表面等离激元共振（Surface Plasmon Resonance，SPR）方法是一种无标记分子相互作用分析方法，在生化分析、药物筛选等领域中都有广泛应用，近年来出现的SPR显微镜通过提供空间分辨能力进一步拓展了该方法的应用范围。然而，由于SPR显微镜观测的等离激元弹性散射具有非局域传播性质，因此单颗粒SPR显微图像通常为长度约5~10微米的抛物线花纹，而且距离小于此长度的不同颗粒的等离激元散射信号还会相互干涉，从而限制了SPR显微镜的观测能力。此外SPR显微镜一般需要借助油浸物镜实现，不但价格高昂，而且由于油浸物镜的高倍数，其成像视野也较小，限制了检测通量。
为了克服这些缺点，亚利桑那州立大学王少鹏（Shaopeng Wang）团队在2020年发展出了等离激元散射显微镜（Plasmonic Scattering Microscopy，PSM）。通过测量等离激元非弹性散射信号，PSM获得了高空间分辨率SPR显微图像（Nat Methods, 2020, 17, 1010–1017）。在前期工作的基础上，王少鹏团队进一步证明了PSM可以在常见的棱镜构型SPR传感器上通过简单加装干物镜得到实现。棱镜型激发结构和低倍干物镜可以配合提供毫米级的观测视野，约比经典型SPR显微镜大70倍。此外，由于没有非局域传播等离激元弹性散射的影响，棱镜型PSM可以再全视野获得比经典型SPR显微镜高约7倍的空间分辨率，这些特点可以帮助棱镜型PSM实现数百个细胞的并行高时空分辨率成像分析（图1）。
图1. 经典型SPR显微镜与棱镜型PSM的系统结构以及成像效果对比。
棱镜型PSM仍然保留了SPR传感器通过共振条件改变无标记检测分子吸附的能力，在合适的工作角度可以获得高检测灵敏度（图2）。
通过对细胞吸附结构的高空间分辨成像，棱镜型PSM不但可以实时测量膜蛋白结合动力学曲线，而且可以观测活细胞在配体分子吸附后的吸附特性改变（图3）。
图3. 棱镜型PSM解析不同形状活细胞对小麦胚芽凝集素（WGA）吸附的时空响应。
对棱镜型PSM的图像序列进行逐像素统计分析，该团队可以获得细胞结合结构的等效劲度系数分布，从而可以量化评价其结合力学性质，实验表明活细胞固化前后，其结合力学性质将会发生较大改变（图4）。
棱镜型PSM可以帮助常见的棱镜型SPR传感器上实现高时空分辨高灵敏无标记显微成像，为膜蛋白结合动力学以及细胞结合力学性质的定量分析提供了一种简便且强有力的工具。
这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是张鹏飞博士。
In Situ Analysis of Membrane-Protein Binding Kinetics and Cell–Surface Adhesion Using Plasmonic Scattering Microscopy
Pengfei Zhang, Xinyu Zhou, Jiapei Jiang, Jayeeta Kolay, Rui Wang, Guangzhong Ma, Zijian Wan, Shaopeng Wang
Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202209469
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