活细胞的太赫兹波谱特征研究及无标记超材料传感芯片的构建

发布时间：2024-02-27 09:03

　　背景:作为构成生命体的基本结构单元,细胞的功能与结构解析是生命科学研究的关键。解析活细胞的检测技术可分为有标记检测和无标记检测技术。活细胞有标记检测技术主要以荧光素、核素等标记分子为基础,是细胞生物学研究的核心技术,可在分子层面揭示细胞和组织器官的病理生理特征。但其标记过程可能影响靶分子的结构和功能,且操作过程较为繁琐,难以还原细胞本征状态下的特征信息。以解析活细胞生物物理特征（力学、电学及光学特性）为代表的无标记检测技术可揭示细胞增殖、分裂、凋亡和相互作用等基本生命过程的特征信息,在临床检验诊断的血液细胞分析和循环肿瘤细胞检测、表型分析及药敏分析中具有巨大的应用价值。目前仍需拓展活细胞生物物理特性研究的深度和广度,完善和增加活细胞无标记检测的方法体系,从而为临床检验诊断、药物筛选、食品健康和环境毒性评估等成熟产业化应用场景提供多元、丰富的检测平台。太赫兹(Terahertz,THz,1 THz=10¹² Hz)波技术是当前生物物理学交叉领域的研究热点,相比于力学、电化学和光学等传统活细胞无标记检测技术具备以下独特优势:（1）THz波可检测分子低频集体振动模式,特... 

【文章来源】：中国人民解放军陆军军医大学重庆市

【文章页数】：137 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

-1 THz 波谱位于电磁波谱频段示意图（THz 波指频率为 0.1 THz - 10 THz，波长电磁波）[13]前生物医学研究已呈现医工融合、交叉创新的新趋势，太赫兹（Teraher012Hz）波技术正是当前多学科交叉研究的热点所在。由于早年缺乏有手段，THz 波频段尚未被充....

18图 1-2 THz 波技术的生物学应用。生物大分子间弱相互作用力如氢键网络、范德华力和分子振动动等弱相互作用模式位于 THz 波段内。（A）腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶在 10 K 温度下的 T收波谱，（B）不同浓度谷氨酸的 THz 吸收波谱（绿色为0.314 mol/L，黑色为 0.585mol/L，红色为0.8ol/L），（C）单独溶菌酶以及溶菌酶和 3 乙酰基葡萄糖胺混合溶液的 THz 吸收波谱，（D）Hela 细胞（），HEK293 细胞（黑色），DLD-1 细胞（红色）与蒸馏水的介电常数[13]差异波谱（ε水-ε细胞），（E）包埋脑胶质瘤（红色）和正常组织切片（黑色）的 THz 吸收波谱。然而，THz 波应用于活细胞检测仍面临以下三个突出问题：（1）水敏感性：活细处液相环境对 THz 波吸收非常强烈，会造成细胞本身的特征 THz 响应信号的干扰没。其实水敏感性是一把双刃剑，在检测中水分子也可以作为一种独特的信号增强剂

图 1-3 （a）空白基底、未处理的 BLMVEC 细胞和 VEGF 处理 3h 过后的 BLMVEC 细胞的波谱，光学相差显微镜下（b）未处理的细胞图和（c）VEGF 处理 3h 后的细胞图[17]。本研究在前期设计适用于 THz 波段液体样本池芯片，利用 THz-TDS 透射光谱液相环境下肿瘤细胞表面高度表达的糖蛋白分子 MUC1（mucin-1）与 anti-M体结合过程的 THz 吸收光谱；并用 Amber 分子动力学软件模拟分子结合过程拟和实验结果分析肿瘤细胞表面标志物分子构象改变及与靶分子作用过程中特征变化[18]。图 1-4 展示对照组（背景缓冲液、随机序列）和实验组（anti-M体和 MUC1 分子）的吸收波谱图，可明显区分出适配体和 MUC1 分子的结合状拟结果图 1-5（a）中可以看出 MUC1 分子和适配体分子在 12 ns 时形成稳定始相互靠近逐渐结合，最终在 38 ns 后形成稳定的复合物。分析结合过程中氢变，如图 1-5（b）和（c）所示，MUC1 分子和适配体分子复合物内部及周围量在结合开始时先明显下降，而后缓慢上升，最后在 38 ns 后趋于稳定；这与图）变化趋势相吻合。由于 THz 吸收光谱对溶液中氢键网络集体振动模式改变十故这种由分子结合诱发的溶液环境氢键网络变化可以引起 THz 吸收光谱的改变


本文编号：3492102