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蛋白质芯片生物传感器系统(3)
    时间:2011-7-17     点击率:27083

    

编者按:力学研究所国家微重力实验室靳刚研究员主持的研究团队,在中国科学院知识创新工程项目和国家自然科学基金的资助下,研制成功了“蛋白质芯片生物传感器系统”及实用化样机。该项成果获得了2007年度北京市科技进步三等奖,本文将对这项新技术进行简要的介绍。
 

    蛋白质芯片生物传感器系统(3)

    什么是椭偏光学成像技术?


     椭偏光学成像技术是近年发展起来的一种超薄膜及表面显示技术,它将传统的光学椭偏术和CCD成像技术、计算机采样技术及数字图像处理技术结合起来。对薄膜的厚度分辨率可达原子层量级,横向分辨可达微米量级,并具有大面积成像测量、采样速度快和结果直观等优点,可以定量显示生物分子膜层的分布及其变化。椭偏光学成像系统的原理图简示于图1,由光源(Light Source)、起偏器(Polarizer)、补偿器(Compensator)、检偏器(Analyzer)和探测器(Detector)等部分构成。它以偏振光波为探测光照射样品(Sample),样品会对入射光波进行调制,使得反射光波中载有样品的信息,经CCD摄像机探测,结果以数字图像形式采集和存储,便于分析和传输。


    图1 椭偏光学成像系统示意图


     椭偏技术是一种被很早用于蛋白膜层研究的光学方法,它的主要特点之一是不破坏蛋白、也无需对蛋白质进行任何标记,就可以确定蛋白膜层中蛋白的量。该方法基于蛋白在某一表面形成膜层后,所反射的椭圆偏振光的偏振状态发生变化,由此来推出蛋白膜层的折射率和厚度等信息。但是,传统的椭偏方法只适用于单点测量,而且在基底材料并非完全均一情况下,很容易由于参数值的变化产生测量结果的误差,同时也会受到畸点(如表面受到污染而使膜层厚度极大增加的点)的干扰。椭偏光学成像技术则是将传统的光学椭偏术和CCD摄像技术、计算机取样技术和图像处理技术结合起来,在传统椭偏术的基本实验装置(即起偏器-补偿器-样品-检偏器)基础上,采取了改进措施:首先,用一个扩展光束替代传统的窄光束。即利用是Xe灯加上一个633纳米干涉滤光片作为光源,与一个光学准直系统结合,形成光强均匀分布的探测光束;其次,用CCD摄像机代替传统的光电倍增管和光电管等光探测器;最后,利用计算机采样技术及数字图像处理技术替代传统的数据处理方法来解读光学成像结果。因此,椭偏光学成像系统除了具有传统椭偏术的不需要对样品标记的优点外,还具有测量薄膜的厚度分布分辨率高(达10-10米量级),测量面积大(达平方厘米量级)、采样速度快(对于105以上像元的图像,每秒采样25帧)、横向分辨率高(达微米量级)和测量结果直观等优点,并且可以定量地显示膜层的变化和膜层的分布。因此,用椭偏光学成像系统作为蛋白质芯片检测系统形成了一种新型多元蛋白质分析技术。利用这种高灵敏度光学无接触、无扰动、无标记物的多元生物分子检测技术,可以实现单样本的多元(12-48路)同时检测或12-48个样本单元的同时检测,节约了检测时间,降低了检测费用。    图2示出了12单元蛋白质芯片的灰度—厚度图。这是利用专门研发的计算机软件,它可以将椭偏光学成像系统得到的平面灰度图(A)转换成三维立体图(B),从而直观地显示蛋白质芯片各个单元的膜层厚度。这里,灰度值越高的单元其对应的立体图中厚度也越大。

                        
    图2 12单元蛋白质芯片灰度-厚度图


     目前,利用这种多元蛋白质芯片已成功实现了乙肝五项指标同时检测、肿瘤标志物检测、微量抗原抗体检测、SARS抗体药物鉴定、病毒检测及急性心急梗塞诊断标志物检测等多项应用实验,显示出它在生物医学领域的广泛应用前景。图3所示的是通过无标记光学蛋白质芯片检测的一份乙型肝炎病人的血清的结果。
     在对乙型肝炎病毒(HBV)进行检测时,通过微流道系统把乙型肝炎表面抗原(HBsAg)及其单克隆抗体(antiHBsAg)、乙型肝炎e抗原(HBeAg)及其抗体(antiHBeAg)、乙型肝炎核心抗原(HBcAg)固定在芯片上,每种试剂平行固定在三个点上,其中一个与病人血清反应30分钟,另一个与乙型肝炎阴性血清反应30分钟。从图中可以看出该血清中乙型肝炎表面抗原、乙型肝炎e抗原和乙型肝炎核心抗原抗体阳性,临床医学对该结果的解释是处于乙型肝炎急性期,有较强的感染性。


    图3 病人血清中乙肝五项检测
 

     上述结果说明了无标记光学蛋白质芯片在乙型肝炎五项检测上应用的可行性,而且采用该蛋白质芯片对乙肝五项同时进行检测,仅需10 微升血样,约30分钟完成。而传统的酶联免疫方法需要一天时间,需要5毫升血样。因此,同酶联免疫方法比较,能够显著提高检测效率,降低试剂及样品的消耗,缩短检测时间。无标记光学蛋白质芯片可望应用于如下方面:
    1)蛋白质分析:从微观世界去认识生命的规律,并为开展蛋白质组学研究提供强有力的手段和技术平台;
    2)诊断和医疗:更方便地诊断愈来愈多的疾病和分析机体蛋白质的变化并实现个性化医疗,还可用于检测血液状况,避免医源性疾病的发生;
    3)生物医药工业:对工业流程中的生物活性(如酶活性、蛋白活性及菌活性等)进行检验分析,还可进行药物筛选和药理研究;
    4)国防和航天:便捷地提供作战人员的生理指标及其变化,使战地医生获得准确的医学判断,未来的宇航员的生理指标也可以通过芯片传感器和遥医学相结合,使地球上的保健医生及时了解,适时施治;
    5)环境保护和违禁药物检测:可以用于检测环境中的污染物或毒素,以及用于体育运动员违禁药物的快速检测等。


    (王柏懿撰文)