本文系統(tǒng)綜述了SPＲ 傳感技術(shù)和生物分析儀的原理、結(jié)構(gòu)以及主要功能模塊，SPＲ 傳感器的調(diào)制類型、耦合方式以及SPＲ 成像傳感器; 介紹了結(jié)合局域表面等離子體共振( local surface plasmon resonance，LSPＲ) 技術(shù)、改進(jìn)金屬膜系設(shè)計(jì)、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法等提高SPＲ 生物分析儀性能的方法; 闡述了SPＲ 傳感技術(shù)和生物分析儀的新進(jìn)展，包括SPＲ 技術(shù)和微流控芯片、電化學(xué)技術(shù)、表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)( SEＲS) 的聯(lián)用; 列舉了SPＲ 生物分析儀在臨床診斷、藥物篩選、生物分子研究、食品安全和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例; 后，分析了SPＲ 生物分析儀面臨的主要問題以及未來的發(fā)展趨勢(shì)。

1 引言

生物傳感技術(shù)對(duì)生命科學(xué)和生物化學(xué)的研究與探索具有相當(dāng)重要的作用，尤其對(duì)于生物分子間相互作用的研究，相比傳統(tǒng)的生物法和酶聯(lián)免疫法，生物傳感技術(shù)具有分析快速簡便、人為誤差小、檢測精度高以及動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)等顯著優(yōu)點(diǎn)。其中SPＲ 傳感技術(shù)由于其突出的優(yōu)點(diǎn)在生物傳感技術(shù)領(lǐng)域里占有相當(dāng)重要的地位。

近20 年來，在SPＲ 傳感器的傳感機(jī)理、儀器結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集及分析、性能提升等方面的研究日益增多，相關(guān)研究論文呈指數(shù)增長。在SPＲ 生物分析儀方面，自1990 年瑞典Biacore 公司推出第臺(tái)SPＲ儀器以來，多個(gè)外公司相繼推出了多款SPＲ 傳感分析儀器( 也稱為SPＲ 生物分子相互作用分析儀) 。在內(nèi)，家和地方的科技管理部門均在SPＲ 技術(shù)研究和儀器研發(fā)方面投入了大量科研經(jīng)費(fèi)，這意味著技術(shù)、精度高、應(yīng)用范圍廣的分析檢測技術(shù)，不僅是學(xué)者也是科技管理者關(guān)注的內(nèi)容。本研究組從事SPＲ 傳感技術(shù)及儀器設(shè)計(jì)研究近十年，承擔(dān)并完成了家863 科技計(jì)劃、省科技計(jì)劃等多個(gè)項(xiàng)目，從理論研究，如SPＲ 差分研究和數(shù)值模擬，到傳感器的設(shè)計(jì)、應(yīng)用，如多通道SPＲ 傳感器、SPＲ 成像傳感器，以及傳感器性能提高和應(yīng)用拓展，包括與LSPＲ 技術(shù)結(jié)合，與電化學(xué)傳感技術(shù)聯(lián)用等等，始終關(guān)注著SPＲ 技術(shù)的新研究動(dòng)態(tài)。本文調(diào)研了近幾年SPＲ 技術(shù)的新研究進(jìn)展和研究結(jié)果，精選了近百篇科研論文作為參考文獻(xiàn)，結(jié)合本研究組開展的相關(guān)工作，對(duì)SPＲ 理論、傳感器、生物分析儀器及其應(yīng)用等方面進(jìn)行分析和綜述，以期對(duì)研究、應(yīng)用SPＲ 傳感技術(shù)和生物分析儀的讀者有所幫助。

2 SPＲ 生物分析儀

SPＲ 生物分析儀包括SPＲ 傳感器、取樣進(jìn)樣系統(tǒng)、微型流通池、生物傳感芯片、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理軟件以及溫控系統(tǒng)等。SPＲ 傳感器是SPＲ 生物分析儀的信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳導(dǎo)部件，可將介質(zhì)折射率的變化轉(zhuǎn)換為可探測的光學(xué)電磁波信號(hào)的變化，為分析儀的技術(shù)核心。取樣進(jìn)樣系統(tǒng)是分析儀的樣品采取和注射系統(tǒng)，采取工具多為精密探針，注射方法通常是流動(dòng)注射( flow injection analysis，F(xiàn)IA) 。流通池般設(shè)計(jì)成可使待測液形成層流的微型結(jié)構(gòu)，因?yàn)閭鞲衅髦粚?duì)傳感芯片表面的介質(zhì)及其變化敏感。生物傳感芯片是套生物識(shí)別系統(tǒng)，偶聯(lián)在傳感器的金屬膜表面，其生物識(shí)別元素可與被測樣品中的檢測目標(biāo)分子特異性結(jié)合，從而導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)的變化。抗體、肽、核酸適體、酶、DNA、分子印跡聚合物( MIPS) 以及其他生物分子均可作為傳感芯片的生物識(shí)別元素，每種元素的生物傳感芯片在制備成本、壽命、特異性、穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)不，適用于不同的場合。數(shù)據(jù)采集模塊包括探測器和硬件電路兩部分，探測器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過硬件電路處理和采集后傳送到上位機(jī)，由SPＲ 分析儀的分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。此外，SPＲ 信號(hào)受環(huán)境溫度影響較大，精確的溫控系統(tǒng)必不可少。

3 結(jié)論和展望

SPＲ 傳感技術(shù)和儀器的研究近年來已趨于平緩，傳統(tǒng)多通道SPＲ 傳感器已無法滿足當(dāng)今高通量分析檢測的需求，SPＲ 成像傳感器將取而代之。同時(shí)SPＲ 技術(shù)與多種技術(shù)的聯(lián)用逐漸成為重點(diǎn)研究內(nèi)容，LSPＲ 技術(shù)和SPＲ 技術(shù)的結(jié)合可有效增強(qiáng)傳感信號(hào)，提高分析儀的檢測靈敏度; 電化學(xué)分析技術(shù)和SPＲ 傳感技術(shù)的聯(lián)用，可大大降低傳感器的檢測限; SEＲS 技術(shù)和SPＲ 技術(shù)的聯(lián)用，在提高檢測精度的同時(shí)更保證了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性; 與微流控芯片聯(lián)用，不僅有利于儀器小型化，也可減少樣品消耗量，縮短檢測時(shí)間。