[發明專利]激光共聚焦斜入射橢偏高通量生物分子反應成像檢測裝置

有效

• 申請號: 201010183340.4
• 申請日: 2010-05-26
• 公開（公告）號: CN102262052A
• 公開（公告）日: 2011-11-30
• 發明（設計）人: 張洪艷;汪鵬飛;劉衛敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院理化技術研究所
• 主分類號: G01N21/17
• 分類號: G01N21/17;G01N21/64;G01N33/571
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 李柏

技術領域

本發明屬于高通量檢測生物分子反應的裝置，特別涉及一種基于激光共聚焦顯微系統的實時觀測和高通量檢測生物分子微陣列(生物芯片)反應的斜入射橢偏成像檢測裝置。

背景技術

在生命科學研究中，生物分子之間的相互作用是一種基本的生命現象，也是現代生命科學研究的重大問題之一，研究生物分子之間的相互作用的傳統方法有多種，如放射免疫分析方法、酶連結免疫分析方法、標記示蹤法等。然而，由于這些方法要涉及不同種類和含量的細胞、生物分子，而且各種物質間存在著復雜的相互作用，因而利用這些傳統的研究方法很難準確獲取生物分子之間的相關的傳遞信息，同時，日益增加的新蛋白和DNA序列數據也迫切需要能夠準確、高通量的快速鑒定生物分子之間的相互作用的方法。上個世紀80年代初期，有人提出通過微電子技術和生物技術相結合，制作出具有生物活性的微結構的構想來實現高通量檢測生物分子之間的相互作用，這就是生物芯片技術的原型。但是由于加工技術等相關科技手段的限制，直到上個世紀90年代，生物芯片技術才取得長足的進步。目前生物芯片特別是二維生物芯片已經實現了產業化。伴隨生物芯片技術發展起來的芯片檢測技術目前主要分為兩種，一是化學方法，如同位素標記、熒光標記和電化學方法等，目前使用最多的是熒光標記方法，主要采用熒光激光共聚焦系統進行高通量檢測微陣列生物分子反應，這種方法的靈敏度較高，但需要對樣品進行前期處理、定量檢測困難、對待測樣品有損傷且易發生光漂泊現象；二是物理方法，如表面等離子激元顯微鏡、原子力顯微鏡、質譜法、橢偏儀等，其中橢偏儀由于它不需要對待測物作標記，也不會對待測生物分子活性造成任何擾動和損傷，具有實時和靈敏度較高等優點而被廣泛應用。目前已經出現了消光式橢偏儀、光度式橢偏儀、橢偏光譜儀、紅外橢偏光譜儀、成像橢偏儀和廣義橢偏儀等。其中用于芯片生物分子之間相互作用檢測的主要是成像橢偏儀，可進行生物分子的厚度、直徑和的三維形貌的測量；非標記實時生物芯片的掃描和各種生物分子的吸附、解吸附過程測量和動力學研究，通過它可以實時觀察分子之間相互作用過程中的變化情況，得到很多傳統技術難以提供的生物分子之間相互作用的信息。但是由于該領域的研究正處于發展階段，在實際應用中的許多科學問題尚待進一步探索，如成像橢偏儀一般都采用復色光或多波長激光光源，機械結構比較復雜；采用CCD器件，干擾了樣品反射光的偏振態，且有很強的本底信號，成像速度慢，無法實現原位高靈敏度在線檢測，數據處理復雜，準確性不夠高等；對于多元陣列既同一芯片上的陣列有不同生化反應的精度測量還很難實現，多數實驗數據是在不精確的實驗設計下獲得的，而且檢測的精確度和方便程度都有一定的欠缺；無法避免服特異性吸附等。因此橢偏系統仍需優化、原理和數據處理方法上有待改進和提高。其中方法之一是與其它儀器聯合使用以提高儀器靈敏度和可靠性，如文獻(Wei-Liang?Hsu，Shu-Sheng?Lee，Chih-Kung?Lee，J.Biomed.Opt.，2009，14，024036)中介紹了Wei-Liang?Hsu等人將其與表面等離子共振結合起來提高生物芯片檢測的靈敏度和準確性等，文獻(Schuy?S，Faiss?S，Yoder?NC，Kalsani?V，Kumar?K，Janshoff?A，et?al，J.Phys.Chem.B?Biointerfaces，2008，112，8250.)介紹了Schuy?S等人將其與全內反射光譜相結合來實現高靈敏檢測等。方法之二就是新技術和有效算法的使用，如文獻(Cormier?G，BoudreauR.Opt.Soc.Am，2000，1，129.)中介紹了偏振調制器的使用和遺傳算法的引入。斜入射橢偏法是在傳統光學橢偏技術的基礎上有了很大的靈活性。傳統光學橢偏的入射光是接近正入射，只適用于表面各向異性的材料光學特性的檢測，斜入射差分光學橢偏技術在斜入射光路中加入了調整背底強度的器件來消除背底信號，這樣使其測量不限于具有表面光學各向異性的材料，同時采用差分的方法大大提高了精度。如果將激光共聚焦技術與光學橢偏技術相結合，利用斜入射橢偏技術的高靈敏性，能獲取分子間相互作用的動力學信息，及激光共聚焦技術的高三維圖像分辨率和較深的穿透性等特點，輔以微流控技術經濟集成的優點，有望實現對生物陣列反應的原位實時、高通量、定性、定量多元靈敏檢測。而目前國內外還沒有集激光共聚焦技術與光學橢偏技術于一體的商品化產品。本發明的裝置可以應用于包括小分子，蛋白分子，大分子，納米單體，細胞之間的相互作用及動力學過程實現原位實時，定量、定性靈敏檢測中的應用，同時也使研究領域從生物體系擴展至納米、信息、材料等領域，從而進一步豐富人們對微觀世界的認識和了解，為揭示生命科學、納米科學、信息科學、材料科學研究中的基本物理化學問題提供新的研究方法和手段。