蛋白质芯片的传感方法及其检测系统技术方案

蛋白质阵列芯片的传感方法及其检测系统，属于生物技术领域。本发明专利技术的目的在于克服现有技术通量低，提供一种时域相位调制干涉表面等离子体共振阵列生物传感的方法及系统，可以无需标记检测高容量的蛋白质芯片，实时获取蛋白质分子相互作用信息。本发明专利技术所述方法概括如下：从蛋白质阵列芯片反射的光通过一维放大透镜组后射入时域相位调制器，改变施加在其上的电压，让射出的ｓ光和ｐ光通过偏振棱镜产生干涉，经成像透镜后由ＣＣＤ将干涉图像转换成电信号，输入计算机；每改变一次ｐ光的相位采集一幅图像，连采集５幅作为一个循环，处理后获得阵列芯片中各单元上发生反应引起的即时光的相位变化信息，提供给生物学家和医学家进行解析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于生物
，特别涉及用来实现高精度、高通量、实时传感蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA、蛋白质-效应物、抗原-抗体、配体-受体、药物-靶等生物分子相互作用的方法及其蛋白质芯片检测系统。
技术介绍
生命科学研究已经从基因序列测定发展到阐明基因的结构与功能关系，即从基因组学转入蛋白质组学。基因是一种遗传物质，由A、T、C、G四个碱基组成，严格配对，结构比较稳定。建立在杂交原理基础上的基因芯片已成为基因组学的重要技术平台。蛋白质是基因的表达产物，是生命活动的基本形式，具有时空特性，即不同的空间结构具有不同的功能特性，不同时间具有不同的表达活性。因此，蛋白质检测与基因检测区别较大。目前，蛋白质检测主要是借用成熟的基因芯片检测技术，对蛋白质组学研究起了一定的推动作用。但是，这种方法有两个不足一是需要进行荧光或同位素标记，会影响蛋白质的活性或结合位点，从而影响检测精度；二是无法量化检测蛋白质-蛋白质相互作用，而这恰是蛋白质组学研究的重要内容。表面等离子体共振传感是基于检测传感表面的折射率变化的一种光学检测方法，样本无需标记，灵敏度高，且可实时检测，因而在蛋白质芯片检测中具有独特的优势(见中国专利ZL99107780.6，申请日为1999年5月28日)。表面等离子体共振传感有2种检测方法，一种是光强检测法，另一种是相位检测法，后者的灵敏度高于前者。2005年初，瑞典BIAcore公司基于表面等离子体共振传感原理，采用光强检测法，推出了BIAcore T100生物分子相互作用阵列检测系统。该系统是基于BIAcore 1000等产品的四通道检测技术，即有四条样本通道，传感芯片与之对应制备成四行，每行上固定96个探针，一次可检测384种样本，见图1。图中，1为四条微射流通道，2为传感芯片。4行探针排列的几何尺寸与4条微通道一致，使用时传感芯片与微射流通道一一对应，保证样本溶液流过微通道时能与所固定的探针反应。美国应用生物系统公司(Applied Biosystem)公司基于光栅耦合表面等离子体共振传感方法，设计了20×20面阵，一次可检测400个样本，见图2。平行准直光束3透过玻璃窗4入射到镀金膜光栅5的表面，在样本溶液与光栅界面处激发表面等离子体波。当反射光水平波矢与表面等离子波矢相等时发生共振，从而导致反射光强显著减弱，CCD(电荷耦合器件)6接受到光强变化。前者的特点是检测用样本溶液用量少，但难以进一步提高通量；后者可进一步提高通量，但需要保证检测样本必须是透明的，在实际应用中受到限制，并且灵敏度比前者低。本专利技术人曾基于光强检测，专利技术了蛋白质微阵列表面等离子体共振成像检测系统及检测方法，该专利技术能检测阵列传感芯片(见中国专利03147877.8，申请日为2003年12月10日)，传感原理如图3所示。矩形平行线偏振光束300透过棱镜307和折射率油层308射到传感芯片309的基片与金膜的界面上。当入射角合适时，产生等离子体共振，从传感芯片309的基片与金膜的界面反射的光强显著变弱，通过成像透镜310后，被CCD 314转换为电信号，经接口电路315输入计算机316处理。传感芯片309上固定的探针阵列分布，CCD 314接受到的也是对应的阵列生物反应引起的光的变化。但是，光强检测法的灵敏度要比相位检测法低1-2个数量级。为此，本专利技术人又专利技术了空间相位调制干涉阵列检测生物芯片的方法及系统(见中国专利，公开号CN1588064A，申请日为2004年8月27日)，该方法基于相位检测，灵敏度高，且检测通量可高于BIAcore T100和应用生物系统公司的产品，见图4。矩形平行线偏振光束400透过棱镜407和折射率油层408射到传感芯片409的基片与金膜的界面上。当入射角合适时，产生等离子体共振，从阵列传感芯片409的基片与金膜的界面反射的光的相位发生剧烈变化。反射光经一维放大透镜组410、渥拉斯顿棱镜411、偏振棱镜412后产生空间干涉，经成像透镜组413成像在CCD 414的靶面上。这样，生物反应时引起的光的相位变化转化成干涉条纹的相位变化，CCD 414将干涉图像转换为电信号，经接口电路415后输入计算机416处理。由于空间相位调制干涉阵列检测方法是基于测量干涉条纹的相位变化，为了灵敏地测定相位变化，对阵列传感芯片上的每一个单元来说，至少要有它的相邻的3条干涉条纹投射在同一行紧挨着的12个CCD像素点上，CCD的行与列的像素点是有限的，因而这种方法的检测通量也是很有限的。人体中有10万种以上蛋白质，一个细胞中就有成千上万种蛋白质，一个组织中就更多。蛋白质组学研究是要一次获取一个细胞、一个组织乃至体内所有蛋白质的表达谱，从而揭示生命活动的本质、疾病发生和发展以及药物作用的机理。与此同时，面对人类各种疑难疾病，迫切需要从自然界中众多物质中筛选出特效药，即发现新药并进行开发。无疑，这两者都需要高精度、高通量、实时检测生物分子相互作用的传感方法，显然上述的四种方法都不能满足要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述技术的不足，提供一种新的生物分子相互作用传感方法及系统，可以检测不同容量阵列的蛋白质芯片，实时获取蛋白质之间以及与效应物相互作用的信息。本专利技术提供了一种蛋白质芯片的传感方法，其特征在于，该方法基于时域相位调制干涉表面等离子体共振阵列生物传感原理，具体包括如下步骤1)稳频激光器发出的激光经衰减器后进行空间滤波和准直，接着让光束通过起偏器和矩形光阑得到矩形平行线偏振光；2)让所述矩形平行线偏振光束射入用来检测蛋白质芯片的生物传感单元，由其反射出的光束进入一维放大透镜组，调整所述一维放大透镜组的放大倍数，使射出的光斑恢复到入射所述生物传感单元时的形状和大小；3)让所述一维放大透镜组射出的光射入时域相位调制器，入射光中的s光和p光的偏振方向分别与所述时域相位调制器的x’轴和y’轴平行，然后依次改变施加在所述时域相位调制器上的电压，保证射出的p光的相位变化依次为-π、-π/2、0、π/2和π；让所述时域相位调制器射出的s光和p光通过偏振棱镜产生干涉，经成像透镜后成像在CCD靶面上，由CCD将干涉图像转换成电信号，经处理后存入计算机；所述时域相位调制器每改变一次p光的相位，计算机就采集一幅图像，连采集5幅图像，完成一个循环操作；4)按照步骤3)所述方法连续改变施加在所述时域相位调制器上的电压，随之连续采集图像；并利用存储在计算机中的专用程序找正所采集图像的坐标，接着利用Hariharan算法对图像进行解算，实时获得光通过所述生物传感单元时产生的相位变化，即实时获得生物分子相互作用的信息。在步骤4)中，先选择所述生物阵列传感芯片中的一个传感单元的干涉图像所覆盖的CCD上的其中一个单元，再利用Hariharan算法来解算该传感单元上所固定的探针与其它生物分子发生反应所引起的光的相位变化。在步骤4)中，先选择所述生物阵列传感芯片中的一个传感单元的干涉图像所覆盖的CCD上的一行或几行中紧挨着的几个单元进行均值处理，再利用Hariharan算法解算该传感单元上所固定的探针与其它生物分子发生反应所引起的光的相位变化，以获得更高精度。本专利技术还提供了一种上述传感方法的时域相位调制干涉表面等离子体共振阵列检测蛋白质芯片系统，包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种蛋白质芯片的传感方法，其特征在于，该方法基于时域相位调制干涉表面等离子体共振阵列生物传感原理，具体包括如下步骤：１）稳频激光器发出的激光经衰减器后进行空间滤波和准直，接着让光束通过起偏器和矩形光阑得到矩形平行线偏振光；２ ）让所述矩形平行线偏振光束射入用来检测蛋白质芯片的生物传感单元，由其反射出的光束进入一维放大透镜组，调整所述一维放大透镜组的放大倍数，使射出的光斑恢复到入射所述生物传感单元时的形状和大小；　３）让所述一维放大透镜组射出的光射入时域相 位调制器，入射光中的ｓ光和ｐ光的偏振方向分别与所述时域相位调制器的ｘ’轴和ｙ’轴平行，然后依次改变施加在所述时域相位调制器上的电压，保证射出的ｐ光的相位变化依次为－π、－π／２、０、π／２和π；让所述时域相位调制器射出的ｓ光和ｐ光通过偏振棱镜产生干涉，经成像透镜后成像在ＣＣＤ靶面上，由ＣＣＤ将干涉图像转换成电信号，经处理后存入计算机；所述时域相位调制器每改变一次ｐ光的相位，计算机就采集一幅图像，连采集５幅图像，完成一个循环操作；４）按照步骤３）所述方法连续改变施加在所 述时域相位调制器上的电压，随之连续采集图像；并利用存储在计算机中的专用程序找正所采集图像的坐标，接着利用Ｈａｒｉｈａｒａｎ算法对图像进行解算，实时获得光通过所述生物传感单元时由生化反应引的相位变化，即实时获得生物分子相互作用的信息。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：余兴龙，魏星，定翔，刘芳芳，邓焱，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]