[發明專利]用于生物分子相互作用實時檢測的干涉成像方法及其系統

無效

• 申請號: 201010523786.7
• 申請日: 2010-10-29
• 公開（公告）號: CN102042972A
• 公開（公告）日: 2011-05-04
• 發明（設計）人: 鄧焱;王大千;張瑋;余興龍;羅昭鋒
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發明屬于生物技術領域，特別涉及用來實現高通量、高精度、無標記、實時傳感蛋白質-蛋白質、蛋白質-DNA、蛋白質-效應物、抗原-抗體、配體-受體、藥物-靶等生物分子相互作用的方法及其蛋白質芯片檢測系統。

背景技術

生命科學已經進入蛋白質組學研究時代。蛋白質組學是研究一種基因組所表達的全套蛋白質，即包括一種細胞乃至一種生物所表達的全部蛋白質。它必須在大規模水平上才能研究蛋白質的特征，包括蛋白質的表達水平、翻譯后的修飾以及蛋白質與蛋白質的相互作用等；同時，還注重研究參與特定生理或病理狀態的所有蛋白質種類及其與周圍環境(分子)的關系。人體中，蛋白質不僅數量比基因多，而且具有時空特性比基因復雜，如何檢測成千上萬種蛋白質間以及蛋白質與其它生物大分子間的相互作用是蛋白質組學所面臨的挑戰。需要強調，蛋白質組的研究不僅能為透切理解生命活動規律提供理論和實驗，也能為眾多種疾病機理的闡明及攻克提供理論根據和解決途徑。通過對正常個體及病理個體間的蛋白質組比較分析，可以找到某些“疾病特異性的蛋白質分子”，成為新藥物設計的分子靶點或為疾病的早期診斷提供分子標志。其實，那些世界范圍內銷路最好的藥物本身就是蛋白質或其作用靶點也為某種蛋白質分子。正因為如此，基因組學的檢測技術還不能滿足蛋白質組學的要求，蛋白質組學檢測技術應具備的特點：一是高通量，一次可以檢測幾十、幾百甚至成千種蛋白質；二是高靈敏度，人體中各種蛋白質的豐度即含量相差達幾億倍，必須高靈敏度才能適應檢測低豐度蛋白質的要求；三是實時，有時蛋白質之間的相互作用可能瞬時即逝，必須及時捕足。

基于表面等離子體共振(surface?plasmon?resonance，簡稱SPR)的生物傳感是一種具有高靈敏度、實時、無標記等特點的光學檢測方法，被認為是檢測生物分子相互作用的較理想方法。SPR生物傳感的檢測方法主要有角度掃描、光強檢測和相位檢測等，其中相位檢測的靈敏度較高。在相位檢測中，又有外差、馬赫-澤德干涉、空間調制與時域調制干涉成像等方法，其中時域調制干涉成像法能實現的檢測通量更高。為此，本專利發明人已提出了基于時域相位調制干涉的表面等離子體共振陣列生物傳感方法及系統(參見中國專利號ZL200510086332.7)，基本原理如圖1所示。光源101發出的平行光透過棱鏡102和折射率匹配層103，入射到傳感芯片的玻璃基底104和鍍在其上的金膜105之間的界面上，金膜的厚度為30-50nm，并從該界面反射。當入射光位于共振角上時，激發金膜表面的等離子體共振，使得從玻璃基底104和金膜105之間的界面上反射的光的相位隨金膜表面介質折射率的改變而劇烈變化。反射光透過折射率匹配層103、棱鏡102和一維擴束鏡106后，射入電光晶體107。電光晶體107由高壓調制電源108控制，可以在其上施加5種不同的電壓。隨之，當光通過電光晶體107后，反射光的P和S偏振分量之間就被附加上對應的5個不同相位差。調制后的光在通過偏振棱鏡109時，P偏振光和S偏振光發生干涉，干涉圖像經成像透鏡110后，成像在CCD?111上。CCD?111上圖像的采集與高壓調制電源108輸出的對應電壓同步，高壓調制電源108輸出5種不同的電壓為1個周期，對應采集5幀圖像也為1個周期。高壓調制電源108可以不斷循環輸出電壓，對應的干涉圖像也可以持續循環采集。接著，利用Hariharan算法，對在同一個周期中所采集的相鄰的5幀干涉圖像進行解算，得到即時反射光的相位變化。理論上，只需一個CCD的像素，利用這種方法就可檢測傳感芯片上的一個傳感點，能實現很高通量的檢測。然而，當在電光晶體107上施加高電壓時，隨之會出現逆壓電效應，造成電光晶體的結構發生微尺度的變化，引起光路微小偏移，即光斑位置移動，直接產生測量誤差，難以達到高精度的要求。這是電光晶體固有的缺陷，無法彌補。不僅如此，該方法是分時而不是同時采集5幀圖像，盡管間隔時間較短，然而也只能算“準實時”，而不是真正意義上的實時。這樣，生物反應中的瞬時變化就很難捕捉到，這種變化卻很可能是重要的生物信息。

發明內容

本發明的目的在于克服上述技術的不足，提供一種新的用于生物分子相互作用實時檢測的干涉成像方法及系統，能夠高通量、高精度、實時、無標記檢測蛋白質芯片，獲取蛋白質分子之間以及蛋白質與其它生物分子相互作用的信息。