfo-NHS-biotin反应，使911的还原末端生物素化，通过预偶联到GM5芯片上的链酶抗生素抗体，以俘获法将生物素化的911固定到芯片表面。该方法避免已有固定方法对糖内部结构的破坏，减少了非特异性耦联，能更好地反映糖类与其它分子的相互作用特性，且操作简单，适应于多数具有还原末端的糖类。911经该方法固定后，利用SPR生物传感器，研究了其与HIV gp120蛋白V3区的相互作用动力学，初步证明两者之间存在强烈的相互作用，KA与KD分别为：2.25e5与4.44e-6。     

表面等离子体共振生物传感器连续检测莱克多巴胺

利用表面等离子体共振生物传感器对莱克多巴胺抗体与固定在芯片表面的莱克多巴胺衍生物的相互作用进行了分析,解离常数为2.56×10-6s-1。根据一定范围内相对响应值和时间近似呈线性关系的动力学特性,建立了连续检测的方法,从而简化了实验步骤,有利于提高芯片的使用寿命。检测莱克多巴胺采用抑制法,将莱克多巴胺衍生物固定在芯片的表面,莱克多巴胺抗体与样品混合后流过芯片的表面,所得相对响应值与样品中莱克多巴胺的浓度成反比。单个样品的检测时间设定为15min,对应的检出限小于4μg/L。     

纳米金颗粒增强信号的表面等离子体共振生物传感器用于甲氧檗因高灵敏检测的研究

报道了一种基于表面等离子体共振(SPR)生物传感器的高灵敏检测抗癌药物甲氧檗因的新方法. 分别在纳米金颗粒和金膜表面修饰富含腺嘌呤(A)的DNA链, 当存在甲氧檗因时, 由于一个甲氧檗因分子可与4个A碱基相结合, 从而使得修饰在纳米金颗粒和金膜表面的DNA形成稳定的双链结构, 进而将功能化纳米金颗粒捕获在金膜表面. 由于纳米金颗粒与金膜之间的电场耦合效应可增强SPR信号, 从而可实现对小分子甲氧檗因的高灵敏、特异性检测. 本方法的检测下限低至0.07 pmol/L, 相对比色法和荧光法而言, 降低了约5～6个数量级. 以4种药物(盐酸小檗碱、青霉素G、硫酸庆大霉素、5-氟尿嘧啶)作为对照考察了该传感器的选择性, 结果表明该传感器具有较好的选择性.     

表面等离子共振生物传感系统构建及应用研究

本文构建了以TI-Spreeta传感器为基础敏感元件、集微流道系统和数据信号处理电控盒于一体的表面等离子共振生物传感分析系统.在乙醇体积分数0.00～0.60浓度范围内检测乙醇标准溶液时,体积分数改变0.1,将引起共振像素位置变化约9.4个像素数目,表明传感系统的可逆性和重复性良好.采用自组装成膜技术制备了传感器敏感膜,观察了乙肝表面抗原和乙肝表面单克隆抗体的结合、解离以及传感器敏感膜的再生等动态变化过程.与传统的酶联免疫检测法相比,本方法具有无需酶标记、灵敏准确、快速,能够实现在线连续监控检测等优点,在食品安全、环境监测、药物筛选和生物医学研究中具有较大的应用潜力.     

生物分子相互作用动力学的表面等离子体共振研究方法

表面等离子体共振及其成像方法以其免标记、可实时动态原位跟踪反应过程而在生物分子相互作用动力学及其常数测定研究中凸显优势,近年来这方面的研究进展迅速,但缺乏必要的总结归纳.为此,本文就这一主题所涉及的关键研究方法与应用进展作简要的归纳分析并展望了该领域的发展前景.     

利用表面等离子体谐振生物传感器实时监测酶促反应的新方法

在理论上，基于表面等离子体谐振(surface plasmon resonance，SPR)生物传感器的酶促反应检测分析方法被证明是可行的。这种方法与通常SPR传感器检测技术不同，它消除通常当成检测目标的表面吸附信号，而检测通常认为是噪声的本体折射率变化信号，以此实时检测酶促反应的动态过程。利用自产的SPR2000生化分析仪，在检测胶原酶I降解胶原I的实验中检测到了反应引起的反应液本体折射率的上升变化，从而证明了这种新颖的检测方法实际上也是可行的。这种技术一旦成熟，可以用来进行酶学分析及酶靶标的药物筛选研究开发。     

表面等离子体波共振技术应用于气体检测

本文简要介绍了表面等离子体波共振技术的基本原理,重点综述了该技术在气体检测研究中的应用。被检测的气体包括：常见的易燃易爆和有毒气体、有机气体及蒸汽等。通过敏感膜材料的选择和优化、检测装置的改进、制膜方式和工艺条件、薄膜厚度的调整,来提高检测结果的灵敏度、选择性、可逆性、响应时间、脱附时间和重现性等重要参数。将表面等离子体波共振技术和其它技术联用可以在提高检测灵敏度的同时,实现对气体的远程监测。 主要介绍了此技术和光纤技术的联用,此外还讨论了环境特别是湿度和温度对检测结果的影响。     

局域表面等离子体共振效应在光催化技术中的应用

表面等离子激元是物理效应在光催化技术应用中的典型代表之一,作为新型光场调控技术为光催化技术的发展开辟了新的方向和思路,能够从全新的角度解决光催化技术的发展瓶颈,在过去十年来得到了广泛的研究。局域表面等离子体共振效应能够通过调节纳米颗粒的组成、形貌和介质环境等因素调控光催化体系的光谱响应范围。除此之外还能够通过增强光散射、热电子注入、诱导产生强烈的局域电场、加热周围环境等方法来增加光催化剂的氧化-还原反应速度、物质传输以及极化光催化材料表面的吸附分子,从而进一步增强材料的光催化性能。将这些优势集成到光催化材料体系中,能够显著提高传统光催化材料的太阳能转换效率,这是一个非常值得关注的发展方向。本文综述了局域表面等离子体共振效应在光催化技术中应用的基本原理、调控规律和应用等方面的研究进展,着重讨论了热电子的产生和迁移过程,贵金属中带间跃迁和表面等离子体共振效应的制约关系。最后,总结了表面等离子体光催化剂所面临的问题和挑战,并进行了相应的研究展望。     

Graphene Oxide-Sensitized Surface Plasmon Resonance Biosensor of Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus

Biosensor analysis based on the surface plasmon resonance (SPR) phenomenon enables label-free, highly sensitive analyte detection without prior sample purification or processing. However, potential applications of SPR biosensors in virus detection in biological samples remain to be explored. Owing to its excellent biocompatibility and abundance of hydroxyl and carboxyl functional groups, graphene oxide (GO) has been widely used as a biosensor of proteins and metal ions in living cells. The present work explored the effect of GO modification on the sensitivity of an SPR biosensor and used a GO-modified sensor to detect porcine reproductive and respiratory syndrome virus in cell culture, as shown. The GO modification markedly enhanced the sensitivity of the Fourier transform SPR sensor and enabled linear detection of porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) with a multiplicity of infection in the range 0.2–1.7 (R² = 0.998). Such a GO-modified sensor provides a promising alternative for virus detection.     

利用表面等离子体共振技术进行TNF免疫复合物的动力学分析

表面等离子体共振 ( Surface plasmon resonance,SPR)技术是近年来发展起来的测定分子间相互作用的技术 ,应用最广泛的是 Pharmacia公司发展的生物分子相互作用实时分析 ( Biomolecular interactionanalysis,BIA)技术 [1～ 3] .它可以实时、原位地测定生物大分子间的相互作用 ,而反应物无需标记 ,可以测定反应的动力学常数 ,这对于进行反应的动力学分析和机理研究 ,以及进行性质鉴定和筛选应用具有非常重要的意义 [4～ 8] .肿瘤坏死因子 ( Tumor necrosis factor,TNF)是临床上用于肿瘤治疗的非常有效的细胞因子类药物 [9] .本文报道了…     

用表面等离子体子共振传感器测定人心肌肌钙蛋白I的研究

采用自组装表面等离子体子共振(SPR)传感装置,固定入射角,以波长为变量,以CCD为检测系统,用对金和抗体均有较强吸附作用的葡萄球菌A蛋白作为基底膜,观测了人心肌肌钙蛋白I的抗体和抗原之间免疫反应的动力学过程,并进行了人心肌肌钙蛋白I的定量测定.结果表明,人心肌肌钙蛋白I的浓度在5.0～50μg/L范围内与传感器的响应值呈线性关系.     

表面等离子体共振技术在电化学反应过程研究中的应用

简述了表面等离子体共振(SPR)的基本原理,并综述了表面等离子体共振技术在电化学反应过程中的应用。SPR技术可以无需任何标记原位实时地检测分子间的相互作用,也可用于连续监测吸附/脱附和缔合/解离过程。表面等离子共振光谱(SPRS)与电化学技术结合可用来同时表征和处理电极/溶液的界面,在电化学掺杂/去掺杂过程、吸附/脱附反应的研究、痕量物质的检测、薄膜厚度、介电常数的测定等方面的应用已取得了很大的进展。     

表面等离子体子共振传感器研究谷胱甘肽过氧化物酶模拟物与底物的结合作用

采用表面等离子体子共振(SPR)传感装置,固定入射角,以波长为变量,以CCD为检测系统,用对金有较强吸附作用的谷胱甘肽(GSH)为基底膜,研究了GSH分别与谷胱甘肽硫转移酶(GST)与小分子GPX模拟酶2-位-碲桥联-β-环糊精(2-TeCD)的动力学过程,计算得GSH与GST的结合常数为2.82×106L/mol;GSH与2-TeCD的结合常数为3.92×102L/mol。结果表明:本方法可以用来评价小分子GPX模拟酶与底物的结合程度,简便快捷,不需标记样品,可以实时监测反应过程,作用后酶与底物易于分离,分离后的酶可以继续使用等优点。     

表面等离子体共振生物传感器研究人参皂甙与血清白蛋白的相互作用

To use a newly developed wavelength modulation surface plasmon resonance （SPR） biosensor, an experimental protocol was developed to investigate the interaction of ginsenosides with serum albumin. With a known concentration of the ginsenosides, bound percentages of the ginsenosides with human serum albumin （HSA） or bovine serum albumin （BSA） were obtained. SPR technique could require no labeling and this method provided the detailed information on association and disassociation of molecules in real time. The results indicate that the sensitivity of wavelength modulation SPR biosensor is sufficient for detection and characterization of binding events involving low-molecular weight compounds and their immobilized protein targets.     

表面等离子体共振光谱技术与电化学方法联用及其应用

表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）技术是利用金属薄膜光学耦合产生的物理光学现象建立的一种非常灵敏的光学分析手段. 近年发展的电化学表面等离子体共振（Electrochemical Surface Plasmon Resonance,EC-SPR）是将时间分辨表面等离子体共振光谱技术与电化学方法联用的一种新技术. 本文介绍了SPR和EC-SPR的基本原理,并重点阐述了时间分辨SPR光谱技术与电化学方法联用及应用,该技术已广泛地应用于反应动态过程研究、生物化学传感器、电极/溶液界面的表征、动力学常数的测定以及生物分子相互作用等领域.