基于适配体的微梁阵列生化传感技术研究

发布时间：2020-11-19 02:18

　　 微悬臂梁生化传感技术是从原子力显微镜技术中衍生出的新型分析手段。它综合了微机电系统(MEMS)、力学、生物和化学等多个学科,利用微悬臂梁这种最简单的MEMS元件,通过检测微悬臂梁的共振频率或偏转,实时检测微悬臂梁表面特异性的生化反应,具有高灵敏度、无需标记、实时检测等优点。微悬臂梁阵列包含多根微悬臂梁,使用微悬臂梁阵列进行的生化传感实验具有高通量等优点,并且可以消除由于环境因素所引起的微悬臂梁信号的漂移和噪音。基于微悬臂梁阵列的检测技术在生化传感领域有很好的应用前景。本文基于本课题组现有的微悬臂梁阵列传感平台,分别利用抗体和适配体作为探针分子,对癌症标记物和食品安全领域的有毒物质开展了多项生化传感检测研究。本文的主要工作如下:在光纤阵列传感系统上,分别检测了不同体积分数的甲醇、乙醇和丙酮进入反应池时对系统造成的影响;检测了动态模式下甘油对微悬臂梁共振频率变化造成的误差。利用光纤阵列传感平台,检测了不同浓度的Hg2+,浓度范围从5 ng/mL至100 ng/mL,结果具有良好的一致性,并且展现了定量检测Hg2+的能力。初步研究了如何直接验证适配体在微悬臂梁表面的修饰效果。将带有荧光标记的适配体修饰在微悬臂梁表面,利用荧光显微镜进行观测。目前的结果表明微悬臂梁表面的荧光效果不理想,而基底上可以看到分布的荧光存在。提出在后续实验中引入酶标适配体,利用酶催化底物变色到可被检测到的程度,验证适配体在微悬臂梁上的修饰效果。使用抗体作为探针分子,分别在动态模式和静态模式下,利用微悬臂梁阵列传感平台开展了对癌症标记物Her2的特异性检测。利用硫醇自组装的方法将Her2抗体修饰在微悬臂梁阵列表面。动态模式下,通过检测微悬臂梁阵列共振频率的漂移量,检测了不同浓度的Her2溶液,最低检测浓度为50 ng/mL,检测结果展现了良好的一致性。利用光纤阵列传感平台,首次在静态模式下,通过检测微悬臂梁阵列的偏转情况实现了对Her2抗原的实时检测,最低检测浓度为50 ng/mL。微悬臂梁表面修饰抗体的活性通过ELISA实验得到验证,而且两种模式下的对比实验都验证了微悬臂梁阵列的响应是由抗原抗体的特异性结合所引起的。利用核酸适配体作为探针分子,在光纤阵列传感平台上开展了针对有机磷农药丙溴磷和贝类毒素冈田软海绵酸(OA)的生化检测。设计了一种基于适配体的微悬臂梁阵列传感器,可以在静态模式下实现对丙溴磷的特异性实时检测,具有无需标记、高灵敏度和定量检测等优点,而且适配体5'端修饰有巯基,只需一步就可以修饰在微悬臂梁阵列的表面;适配体与丙溴磷在微悬臂梁表面的结合引起微悬臂梁的偏转,微悬臂梁阵列的平均偏转值与丙溴磷的浓度成正比,检测浓度范围为5 ng/mL至1000 ng/mL,检测极限为1.3 ng/mL;对比实验验证了该传感器的特异性;另外,使用该传感器实现了在蔬菜样品液中对丙溴磷的检测。使用适配体修饰的微悬臂梁阵列对不同浓度的贝类毒素OA进行了实时检测,检测取得了良好的一致性;微悬臂梁阵列的平均偏转量与OA浓度呈正相关,检测浓度范围为5 ng/mL至100 ng/mL。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP212
【部分图文】：

现实时的反应和检测。??微悬臂梁是最简单的ＭＥＭＳ元件之一，它尺寸很小，非常敏感，并且可以??批量生产。图１．２是几种典型的微悬臂梁的照片。微悬臂梁最初是作为原子力显??微镜（ＡＦＭ）的探针使用的，原子力显微镜使用微悬臂梁前部的尖端接触被测??物体，从而测量被测物体表面的微观形貌、微系统的结构或者检测分子间的作用??力。然而在原子力显微镜的研宄中发现，微悬臂梁对于环境因素的影响很敏感，??并且在微悬臂梁表面吸附化学分子也会导致其明显的响应，因此具有作为生化传??感器潜质。经过发展，微悬臂梁生化传感器已经成为一种无需标记、高灵敏度的??实时监测手段，在传感领域有很好的应用前景。当微悬臂梁表面有微小的物理、??化学或者生物的反应时，这种反应产生的信号会引起微悬臂梁发生机械的偏转信??号

１．２．１微悬臂梁传感器的工作模式??微悬臂梁表面发生的物质吸附和生化分子的结合都会导致微悬臂梁发生弯??曲变形或者引起其共振频率的漂移，如图１．３所示（Ｌａｎｇ?ｅｔａｌ．?２００５）。检测微悬??臂梁弯曲变形的方法通常被称作静态模式，而检测微悬臂梁共振频率漂移的方法??通常被称为动态模式。Ｆｒｉｔｚ?（２００８）指出还有另外一种模式，被称作双材料模式??或者热模式（图１．３ｃ）。此模式针对的是由双层复合材料构成的微悬臂梁，一般??是在微悬臂梁的基底表面覆盖了一层金属材料。这种微悬臂梁在遇到加热等温度??变化时，由于两种材料的热膨胀率不同，因此微悬臂梁会因此发生弯曲变形。通??过这种方法，可以使用特制的微悬臂梁检测极小的温度变化。当微悬臂梁作为生??４??

在ＰＳＤ上的反射光也随之偏转，偏移量由ＰＳＤ检测到并转换为电信号，经过放??大由数据采集卡采集进入计算机处理，从而达到实时监测的目的。??微悬臂梁光杠杆读出方法的示意图见图１．４。使用此方法检测的微悬臂梁自??由端位移ＡＺ与激光的反射光在ＰＳＤ靶面的偏移量ＡＳ之间的关系如下：??ＡＺ?＝?＾??４Ｌ??公式中１为微悬臂梁的长度，Ｌ是激光在微悬臂梁尖端光的光臂长度。通过??公式可以看出，光斑的偏移量与微悬臂梁的位移成正比。通过光杠杆的方法，原??本很难直接测量的微悬臂梁纳米量级的位移被放大，转化为微米量级的光斑的偏??移量，从而达到了很高的测量精度。光杠杆方法原理简单，检测灵敏度高，可以??在各种环境下使用。??光电位置敏??Ｌａｓｅｒ徼光?（ｐｓｄ）??＼?＾??．微悬臂梁?＼?／?／??Ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ?＼?：?／??Ｉ???图１．４光杠杆读出方法的示意图??１．２．２．２压电法??压电法是将压电材料与微悬臂梁结合产生的检测方法。最初的压电方法??（Ｐａｒｋ?ｅｔａｌ．?１９９８）是将薄层的压电材料涂在微悬臂梁的表面，当微悬臂梁发生??弯曲偏转时，表面会产生瞬时的电荷。近年来，使用压电材料作为激励来源的微??悬臂梁传感器得到了发展。Ｈｗａｎｇ?（２００４；?２００５）将压电换能器（Ｐｉｅｚｏ－ｅｌｅｃｔｒｉｃ??Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ＰＺＴ）直接制作在微悬臂梁中，通过电路控制其激励微悬臂梁发生??振动
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本文编号：2889551