JoVE Science Education
Biochemistry
A subscription to JoVE is required to view this content.  Sign in or start your free trial.
JoVE Science Education Biochemistry
Surface Plasmon Resonance (SPR)
  • 00:00Overview
  • 01:06Principles of SPR
  • 03:49SPR Sample Preparation and Experimental Protocol
  • 04:58Applications
  • 06:28Summary

תהודה פלסמון פני השטח (SPR)

English

Share

Overview

תהודה פלסמון פני השטח (SPR) היא התופעה האופטית הבסיסית מאחורי biosensors ללא תוויות כדי להעריך את הזיקה המולקולרית, הקינטיקה, הספציפיות, וריכוז של biomolecules. ב- SPR, אינטראקציות ביומולקולריות מתרחשות על biosensor עשוי שכבה דקה של מתכת על פריזמה. אינטראקציות בזמן אמת של biomolecules ניתן לפקח על ידי מדידת השינויים של אור משתקף את החלק התחתון של המתכת.

וידאו זה מתאר את המושגים הבסיסיים של SPR וכיצד הוא משמש לניתוח והדמיה של אינטראקציות ביומולקולריות. לאחר מכן הכנה מדגם ופרוטוקול ניסיוני לחקירת שיעורי כריכה באמצעות SPR. בסעיף היישומים, הדמיית SPR, SPR מקומי ו- SPR משופר נקודה קוונטית נחקרים.

תהודה פלסמון פני השטח, או SPR, היא התופעה הבסיסית מאחורי biosensors מסוימים ללא תווית להערכת אינטראקציות מחייבות וספיכה של ביומולקולים. קשירת התקפות הדורשות תיוג, כגון ELISA, יכולות להיות תהליך הגוזל זמן רב ועשויות לשנות את הפונקציונליות של הניתוח. ב- SPR, אינטראקציות ביומולקולריות מתרחשות על חיישן מיוחד עשוי שכבה דקה של מתכת על פנים אחד של פריזמה. על ידי ניטור השינויים באור המשתקפים מהיד תחתון המתכת, מכשירי SPR מדמים אינטראקציות אלה בזמן אמת ללא שימוש בתוויות. וידאו זה יציג את העקרונות של SPR, הליך כללי עבור הדמיית SPR, וכמה יישומים של ביוכימיה.

חיישן SPR עשוי בדרך כלל משכבה דקה של מתכת אצילית על פני מנסרה. כדי לקחת קריאות מהחיישן, האור משתקף מממשק פריזמה-מתכת לתוך פוטו-דקטור. האור המוחזר יהיה בעוצמה גבוהה למעט בזווית מסוימת, הקשורים למאפיינים האלקטרוניים של משטח המתכת, המכונה “זווית התהודה של פלסמון פני השטח”.

כאשר מולקולות נקשרות לפני השטח, המאפיינים האלקטרוניים של המתכת משתנים, אשר בתורו מתאים את הזווית. ככל שחלבונים חדשים מתחברים ויוצרים קומפלקסים, הזווית תזוז עוד יותר. על-ידי מדידת שינויים יחסיים בזווית ה-SPR, ניתן לנטר אינטראקציות כאלה בזמן אמת.

טכניקה נוספת הנקראת לוקליזציה, או “L”SPR, משתמשת בננו-חלקיקי מתכת כמשטח החיישן. המאפיינים המשפיעים על זווית SPR הם מקומיים מאוד לכל ננו-חלקיק, אשר משפר את הרגישות ואת רזולוציית האות.

בעת חקירת אינטראקציות מחייבות עם SPR סטנדרטי, החיישן מותקן בדרך כלל בפלטפורמה שהופכת לרצפה של תא זרימה במכשיר. הביומולקולים של עניין נישאים דרך תא הזרימה על ידי פתרון חוצץ. משטח החיישן מצופה לעתים קרובות תחילה במצע בעל זיקה גבוהה למתכת. זה מבטיח כי כמות משמעותית של ליגנד, אשר בתורו נקשר לניתוח של עניין, יהיה משותק על החיישן ומפחית את הסבירות כי ליגנד יהיה להתנתק במהלך ההליך.

ברגע שהליגנד משותק בחיישן, הניתוח זורם מעל החיישן במאגר. על-ידי ניטור השינוי בזווית ה- SPR לאורך זמן כאשר הניתוח נקשר לליגנד, ניתן לחשב את קצב האיגוד ומידע קינטי אחר.

נתוני רפלקטיביות יכולים לשמש גם עבור הדמיית SPR, או SPRi, על ידי הפניית האור המוחזר לגלאי CCD. פעולה זו מפיקה תמונה ברזולוציה גבוהה עם ניגודיות גבוהה של כל משטח החיישן. באמצעות SPR והטכניקות הקשורות, ניתן לענות על שאלות על זיקה מולקולרית, קינטיקה, ספציפיות וריכוז.

עכשיו שאתם מבינים מה נמדד בניסוי SPR, בואו נסתכל על הליך לחקירת שיעורי כריכה.

לפני תחילת ההליך, יש להכין את המאגרים הפועלים והדוגמאים. המאגר פועל משמש להפקדת הליבנד על החיישן, ואת המאגר לדוגמה משמש להפקדת הניתוח. שבב החיישן מנוקה בקפידה ונטען לתוך נדן. לאחר מכן, ההתקן ממוקם לתוך המכשיר, שם הוא הופך לתחתית תא הזרימה. תוכנת המכשיר מוגדרת לניסוי ולניתוח שלאחר מכן. במידת הצורך, משטח החיישן מוכן עם מצע כדי ללכוד את הליגנד. הליגנד זורם על פני השטח של החיישן במאגר הריצה, שם הוא נלכד על ידי המצע על פני השטח של החיישן.

לאחר מכן, הניתוח במאגר המדגם עובר דרך תא הזרימה, שם הוא נקשר באופן סלקטיבי לליגנד משותק. השינוי בשיקוף משורטט ומושווה כנגד פקדים כדי לקבוע קבועי קצב ונתונים קינטיים תגובה אחרים עבור התגובה הנחקרת.

עכשיו שאתם מבינים איך ניסוי SPR מבוצע, בואו נסתכל על כמה יישומים אחרים של SPR בביוכימיה.

כאן, דימות SPR שימש להערכת חלבונים עם מערך של 11 קולטנים על חיישן. גרפים תלת-ממדיים של רפלקטיביות לעומת זמן וריכוז הקולטן הוכנו מנתוני הרפלקטיביות עבור כל חלבון. “פרופילים” אלה אופייניים לכל חלבון, ולכן יכול לשמש לאחר מכן לזיהוי חלבון.

בניסוי זה, הפרשות תאים נחקרו באמצעות חיישן LSPR בהתאמה אישית. החיישן היה תואם גם למיקרוסקופיה SPRi ופלואורסצנטית. עם הפקדת התא על החיישן, האינטראקציה של הפרשות התא עם מערך הננו-חלקיקים יכולה להימדד ברזולוציה מרחבית גבוהה.

כאן, השימוש בנקודות קוונטיות, מוליכים למחצה ננומטריים, כסוכן שיפור אותות SPR מעורבב עם הניתוח נחקר. שיטת “ננו-SPRi” משופרת זו הושוותה לבדיקות על ידי SPRi סטנדרטי ושיטת ELISA. שיטת nano-SPRi שיפרה באופן משמעותי את הרגישות ואת גבול הזיהוי תוך שהיא עדיין גוזלת פחות זמן משיטת ELISA.

הרגע צפית בסרטון של ג’וב על תהודה על פני השטח. תופעה זו משמשת לניטור ותמונה אינטראקציות ביומולקולריות ללא שימוש בתוויות. וידאו זה הציג את העקרונות של SPR, פרוטוקול טיפוסי לביצוע ניסוי SPR, וכמה יישומים של SPR בביוכימיה.

תודה שצפיתם!

Procedure

תהודה פלסמון פני השטח (SPR) היא התופעה האופטית הבסיסית מאחורי biosensors ללא תוויות כדי להעריך את הזיקה המולקולרית, הקינטיקה, הספציפיות, וריכוז של biomolecules. ב- SPR, אינטראקציות ביומולקולריות מתרחשות על biosensor עשוי שכבה דקה של מתכת על פריזמה. אינטראקציות בזמן אמת של biomolecules ניתן לפקח על ידי מדידת השינויים של אור מש?…

Disclosures

No conflicts of interest declared.

Transcript

Surface plasmon resonance, or SPR, is the underlying phenomenon behind certain label-free biosensors for evaluating binding and adsorption interactions of biomolecules. Binding assays that require labeling, such as ELISA, can be a time-consuming process, and may alter the functionality of the analyte. In SPR, biomolecular interactions occur on a special sensor made of a thin layer of metal on one face of a prism. By monitoring the changes in light reflected off of the underside of the metal, SPR instruments visualize these interactions in real-time without the use of labels. This video will introduce the principles of SPR, a general procedure for SPR imaging, and some applications of in biochemistry.

An SPR sensor is usually made of a thin layer of a noble metal atop the face of a prism. To take readings from the sensor, light is reflected off of the prism-metal interface into a photodetector. The reflected light will have a high intensity except at a certain angle, related to the electronic properties of the metal surface, known as the “surface plasmon resonance angle”.

As molecules bind to the surface, the electronic properties of the metal change, which in turn adjusts the angle. As new proteins attach, forming complexes, the angle will shift further. By measuring relative changes in the SPR angle, interactions like these can be monitored in real-time.

Another technique called localized, or “L”SPR, uses metal nanoparticles as the sensor surface. The properties that affect the SPR angle are highly localized to each nanoparticle, which improves sensitivity and signal resolution.

When investigating binding interactions with standard SPR, the sensor is generally mounted in a platform that becomes the floor of a flow cell in the instrument. The biomolecules of interest are carried through the flow cell by buffer solution. The sensor surface is often first coated with a substrate that has a high affinity for the metal. This ensures that a significant amount of ligand, which in turn binds to the analyte of interest, will be immobilized onto the sensor and reduces the likelihood that the ligand will dissociate during the procedure.

Once the ligand is immobilized on the sensor, the analyte is flowed over the sensor in buffer. By monitoring the change in the SPR angle over time as the analyte binds to the ligand, the binding rate and other kinetic information can be calculated.

The reflectance data can also be used for SPR imaging, or SPRi, by directing the reflected light to a CCD detector. This produces a high-contrast, high-resolution image of the entire sensor surface. Using SPR and the related techniques, questions can be answered about molecular affinity, kinetics, specificity, and concentration.

Now that you understand what is being measured in an SPR experiment, let’s look at a procedure for investigating binding rates.

Before beginning the procedure, the running and sample buffers must be prepared. The running buffer is used to deposit the ligand onto the sensor, and the sample buffer is used to deposit the analyte. The sensor chip is carefully cleaned and loaded into a sheath. Then, the device is placed into the instrument, where it becomes the bottom of the flow cell. The instrument software is set up for the experiment and subsequent analysis. If necessary, the sensor surface is primed with a substrate to capture the ligand. The ligand is flowed over the sensor surface in the running buffer, where it is captured by the substrate on the sensor surface.

Then, the analyte in the sample buffer is run through the flow cell, where it selectively binds to the immobilized ligand. The change in reflectance is plotted and compared against controls to determine rate constants and other reaction kinetics data for the investigated reaction.

Now that you understand how an SPR experiment is performed, let’s look at a few other applications of SPR in biochemistry.

Here, SPR imaging was used to evaluate proteins with an array of eleven receptors on a sensor. 3D graphs of reflectivity versus time and receptor concentration were prepared from the reflectivity data for each protein. These “profiles” are characteristic to each protein, and thus could subsequently be used for protein identification.

In this experiment, cell secretions were studied using a custom-made LSPR sensor. The sensor was also compatible with SPRi and fluorescence microscopy. Upon depositing the cell on the sensor, the interaction of cell secretions with the nanoparticle array could be measured with high spatial resolution.

Here, the use of quantum dots, nanoscale semiconductors, as an SPR signal enhancement agent mixed with the analyte was investigated. This enhanced “nano-SPRi” method was compared to assays by standard SPRi and the ELISA method. The nano-SPRi method significantly improved the sensitivity and limit of detection while still being less time-consuming than the ELISA method.

You’ve just watched JoVE’s video on surface plasmon resonance. This phenomenon is used to monitor and image biomolecular interactions without the use of labels. This video introduced the principles of SPR, a typical protocol for performing an SPR experiment, and a few applications of SPR in biochemistry.

Thanks for watching!

Tags

Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Surface Plasmon Resonance (SPR). JoVE, Cambridge, MA, (2023).

Related Videos