表面プラズモン共鳴バイオセンシングのメカニズムを理解する

表面プラズモン共鳴 (SPR) は、光が金属ナノ粒子と相互作用するときに発生する光学現象です。 これには、金属と誘電体の界面でのプラズマ振動の励起が含まれます。 SPR は 1902 年にロバート ウッドによって初めて観察されましたが、SPR が薄膜およびバイオセンシング用途の技術として開発されたのは 1980 年代初頭になってからでした。 それ以来、SPR バイオセンシングは、標識を必要とせずに生体分子の相互作用をリアルタイムで研究するための重要なツールとなっています。

SPR はどのように機能しますか?

金属と空気や水などの誘電体媒体との界面では、特定の条件下で光によって閉じ込められた電磁表面プラズモン共鳴が励起されることがあります。 光が共鳴角として知られる適切な角度で界面に当たると、エネルギーが光子から金属ナノ粒子内の電子に伝達され、表面プラズモンが励起されます。 これにより、表面近くの局所的な屈折率の変化に強く依存する光の反射率が低下します。 SPR センサーでは、インターフェース材料の 1 つが生体分子で官能化され、センサー表面上で結合相互作用が起こるようになります。 分子の結合による局所的な屈折率の変化により共鳴角が変化し、これをリアルタイムで定量的に測定できます。

典型的な SPR 装置のコンポーネント

一般的な SPR 装置は、次の 3 つの主要コンポーネントで構成されます。

1. 金属フィルム: 最も一般的には金または銀で、真空蒸着法によってガラス基板上に薄膜 (厚さ約 50 nm) として蒸着されます。 金属膜は表面プラズモンの励起をサポートします。

2. プリズム: 全反射を介して入射光を SPR 角度に結合するには、高屈折率のプリズムが必要です。 ほとんどの場合、BK-7 ガラスまたは SF-10 ガラス プリズムが使用されます。

3. 光源と検出器: レーザーなどの単色光源が、プリズムを通してさまざまな角度で金属フィルムに向けられます。 反射光は通常 CCD カメラで収集および検出されます。 光源は固定波長に保たれ、入射角を変化させて反射率曲線を生成します。

信号の検出と分析

SPR 検出は、センサー表面で結合が発生する際の反射率曲線の変化を監視することに基づいています。 ソフトウェアは共鳴角の変化をリアルタイムで分析し、データを時間に対してプロットされた応答単位を表示するセンサーグラムに変換します。 機器の分解能は、光源の波長/出力や検出器などのパラメーターに大きく依存しますが、高精度の角度分解能検出器により、ピコグラム/mm2 レベル以上の結合の検出が可能になります。 アレイ上の複数の相互作用の多重検出により、アッセイのスループットと能力がさらに向上します。

SPRの応用例

SPR バイオセンシングは、ラベルフリーのリアルタイム検出機能により、次のような分野で広く応用されています。

- タンパク質間相互作用: 表面プラズモン共鳴は、抗体、受容体、抗原などの生体分子間の結合速度論と親和性を研究するために一般的に使用されます。 これにより、タンパク質-タンパク質複合体およびタンパク質-リガンド複合体の特性評価が可能になります。

- 創薬: SPR は、薬剤開発中の薬剤候補の化合物ライブラリのスクリーニング、結合エピトープの決定、リード最適化研究の実行に役立ちます。

- 食品の安全性: 病原体検出、毒素検出、アレルゲン検査は、食品の安全性を確保する上で重要なアプリケーションです。 SPR バイオセンサーは、迅速で高感度なスクリーニングを提供します。

- 環境モニタリング: 汚染物質の検出、重金属のモニタリング、および水質検査では、SPR の携帯性と使いやすさを利用します。

- 診断: バイオマーカー、抗体、感染スクリーニングのためのポイントオブケア SPR 検査の開発は、病院、診療所、さらには家庭でも使用できる可能性があります。

これは、動作原理、機器コンポーネント、測定技術、研究、産業、医療の多くの分野に影響を与える幅広いアプリケーションを含む、SPR テクノロジーの基本をカバーしています。 SPR は、結合相互作用の豊富な特性評価を可能にする高感度の検出プラットフォームとして機能を強化し続けています。

まとめ

要約すると、表面プラズモン共鳴 (SPR) は、特定の条件下で金属と誘電体の界面での表面プラズモンの励起を利用する光学技術です。 分子結合イベントによる表面近くの屈折率の変化は、標識を必要とせずにリアルタイムで高感度に検出されます。 SPR バイオセンサーは、プリズム、金属フィルム、光源検出器セットアップなどのコンポーネントとともにこの現象を利用して、生体分子の相互作用を定量的に研究します。 この技術は、その高感度、特異性、リアルタイムモニタリング、ラベルフリーの性質により、タンパク質相互作用分析、創薬、食品および環境試験、診断開発などの分野で非常に有用であることが証明されています。