一種微懸臂梁陣列生化傳感裝置及其生化檢測方法
2023-07-24 22:51:26
專利名稱：一種微懸臂梁陣列生化傳感裝置及其生化檢測方法
技術領域：
本發明屬於生化傳感技術領域，具體地涉及一種微懸臂梁陣列生化傳感裝置和所述微懸臂梁陣列生化傳感裝置的生化檢測方法，該裝置和方法可應用於食品安全、環境汙染、生物醫學、科學研究和生產製造等領域中的監控和檢測。
背景技術：
基於表面應力檢測的微懸臂梁生化傳感技術是近年出現的一種新興傳感技術，其原理是:把探針(抗原或抗體)分子用直接或間接的方式固定(修飾)到微懸臂梁一側的鍍金層上，當被檢測樣品液中的靶分子與微懸臂梁金表面上的探針分子發生特異性反應時，會使微懸臂梁表面應力改變，從而導致微懸臂梁彎曲變形，通過光學或電學方法檢測這種變形的過程，可得到生化反應的實時信息。與傳統的免疫傳感方法相比，該方法無需使用任何酶標、螢光物質和放射性作為反應示蹤劑，消除了標記過程的影響，靈敏度高(比酶聯免疫試驗高數倍)，還可以通過監測微懸臂梁變形來實時、定量的監測抗原抗體的反應過程，得到更豐富的免疫生化反應信息。經過這些年的發展，微懸臂梁傳感被作為一種新興技術，在生物工程和環境汙染監測技術等方面與傳統的方法進行對比研究，如RNA轉錄因子、酶、汞排放及揮發性化合物等，由於微懸臂梁的厚度尺寸僅為亞微米量級，對微懸臂梁表面生化反應(比如，修飾的探針分子與靶分子結合)導致的應力變化極為敏感，使其檢測極限達到納克甚至亞納克級每毫升，優於常規的酶聯免疫方法。在單微懸臂梁檢測系統基礎上，為進一步消除環境溫漂、溶液折射率變化等背景噪聲影響、實現多種靶標分子的快速並行檢測，微懸臂梁傳感技術正逐步向多陣列發展。已報導實現微懸臂梁陣列傳感研究的方法主要有:(1)利用並排的光纖陣列作為陣列光源，對微懸臂梁陣列進行逐一照射，再利用光電位置敏感探測器(PSD)對各根微懸臂梁的偏轉信號進行接收檢測；(2)利用擴束後的面光源照射微懸臂梁陣列，用C⑶記錄二維微懸臂梁陣列變形前後的圖像進行微懸臂梁的變形檢測。
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由於光纖陣列本質上是後端連接了多個半導體雷射器，導致其布線複雜，附屬裝置較多，體積變大，靈活性較低；同時光纖端面的平整度對出射雷射束的發散角和光斑形狀影響也很大，這將極大影響光纖陣列發出雷射束的一致性及有效探測距離；CCD面光源檢測法中，由於微懸臂梁尖端的彎曲會使圖像產生彌散，嚴重影響光斑位移的檢測質量，導致其檢測靈敏度不高。如何利用簡單光路設計出方便實用的傳感系統，實現微懸臂梁陣列高靈敏度、快速、並行的變形檢測，研製出微懸臂梁陣列免疫傳感裝置，並利用陣列免疫傳感器進行抗體親和常數測定以及應用於食品安全中多殘留和多種重金屬離子並行實時原位檢測，一直是生化檢測領域關注的焦點。
發明內容
為解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供一種微懸臂梁陣列生化傳感裝置和所述微懸臂梁陣列生化傳感裝置的生化檢測方法。本發明微懸臂梁陣列生化傳感裝置的原理是利用垂直腔面發射雷射器陣列發射出的雷射束周期性地掃描微懸臂梁陣列；再通過光槓桿原理將微懸臂梁陣列中各微懸臂梁的彎曲變形信號放大，用光電位置敏感探測器(PSD)時序接收檢測，從而實時監測各微懸臂梁上的生化反應過程信息。因此，在第一個方面，本發明提供了一種基於垂直腔面發射雷射器陣列的微懸臂梁陣列生化傳感裝置(下面有時簡稱為「本發明的裝置」)。所述微懸臂梁陣列生化傳感裝置包括:生化反應池，其用於容納緩衝液和待測樣品；微懸臂梁陣列，其包括兩個以上平行間隔排列的微懸臂梁，並被可拆卸地固定在密閉的生化反應池中，其中所述每個微懸臂梁上固定有檢測生物分子或對照分子(在本發明中也稱為「參考分子」，固定或修飾有參考分子的微懸臂梁也稱為「參考梁」);垂直腔面發射雷射器陣列(VCSELs)，其包括兩個以上平行間隔排列的雷射器；信號發生器，其控制所述垂直腔面發射雷射器陣列的輸入電壓變化周期，以控制各雷射器的周期性亮滅；光電位置敏感探測器(PSD)，其接收由所述微懸臂梁陣列反射的雷射光點，從而產生並輸出關於每個微懸臂梁的位移信號；數據處理設備，其處理由所述光電位置敏感探測器輸出的每個微懸臂梁的位移信號，基於固定有對照分子的微懸臂梁的位移數據關於獲得固定有檢測生物分子的每個微懸臂梁彎曲的數據；其中，當待測 樣品中含有與所述檢測生物分子特異性結合的靶分子時，固定有所述檢測生物分子的微懸臂梁與所述待測樣品在生化反應池中在適於兩者的反應條件下反應後會發生彎曲。在一個優選的實施方案中，本發明的微懸臂梁陣列生化傳感裝置還可以包括設置與所述生化反應池可操作連接的加熱片和與所述加熱片電連接的溫控器，所述溫控器控制加熱片的溫度以調節所述生化反應池中的溫度從而適於所述檢測生物分子和所述靶分子在所述生化反應池中發生反應。在另一個優選的實施方案中，所述反應為受體配體結合作用、抗原抗體反應或分子締合反應。在另一個優選的實施方案中，所述微懸臂梁陣列生化傳感裝置還可以包括模擬/數位訊號轉換器，所述模擬/數位訊號轉換器將所述關於每個微懸臂梁的位移信號轉換成數位訊號，所述數位訊號輸出至所述數據處理裝置進行處理，以獲得所述微懸臂梁彎曲數據。在另一個優選的實施方案中，所述對照分子包括至少一種陽性對照分子。在另一個優選的實施方案中，所述對照分子包括至少一種空白對照分子。在另一個優選的實施方案中，所述信號發生器可以通過控制所述垂直腔表面發射雷射器陣列輸入電壓變化周期，使得所述垂直腔面發射雷射器陣列中的各個雷射器逐一點亮以周期性掃描對應的每根微懸臂梁。在另一個優選的實施方案中，所述靶分子為抗原，所述檢測生物分子為所述抗原的特異性抗體或抗體片段，所述特異性抗體包括單克隆抗體或多克隆抗體。在另一個優選的實施方案中，所述靶分子為抗原，所述檢測生物分子為所述抗原的抗體片段，所述抗體片段是抗體的Fab、Fab』片段或F(ab』)2片段。在第二個方面，本發明提供了上述任意一種微懸臂梁陣列生化傳感裝置的生化檢測方法，所述生化檢測方法使用本發明的微懸臂梁陣列生化傳感裝置檢測待測樣品中的靶分子的方法(下面有時簡稱為「本發明的方法」)，所述生化檢測方法包括以下步驟:(I)將與能夠所述靶分子特異性結合的檢測生物分子和對照分子分別固定至微懸臂梁陣列中的不同微懸臂梁上，每個微懸臂梁上固定一種分子；(2)將步驟(I)中獲得的微懸臂梁陣列固定在生化反應池中，並在生化反應池中注入緩衝液，並使緩衝液在生化反應池中流動；(3)通過信號發生器控制垂直腔面發射雷射器陣列中的各個雷射器周期性逐一點亮，以發射雷射束；(4)微調微懸臂梁陣列位置，使所述垂直腔面發射雷射器陣列發出的雷射束能定位掃描所述微懸臂梁陣列中的每個微懸臂梁；(5)向生化反應池中加入待測樣品；(6)通過光電位置敏感探測器接收由所述微懸臂梁陣列反射的雷射光點，從而產生並輸出關於每個微懸臂梁的位移信號；(7)所述數據處理設備接收並處理由所述光電位置敏感探測器輸出的每個微懸臂梁的位移信號，基於固 定有對照分子的微懸臂梁的位移數據關於獲得固定有檢測生物分子的每個微懸臂梁彎曲(當待測樣品中含有與所述檢測生物分子特異性結合的靶分子時，固定有所述檢測生物分子的微懸臂梁與所述待測樣品在生化反應池中在適於兩者的反應條件下反應後會發生彎曲)的數據；(8)根據預設的彎曲量閾值判斷所述待測樣品中是否包含所述靶分子。在具體實施本發明的微懸臂梁陣列生化傳感裝置及其生化檢測方法時，在實踐中，一般當微懸臂梁的彎曲位移量達到IOnm及以上時，就可以判定檢測結果呈陽性。本發明的有益效果:本發明利用垂直腔面發射雷射器陣列實現了對微懸臂梁陣列的掃描探測，可以實現對微懸臂梁陣列上生化反應信息的高靈敏度、快速、並行檢測。本發明相對於現有的微懸臂梁陣列生化傳感方法和裝置，其優點有:(I)探測光路結構簡單，容易實現；(2)垂直腔面發射雷射器陣列發出的雷射信號更穩定、一致性更好，大幅度提高了生化檢測精度；(3)垂直腔面發射雷射器陣列的結構緊湊、均勻，使其對微懸臂梁陣列的定位更快速準確、掃描效率更高；(4)利用這種方法集成的微懸臂梁陣列生化傳感器體積小、重量輕，移動方便。
從下面結合附圖的詳細描述中，本發明的上述特徵和優點將更明顯，其中:圖1是基於垂直腔面發射雷射器陣列的微懸臂梁陣列生化傳感裝置的整體設計示意圖。
圖2是垂直腔面發射雷射器陣列逐一發射雷射束掃描微懸臂梁陣列的原理圖。圖3是實驗用微懸臂梁陣列的照片。圖4a與圖4b是微懸臂梁陣列基底上間隔250 μ m兩點處的掃描位移曲線圖，其中:圖4a為X方向，圖4b為Y方向。圖5是兩個微懸臂梁上的光點掃描信號的示意圖。圖6是在溫度激勵下兩個微懸臂梁的位移曲線圖。圖7是生化反應池結構的示 意圖。圖8是利用毛細管修飾CLEN抗體到微懸臂梁陣列上的照片。圖9顯示利用微懸臂梁陣列檢測CLEN抗原抗體的特異性結合。
具體實施例方式定義檢測生物分子:在本發明中，檢測生物分子是指能夠與在待測樣品中可能存在的被研究的目標分子特異性結合的生物分子。該檢測生物分子包括但不限於抗原、抗體、受體或配體等，其類型可以是蛋白質、核酸或糖類等生物大分子。靶分子:在本發明中，靶分子即被研究的目標分子，其是能夠與檢測生物分子特異性結合的生物分子，其包括但不限於抗原、抗體、受體或配體等，其類型可以是蛋白質、核酸或糖類等生物大分子。抗體:抗體(antibody)指機體的免疫系統在抗原刺激下，由B淋巴細胞或記憶細胞增殖分化成的漿細胞所產生的、可與相應抗原發生特異性結合的免疫球蛋白。半抗體片段:通過二硫鍵還原劑將全抗體拆分成各自帶有巰基的對稱的片段，每個半抗體片段包含一條完整的輕鏈和一條完整重鏈以及Fe片段。F(ab』)2:1g (immunoglobulin,免疫球蛋白)被胃蛋白酶水解在鉸鏈區重鏈間二硫鍵近C處切斷，形成一個雙價抗原結合片段簡稱F(ab』)2片段和一些小片段pFc』。由於F(ab』)2片段保留了結合相應抗原的生物學活性，又避免了 Fe片段的抗原性可能引起的副作用，因而被廣泛用作生物製品。如白喉抗黴素和破傷風抗黴素，經胃蛋白酶水解後，因去掉了 Fe片段的抗原性而減少了超敏反應的發生。pFc』片段最終被降解，無生物學活性。Fab (fragment of antigen binding):木瓜蛋白酶使Ig在鉸鏈區重鏈間二硫鍵近N端處切斷，形成兩個相同的單價抗原結合片段簡稱Fab段(如圖1中所示)，一個可結晶的片段簡稱 Fe (fragment crystallizable)段。Fab』:是帶巰基的單價抗原結合片段(F(ab』)2被二硫鍵還原劑拆分的各自帶有巰基的片段)。抗原結合位點:抗體分子與抗原相結合的部位，由Ig輕、重鏈的⑶R1、⑶R2和CDR3組成。抗原:是一類能誘導免疫系統發生免疫應答，並能與免疫應答的產物(抗體或效應細胞)發生特異性結合的物質。抗原具有免疫原性和反應原性兩種性質。根據抗原性質分為兩類:完全抗原和不完全抗原。完全抗原(complete antigen)是一類既有免疫原性，又有免疫反應性的物質。如大多數蛋白質、細菌、病毒、細菌外毒素等都是完全抗原。不完全抗原，即半抗原(hapten)是只具有免疫反應性，而無免疫原性的物質，故又稱不完全抗原。巰基化試劑:具有巰基的能連接抗體與金的雙功能交聯試劑。二硫鍵還原劑:二硫鍵又稱S — S鍵，是2個SH基被氧化而形成的-S-S-形式的硫原子間的鍵。在巰基乙胺(2-MEA)、2-巰基乙醇、二硫蘇糖醇等的硫化合物存在下能與之發生作用，還原成巰基(-SH)。這些硫化物就是本發明中所說的二硫鍵還原劑。在微量的二硫鍵還原劑存在的情況下抗體的重鏈間的二硫鍵被還原而其它的二硫鍵不被破壞。微懸臂梁:典型的微懸臂梁由氮化矽製成，如商品化的三角形微懸臂梁(VeecoInstruments)(尺寸:長200um,腿寬20um,厚0.6um),單側鍍有60nm的金；抗體通常通過巰基化試劑的巰基(-SH)與金的共價結合以及巰基化試劑的另外一端(含有-COOH或-NH2等活性基團)與抗體結合來固定到微懸臂梁表面。基於表面應力檢測的微懸臂梁傳感系統:微懸臂梁傳感系統主要由雷射器、微懸臂梁、光電位置敏感器(PSD)、溫度控制系統、蠕動泵、以及數據分析處理裝置組成。典型的微懸臂梁免疫檢測方法的步驟如下:將微懸臂梁固定到生化反應池中，以蠕動泵控制流動緩衝液通過生化反應池，待生化反應池中氣泡排淨後以0.lmL/min的速度流動緩衝液通過生化反應池。生化反應池的溫度控制在37±0.01°C，室溫控制在27±0.01°C。雷射器發出一束雷射照射在微懸臂梁的尖端，經微懸臂梁反射後照在PSD的靶面上。當微懸臂梁的位移信號穩定後，加入緩衝液稀釋的樣品溶液，PSD實時記錄微懸臂梁的尖端位移。時序接收:垂直腔面發射雷射器陣列上的1、2……η號雷射器順序射向微懸臂梁陣列上的1、2……η號微懸 臂梁，1、2……η號微懸臂梁再依次將照射來的雷射束反射向PSD靶面，由PSD記錄各雷射點位置。
具體實施方案在本發明的裝置和方法中，利用的生化反應可以是受體配體結合作用、抗原抗體反應或分子締合反應中的任一種，優選本領域中常用的抗原抗體反應。當採用抗原抗體反應時，採用的抗體是與檢測生物分子特異性結合的抗體，可以是多克隆抗體或單克隆抗體，其可以通過本領域中已知的任何方法製備，包括但不限於免疫法、雜交瘤法、化學合成法、基因工程法等。所述抗體還可以是基因工程修飾的雜合抗體，諸如人源化抗體，駱駝源化抗體等針對某種哺乳動物改造的抗體，例如人-鼠雜合抗體等。本發明中所提及的抗原包括但不限於完全抗原和半抗原，其可以是本領域中所知曉的任何類型的抗原。本發明中提到的待測樣品可以是生物樣品，例如來自於哺乳動物尤其是人的樣品，包括組織樣品(如病理組織切片、活檢、毛髮、拭子等)、細胞樣品(如細胞塗片、血液塗片等)、體液樣品(如血液、尿液、腦脊液、唾液等)、排洩物(例如嘔吐物、汗液、糞便等)。所述待測樣品還可以是環境樣品，諸如土壤樣品、水樣、浮塵等；其他生產領域中獲得的樣品，諸如汙水樣品、食品樣品等。在本發明中使用的微懸臂梁可以根據本領域中的公知方法自行製備，也可以購買市售商品，對此在本發明中並無任何限制。作為在微懸臂梁上修飾或固定檢測生物分子的方法，在本發明中對此沒有任何限制，可以採用本領域中任何已知的方法。
當使用抗體或抗體片段作為檢測生物分子時，優選使用抗體片段，所述抗體片段可以是抗體的Fab、Fab』片段或F(ab』)2片段。作為在微懸臂梁上修飾抗體或抗體片段的方法的實例，可以先利用巰基化試劑自帶的巰基自組裝至微懸臂梁的鍍金表面上，然後將抗體或抗體片段(例如，Fab、Fab』片段)與巰基化試劑結合；可以先將抗體或抗體片段(例如，Fab、Fab』片段)與巰基化試劑聯結在一起，然後利用巰基化試劑自帶的巰基自組裝至微懸臂梁的鍍金表面上；還可以用二硫鍵還原劑將抗體裂解成兩個半抗原片段，然後利用半抗原片段自身的巰基自組裝至鍍金表面上；也可以先用胃蛋白酶將抗體水解成F (ab 』)2片段，然後用二硫鍵還原劑將F (ab 』)2片段還原成兩個Fab』片段，再利用每個Fab』片段的巰基自組裝至微懸臂梁的鍍金表面上。本發明中使用的二硫鍵還原劑的實例包括巰基乙胺(2-MEA)、2_巰基乙醇、二硫蘇糖醇等。使用二硫鍵還原劑還原二硫鍵從而拆分抗體的方法和條件是本領域中公知的，例如，可以根據靶抗原的類型、大小和性質等，遵照本領域中的已知方法或市售的相關試劑盒的說明書來選擇具體的二硫鍵還原劑和濃度、抗體濃度，兩者的用量和質量比，溫育條件和溫育時間等。在本發明中使用的巰基化試劑不受限制，只要其可以與抗體的Fab片段聯結，並且可以被固定在微懸臂梁的鍍金層上。本發明中使用的巰基化試劑包含巰基官能團和羧基或氨基官能團，其中該試劑一端的巰基用於通過自組裝固定在金表面上，另一端的羧基或氨基(也可以通過活化被暴露)用於與抗體的氨基或羧基末端發生反應。本發明可用的巰基化試劑包括硫醇類化合物，例如11-羧酸硫醇，2-氨基乙硫醇(AET)和3-巰基丙酸(MPA);鹽酸硫醇亞胺；磺基烴基琥珀醯亞胺基-6- (3』 2-吡啶二硫-丙醯胺)-乙酸酯(Sulf0-LC-SPDP);和3，3』 - 二硫雙磺基琥珀醯亞胺丙酸酯(DTSSP)等。下面結合附圖詳細地說明本發明。圖1中圖示了基於垂直腔面發射雷射器陣列的微懸臂梁陣列生化傳感裝置的整體設計示意圖。在圖1中，垂直腔面發射雷射器陣列(VCSELs) I發出的雷射束通過反光鏡2逐一照射到固定在密閉生化反應池3中的微懸臂梁陣列4上(生化反應池I上方是玻璃片)，生化反應池3中環境溫度由溫控器5通過加熱片6控制。接著再用光電位置敏感探測器(PSD)7接收由微懸臂梁陣列4反射的雷射光點位置信號，任選地通過A/D 8轉換後輸入計算機9，就可以實現對微懸臂梁陣列4彎曲信號的檢測，從而得到微懸臂梁陣列4中各梁上的對應生化反應信息。圖2是垂直腔面發射雷射器陣列發射雷射束掃描微懸臂梁陣列原理圖。在圖2中，垂直腔面發射雷射器陣列I的構造和配置為:雷射器陣列數為2個、高160 μ m，寬250 μ m,總長0.5mm,相鄰雷射器的中心間距為250 μ m,最大輸入電壓5V。其原理如下:通過信號發生器控制輸入垂直腔面發射雷射器陣列I的電壓變化周期，使垂直腔面發射雷射器陣列I按設定的周期發出雷射束以逐一掃描微懸臂梁陣列4中的每根微懸臂梁10 (微懸臂梁長500 μ ，寬90 μ ，厚I μ m，表面鍍有0.02 μ m厚的金層，兩微懸臂梁10之間的中心間距為250 μ m)，再用光電位置敏感探測器7 (PSD，22mmX22mm)時序接收由微懸臂梁陣列4反射的雷射光點位置信號，實現對微懸臂梁陣列4 彎曲信號的檢測。下面結合具體實施例對本發明在微懸臂梁陣列傳感探測方面做進一步說明，但不意在限制本發明。實施例實施例1、基於垂直腔面發射雷射器陣列的微懸臂梁陣列傳感方法對溫度變化的測量1.將一商品化微懸臂梁陣列(德國micromotive公司，如圖3所示,其中微懸臂梁長500 μπι，寬90 μπι，厚I μ m，表面鍍有0.02 μ m厚的金層，兩根微懸臂梁之間的中心間距為250 ym)固定到系統(包括VCSELs、生化反應池、溫控器、PSD、A/D轉換器、計算機，如圖1所示)中的生化反應池裡。2.垂直腔面發射雷射器陣列發出的雷射束周期性掃射微懸臂梁陣列基底上間距250 μπι的兩定點9小時，掃描位移曲線圖如圖4a與圖4b所示:在X方向和Y方向上，兩掃描位點都保持平行一致，沒有出現較大偏移，說明系統掃描光路穩定。3.調節雷射束掃描位點，準確定位微懸臂梁1、2尖端，周期性掃描並採集位移信號，示意圖如圖5所示(圖5中為兩張掃描圖片)；在兩根梁位移信號穩定後，用高精度溫控器(精度0.0re)將微懸臂梁陣列的溫度從21°C逐步升至29°C，所得對應數據曲線如圖6所示。從圖6中可以看出在升溫8°C後，兩根微懸臂梁的位移響應信號相差了 21nm左右，誤差3.59%(相差量21nm除以總的變形量585nm)，在同一溫度變化激勵下基本保持一致。由於微懸臂梁傳感技術對生化反應的檢測主要是針對分子間的特異性結合，因此只要能準確的測出這種特有的反應信息，PSD靶面上接收到的微懸臂梁彎曲信號誤差在10%左右是不影響檢測結果的。實施例2、基於垂直腔面發射雷射器陣列的微懸臂梁陣列生化傳感方法對瘦肉精的檢測1.實驗裝置和試劑檢測系統的具體結構如圖1中所示，主要包括垂直腔面發射雷射器陣列(參數:2陣列、高160 μ m，寬250 μ m,總長500 μ m,相鄰雷射器中心間距250 μ m,最大輸入電壓5V，發出雷射的波長為650nm)、生化反應池(容積0.5mL,全密封，主要由內直徑Imm進樣口 11、出樣口 12、玻璃片13、微懸臂梁陣列固定臺14組成，圖7)、溫控器(控溫精度0.0rC，溫控範圍(TC 100°C)、PSD (位移解析度I μ m，靶面尺寸22_X 22mm)、A/D轉換器(16位)、計算機。瘦肉精抗體、瘦肉精標準樣品CLEN、氯黴素標準樣品CAP ；活化劑:1-乙基-3-(3-二甲基氨丙基)碳二亞胺(EDC)，N-羥基琥珀醯亞胺(NHS);硫醇HS-CH2-COOH(以上藥品均購置於 SIGMA 公司)；PBS (4.0g NaCl + 0.1g KH2PO4 + 1.48g Na2HPO4.H2O+ 500 ml去離子水)；TPBS (PBS + 0.5% Tween-20) ;98%濃硫酸；30%雙氧水，上述試劑均為分析純。2.微懸臂梁陣列上抗體的修飾
清洗微懸臂梁陣列，浸入比例為1:3的H2O2和H2SO4混合溶液中10 min (室溫)，取出用去離子水衝洗，放入孔板中，加入200 yL的0.1 mol/L硫醇後封口靜置20 h(室溫)，利用硫醇自帶的巰基(-HS)自組裝到微懸臂梁陣列一側的鍍金表面上。反應完成後，取出微懸臂梁陣列用乙醇衝洗，再用去離子水衝洗，放入新孔板中，注入100 μ L的0.2 mol/LEDC和100 μ L的0.05 mol/L NHS靜置1.5 h，活化微懸臂梁陣列上硫醇的羧基。隨後將微懸臂梁陣列取出用去離子水衝洗，再放到毛細管15組成的毛細管陣列套合修飾平臺上，對I號微懸臂梁進行瘦肉精抗體修飾，過程如圖8所示。2號微懸臂梁為參考梁，上面不修飾任何抗體，用於檢測溫度、溶液折射率變化等環境因素引起的信號偏轉。在本實施例中，毛細管內徑設計為20(Γ230 μπι，外徑為30(Γ330 μ m，一端套合在微懸臂梁上，另一端插入裝有瘦肉精抗體溶液的孔板中，靜置2 h。然後取出微懸臂梁陣列用TPBS衝洗，再固定在生化反應池中，流動PBS緩衝液，調試光路進行實驗。3.具體實驗過程垂直腔面發射雷射器陣列發出的雷射束周期性(設置為Is)掃描微懸臂梁陣列。調節生化反應池位置使雷射束掃描在微懸臂梁陣列中微懸臂梁I和微懸臂梁2的尖端，再調節PSD位置使從微懸臂梁I和2反射來的雷射束打在PSD靶面中央，便於信號的接收採集。觀察計算機上輸出的微懸臂梁I和微懸臂梁2的位移信號曲線，待兩條曲線都平穩後從進樣口輸入CAP標樣溶液，等待一段時間，待微懸臂梁I和微懸臂梁2的位移信號曲線都平穩後，再從進樣口輸入CLEN標樣溶液，等待一段時間，待微懸臂梁I和微懸臂梁2的位移信號曲線都平穩後實驗完成，停止數據採集。4.微懸臂梁陣列檢測結果微懸臂梁 陣列對CLEN抗原抗體特異性反應的檢測結果如圖9所示，圖9中先加入500 ng/mL的CAP標樣後，兩梁響應量一致，且幅度較小，說明:(I)此響應信號可能是由環境擾動(溫漂、溶液折射率及酸鹼度變化等)引起；(2)梁I上修飾的瘦肉精抗體和CAP標樣不發生反應。待信號平穩後，再加入10 ng/mL的CLEN標樣，此時修飾有CLEN抗體的梁I響應信號明顯大於未修飾CLEN抗體的梁2響應信號，說明:(I)梁I上發生了 CLEN抗原抗體的特異性反應導致了梁上表面應力的變化；(2)梁2的響應信號幅度較小，可能是由環境擾動引起。最後，將梁I響應信號減去梁2 (參考梁)響應信號，即可得到僅由CLEN抗原抗體特異性結合產生的真實微懸臂梁變形信號(33 nm)。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
權利要求
1.一種微懸臂梁陣列生化傳感裝置，其特徵在於:其包括: 生化反應池，其用於容納緩衝液和待測樣品； 微懸臂梁陣列，其包括兩個以上平行間隔排列的微懸臂梁，並被可拆卸地固定在密閉的生化反應池中，其中，所述每個微懸臂梁上固定有檢測生物分子或對照分子； 垂直腔面發射雷射器陣列(VCSELs)，其包括兩個以上平行間隔排列的雷射器； 信號發生器，其控制所述垂直腔面發射雷射器陣列的輸入電壓變化周期，以控制各雷射器的周期性売滅； 光電位置敏感探測器(PSD)，其接收由所述微懸臂梁陣列反射的雷射光點，從而產生並輸出關於每個微懸臂梁的位移信號； 數據處理設備，其處理由所述光電位置敏感探測器輸出的每個微懸臂梁的位移信號，基於固定有對照分子的微懸臂梁的位移數據以獲得固定有檢測生物分子的每個微懸臂梁彎曲的數據； 其中，當待測樣品中含有與所述檢測生物分子特異性結合的靶分子時，固定有所述檢測生物分子的微懸臂梁與所述待測樣品在生化反應池中在適於兩者的反應條件下反應後會發生彎曲。
2.如權利要求1所述的微懸臂梁陣列生化傳感裝置，其特徵在於:所述微懸臂梁陣列生化傳感裝置還包括設置與所述生化反應池可操作連接的加熱片和與所述加熱片電連接的溫控器，所述溫控器控制加熱片的溫度以調節所述生化反應池中的溫度從而適於所述檢測生物分子和所述靶分子在所述生化反應池中發生反應。
3.如權利要求1或2所述的微懸臂梁陣列生化傳感裝置，其特徵在於:所述反應為受體配體結合作用、抗原抗·體反應或分子締合反應。
4.如權利要求1或2所述的微懸臂梁陣列生化傳感裝置，其特徵在於:所述微懸臂梁陣列生化傳感裝置還包括模擬/數位訊號轉換器，所述模擬/數位訊號轉換器將所述關於每個微懸臂梁的位移信號轉換成數位訊號，所述數位訊號輸出至所述數據處理裝置進行處理，以獲得所述微懸臂梁彎曲數據。
5.如權利要求1或2所述的微懸臂梁陣列生化傳感裝置，其特徵在於:所述對照分子包括至少一種陽性對照分子。
6.如權利要求1或2所述的微懸臂梁陣列生化傳感裝置，其特徵在於:所述對照分子包括至少一種空白對照分子。
7.如權利要求1或2所述的微懸臂梁陣列生化傳感裝置，其特徵在於:所述信號發生器通過控制所述垂直腔面發射雷射器陣列的輸入電壓變化周期，使得所述垂直腔面發射雷射器陣列中的各個雷射器逐一點亮以周期性掃描對應的每根微懸臂梁。
8.如權利要求1或2所述的微懸臂梁陣列生化傳感裝置，其特徵在於:所述靶分子為抗原，所述檢測生物分子為所述抗原的特異性抗體或抗體片段，所述特異性抗體包括單克隆抗體或多克隆抗體。
9.如權利要求1或2所述的微懸臂梁陣列生化傳感裝置，其特徵在於:所述靶分子為抗原，所述檢測生物分子為所述抗原的抗體片段，所述抗體片段是抗體的Fab、Fab』片段或F(ab，)2 片段。
10.一種如權利要求1至9中任意一項所述的微懸臂梁陣列生化傳感裝置的生化檢測方法，其使用所述微懸臂梁陣列傳感裝置檢測待測樣品中的靶分子，其特徵在於:所述生化檢測方法包括以下步驟: 將與能夠所述靶分子特異性結合的檢測生物分子和對照分子分別固定至微懸臂梁陣列中的不同微懸臂梁上，每個微懸臂梁上固定一種分子； 將所述微懸臂梁陣列固定在生化反應池中，並在生化反應池中注入緩衝液，並使緩衝液在生化反應池中流動； 通過信號發生器控制垂直腔面發射雷射器陣列中的各個雷射器周期性逐一點亮，以發射雷射束； 微調微懸臂梁陣列位置，使所述垂直腔面發射雷射器陣列發出的雷射束能定位掃描所述微懸臂梁陣列中的每個微懸臂梁； 向生化反應池中加入待測樣品； 通過光電位置敏感探測器接收由所述微懸臂梁陣列反射的雷射光點，從而產生並輸出關於每個微懸臂梁的位移信號； 所述數據處理設備接收並處理由所述光電位置敏感探測器輸出的每個微懸臂梁的位移信號，基於固定有對照分子的微懸臂梁的位移數據關於獲得固定有檢測生物分子的每個微懸臂梁彎曲的數據； 根據預設的彎曲量閾值判斷所述待測樣品中是否包含所述靶分子。
全文摘要
本發明涉及一種微懸臂梁陣列生化傳感的裝置及其生化檢測方法。微懸臂梁陣列生化傳感的裝置包括生化反應池、微懸臂梁陣列、垂直腔面發射雷射器陣列(VCSELs)、信號發生器、光電位置敏感探測器(PSD)和數據處理設備。本發明的裝置利用垂直腔面發射雷射器陣列發射出的雷射束周期性地掃描微懸臂梁陣列；再通過光槓桿原理將微懸臂梁陣列中各微懸臂梁的彎曲變形信號放大，用光電位置敏感探測器(PSD)時序接收檢測，從而實時監測各微懸臂梁上的生化反應過程信息。可以實現對微懸臂梁陣列上生化反應信息的高靈敏度、快速、並行檢測，可應用於食品安全、環境汙染、生物醫學、科學研究和生產製造等領域中的監控和檢測。本發明還公開了所述微懸臂梁陣列生化傳感裝置的生化檢測方法。
文檔編號G01N21/76GK103234961SQ20131013231
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者鄔林, 胡國俊, 張加波, 時凱, 王紅軍 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所, 合肥公共安全技術研究院