表面プラズモン共鳴

表面プラズモン波が局所的な粒子や表面の凹凸などの不規則性と相互作用すると、エネルギーの一部が光として再放出される。この放出された光は、金属膜の裏側から様々な方向から検出することができる。

表面プラズモン共鳴は分析機器に実装できます。SPR装置は、光源、入力回路、分析対象物インターフェースを備えたプリズム、検出器、およびコンピュータで構成されます。定量的な導出は、平面膜の場合はフレネル方程式を使用して、マクスウェル方程式の境界条件に基づいて表面をモデル化することに依存します。

表面プラズモン共鳴で使用さ​​れる検出器は、金属膜から反射された光子を電気信号に変換します。検出器としては、位置検出検出器（PSD）または電荷結合素子（CCD）を使用できます。^{[ 10 ]}

最初のSPR免疫測定法は、1983年に当時スウェーデンのリンシェーピング工科大学に所属していたLiedberg、Nylander、Lundströmによって提案されました。 ^{[ 16 ]} 彼らはヒトIgGを600オングストロームの銀膜に吸着させ、このアッセイを用いて水溶液中の抗ヒトIgGを検出しました。ELISAなどの他の多くの免疫測定法とは異なり、SPR免疫測定法はラベルフリーであり、分析対象物の検出にラベル分子は必要ありません。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 15 ]}さらに、SPRでの測定はリアルタイムで追跡できるため、連続的な結合イベントの個々のステップをモニタリングすることができ、例えばサンドイッチ複合体の評価に特に役立ちます。

多パラメータ表面プラズモン共鳴（SPR の特殊な構成）は、層や積層構造の特性評価に使用できます。結合速度論に加えて、MP-SPR は層の真の厚さや屈折率の観点から構造変化に関する情報も提供できます。MP-SPR は、脂質の標的化と破裂の測定^{[ 19 ]} 、 CVD 堆積されたグラフェンの単層 (3.7Å) ^{[ 20 ]}、およびマイクロメートル厚のポリマー^{[ 21 ]に成功裏に適用されています。}

最も一般的なデータ解釈は、形成された薄膜を無限に連続した誘電体層として扱うフレネルの公式に基づいています。この解釈では、屈折率と厚さの値が複数存在する可能性があります。通常、妥当なデータ範囲内には1つの解しか存在しません。多パラメータ表面プラズモン共鳴では、2つの異なる波長で角度範囲をスキャンすることにより2つのSPR曲線を取得し、厚さと屈折率の両方について一意の解が得られます。

金属粒子のプラズモンは、通常、ミー散乱理論を用いてモデル化される。

多くの場合、詳細なモデルは適用されず、センサーは特定の用途に合わせて校正され、校正曲線内で補間を用いて使用される。

SPR装置の汎用性の高さから、この技術は他の手法と組み合わせやすく、生物医学や環境研究など、さまざまな分野で新たな応用につながる。

ナノテクノロジーと組み合わせると、SPRバイオセンサーはナノ粒子を治療用インプラントのキャリアとして使用できます。たとえば、アルツハイマー病の治療では、ナノ粒子を使用して治療分子を標的に送達できます。^{[ 22 ]}一般的に、SPRバイオセンシングは、ラベルフリーで、コストが低く、ポイントオブケア環境で適用でき、小規模な研究コホートでより迅速な結果が得られるため、生物医学分野の他のアプローチよりも優位性を示しています。

環境汚染物質の研究において、SPR装置は従来のクロマトグラフィーベースの技術の代替として使用できます。現在の汚染研究では、時間の経過に伴う生態系の汚染の増加を監視するためにクロマトグラフィーに依存しています。クレッチマンプリズム構成のSPR装置を使用して、新興汚染物質であるクロロフェンを検出したとき、SPRはクロマトグラフィー技術と同様の精度と正確さのレベルを持っていることが実証されました。^{[ 23 ]}さらに、SPRセンシングは、高速で簡単な分析により、クロマトグラフィー技術を凌駕します。

表面プラズモン共鳴分光法の初期の一般的な応用例の一つは、金基板上に吸着した自己組織化ナノフィルムの厚さ（および屈折率）の測定でした。吸着膜の厚さが増加するにつれて、共鳴曲線は高角度側にシフトします。この例は「静的SPR」測定です。

より高速な観測が必要な場合は、共鳴点（反射率が最小となる角度）のすぐ下の角度を選択し、その角度における反射率の変化を測定することができます。これは、いわゆる「動的SPR」測定です。データの解釈においては、測定中に膜の構造が大きく変化しないことを前提としています。

SPRは、分子間相互作用のリアルタイムな速度論を研究するために使用できます。2つのリガンド間の親和性を決定するには、生成物比の平衡値を表す平衡解離定数を確立する必要があります。この定数は、解離速度を結合速度で割った値として計算される動的SPRパラメータを使用して決定できます。

${\displaystyle K_{\rm {D}}={\frac {k_{\text{d}}}{k_{\text{a}}}}}$

このプロセスでは、リガンドがSPR結晶のデキストラン表面に固定化されます。マイクロフローシステムを通して、分析対象物を含む溶液がリガンドで覆われた表面に注入されます。分析対象物がリガンドに結合すると、SPR信号が増加します（応答単位（RU）で表されます）。結合時間が経過すると、分析対象物を含まない溶液（通常は緩衝液）がマイクロ流体デバイスに導入され、リガンドと分析対象物との結合複合体の解離が開始されます。分析対象物がリガンドから解離すると、SPR信号が減少します。これらの結合速度（「結合速度」、k _a）と解離速度（「解離速度」、k _d）から、平衡解離定数（「結合定数」、K _D）を計算できます。

検出されるSPR信号は、入射光と金層の表面プラズモンとの電磁的な「結合」の結果です。この相互作用は、通常わずか数ナノメートルの厚さである金と溶液の界面にある層の特性に特に敏感です。物質が表面に結合すると、光の反射の仕方が変化し、反射角が変化します。この変化は、SPR実験において信号として測定できます。一般的な応用例の一つとして、抗体と抗原の相互作用の速度論的測定が挙げられます。

SPRバイオセンサーは様々な温度での測定を可能にするため、熱力学的解析を行うことで、研究対象となる相互作用をより深く理解することができます。通常4℃から40  ℃の範囲で異なる温度で測定を行うことにより、結合速度定数と解離速度定数を活性化エネルギーと関連付け、結合エンタルピー、結合エントロピー、ギブズ自由エネルギー、熱容量などの熱力学的パラメータを取得することが可能です。

SPRはリアルタイムモニタリングを可能にするため、サンドイッチ構造における抗体間の適合性を調査する際に、連続的な結合反応における個々のステップを詳細に評価できます。さらに、重複するエピトープを持つ抗体は、同時に相互作用できる抗体と比較してシグナルが弱くなるため、エピトープのマッピングも可能です。

近年、磁気表面プラズモンへの関心が高まっている。これには大きな負の透磁率を持つ材料が必要となるが、この特性はメタマテリアルの構築によってごく最近になってようやく実現可能になった。

金の上にグラフェンを積層すると、 SPRセンサーの性能が向上することが示されています。 ^{[ 24 ]}グラフェンの高い電気伝導性により、検出感度が向上します。グラフェンの大きな表面積は生体分子の固定化を容易にし、低い屈折率により干渉を最小限に抑えます。グラフェンを他の材料と組み合わせることでSPR感度を高めると、SPRセンサーの可能性が広がり、より幅広い用途で実用的になります。たとえば、グラフェンの感度向上は銀SPRセンサーと組み合わせて使用​​でき、尿中のグルコース濃度を測定するための費用対効果の高い代替手段となります。^{[ 25 ]}

 グラフェンは、SPRセンサーの500 ℃までの高温アニーリングに対する耐性を向上させることも示されています。 ^{[ 26 ]}

SPR技術の最近の進歩により、新しい形式が生まれ、SPRセンシングの範囲と適用性が拡大しています。光ファイバーSPRでは、SPRセンサーを光ファイバーに統合し、光が中空のSPRコアを通過する際に表面プラズモンと光を直接結合させ、分析対象物は中空コアを囲む薄い金属シートの後ろに配置します。^{[ 27 ]}この形式は感度が向上し、小型のセンシングデバイスの開発が可能になるため、現場でのリモートセンシングを必要とするアプリケーションに特に価値があります。^{[ 28 ]}また、分析対象物が光ファイバーの内張りに結合する表面積も増加します。

SPR曲線は通常、強い最小値を示します。クロム-金複合膜または他の慎重に選択された材料の組み合わせを使用すると、クレッチマン配置で表面プラズモンを励起したときに鋭い共鳴最大値が観察されます。^{[ 29 ] [ 30 ]}これは、ノイズを超える強く鋭い共鳴が必要であり、表面での熱が少ないことが望ましいセンサーアプリケーションに役立つ可能性があります。