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Die Oberflächenplasmonenresonanz (SPR)-Technologie ist eine optische Detektionstechnik, die eine Markierung des Analyten überflüssig macht. Es ermöglicht die Echtzeit- und dynamische Überwachung der quantitativen Bindungsaffinität, Kinetik und Thermodynamik. Diese hohe Durchsatzkapazität ist hochempfindlich und reproduzierbar und ermöglicht die Messung verschiedener Öffnungsraten, Ausweichraten und Affinitäten. Darüber hinaus erhöht die geringe erforderliche Probenmenge den Nutzen dieses Verfahrensweiter 1,2. Die biomolekulare Detektionsmethode3 mit schneller Reaktion, die die Affinitätsbindung zwischen Biomolekülen überwacht, hat sich zu einem prominenten Forschungsgebiet entwickelt.
Die SPR-Technologie hat verschiedene Anwendungen im Bereich der Arzneimittelforschung und -entwicklung4. Eine seiner Anwendungen besteht darin, die strukturellen Grundlagen spezifischer Wirkstoffziele zu entdecken. Es kann auch eingesetzt werden, um die Wirkstoffe chinesischer Kräuter zu identifizieren, die signifikante pharmakologische Aktivitäten besitzen, und ihre Mechanismen für das Wirkstoffscreening und die Verifizierung zu untersuchen. Gassner et al. haben eine lineare Dosis-Wirkungs-Kurve für bispezifische Antikörper durch SPR-Bestimmung erstellt, die eine Konzentrationsanalyse und Qualitätskontrolle ermöglicht5. Darüber hinaus kann SPR für die Durchführung klinischer Immunogenitätstests in der Pharmakopöe und in der Impfstoffentwicklung verwendet werden6.
Ein Bereich, in dem es eingesetzt werden kann, ist der Nachweis von Pestizidrückständen, Tierarzneimittelrückständen, illegalen Zusatzstoffen, pathogenen Bakterien und Schwermetallen 7,8,9,10 in landwirtschaftlichen Produkten und Lebensmittelsicherheitstests. Durch den Einsatz der SPR-Technologie können die Genauigkeit und Effizienz dieser Tests verbessert werden.
Ein weiterer Bereich, in dem die SPR-Technologie eingesetzt werden kann, ist der schnelle Nachweis von Toxinen und Antibiotika. Diese Technologie ermöglicht die Bindung von viralen Antikörpern, niedermolekularen Verbindungen und Aptameren an den SPR-Biosensorchip. Der SPR-Biosensor-Chip erkennt dann unterschiedliche Konzentrationen viraler RNA als Analyt11. Diese Methode wurde erfolgreich beim schnellen Nachweis von Viren wie H5N1, dem H7N9-Vogelgrippevirus und dem neuartigen Coronavirus 12,13,14 eingesetzt. Zusätzlich zu diesen Anwendungen ist die SPR-Technologie auch in der Proteomik, beim Wirkstoffscreening, beim Echtzeitnachweis der damit verbundenen Pharmakokinetik und bei der Untersuchung von Viren und pathogenen Proteinen und Rezeptoren nützlich 15,16,17,18. Es eignet sich besonders für wissenschaftliche Forschung und Lehrexperimente an Universitäten und Forschungsinstituten und ist ein wertvolles Werkzeug in verschiedenen Wissenschafts- und Forschungsumgebungen.
Das Prinzip der SPR ist die kollektive Schwingungsbewegung freier Elektronen an der Grenzfläche zwischen einer Metallschicht und einem Dielektrikum, die durch einfallende Lichtwellenhervorgerufen wird 19. Es ist im Wesentlichen die Resonanz zwischen der evaneszenten Welle und der Plasmawelle auf der Metalloberfläche20. Beim Übergang von einem photodichten Medium zu einem photophoben Medium tritt unter bestimmten Bedingungen eine Totalreflexion auf. Aus der Perspektive der Wellenoptik erzeugt das einfallende Licht, wenn es die Grenzfläche erreicht, nicht sofort reflektiertes Licht. Stattdessen durchdringt es das optisch phobische Medium zunächst in einer Tiefe von etwa einer Wellenlänge. Anschließend fließt es etwa eine halbe Wellenlänge entlang der Grenzfläche, bevor es wieder in das optisch dichte Medium zurückkehrt. Diese Welle, die das optisch phobische Medium durchdringt, wird als Ausweichwelle bezeichnet, solange die Gesamtenergie des Lichts konstant bleibt. Da Metall freies Elektronengas enthält, kann es als Plasma angesehen werden. Das einfallende Licht regt die Längsschwingung des Elektronengases an, was zur Erzeugung einer Ladungsdichtewelle entlang der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche führt, die als Oberflächenplasmawelle bezeichnet wird. Diese Resonanz breitet sich in beiden Medien in Form einer exponentiellen Dämpfung aus. Dadurch wird die Energie des reflektierten Lichts deutlich reduziert. Der entsprechende Einfallswinkel, bei dem das reflektierte Licht vollständig verschwindet, wird als Resonanzwinkel21 bezeichnet. SPR ist sehr empfindlich gegenüber dem Brechungsindex des Mediums, das an der Metallfilmoberfläche20 haftet. Der SPR-Winkel variiert mit dem Brechungsindex der Metallfilmoberfläche, wobei die Brechungsindexänderung hauptsächlich proportional zur Molekülmasse der Metallfilmoberfläche22 ist. Jede Änderung der Eigenschaften des Oberflächenmediums oder des Ausmaßes der Adhäsion führt zu unterschiedlichen Resonanzwinkeln. So kann die molekulare Wechselwirkung analysiert werden, indem die Änderungen des Resonanzwinkels untersucht werden.
Diese zerstörungsfreie, markierungsfreie optische SPR-Analyse, die auf den oben genannten Prinzipien basiert, eignet sich für die Forschung in verschiedenen Bereichen. Daher haben wir die Winkelverschiebung der SPR-Kurve und experimentelle Ergebnisse durch Mehrzyklusanalyse am Beispiel der Kombination von Quercetin und Calycosin mit dem rekombinanten KCNJ2-Protein demonstriert.