小分子化学趋向行为的微流控光学观察系统及观察方法技术方案

本发明专利技术公开了一种小分子化学趋向行为的微流控光学观察系统及观察方法。所述的微流控光学观察系统包括光学平台和微流控芯片，以光致化学发光物质为研究对象，通过在低雷诺数流体中构建受体-配体对的仿真化学梯度场，利用光致化学发光物质的发光特性进行图像采集，观测不同尺度分子和其有序集合的自发定向迁移性能，将受体的运动相态参数与配体的可逆缔合反应信息相关联，结合数理统计，观察分子结合诱导趋化现象。诱导趋化现象。诱导趋化现象。

【技术实现步骤摘要】
小分子化学趋向行为的微流控光学观察系统及观察方法


[0001]本专利技术属于仿真化学分析
，涉及一种小分子化学趋向行为的微流控光学观察系统及观察方法。

技术介绍

[0002]一直以来，教科书中惯用经典热力学经验性的“碰撞理论”唯象地解释分子反应历程和其对宏观热力学条件的近似依赖，而动力学中引入的反应速率常数等物理量只适用于概况性地描述表观进程。但事实是，一般反应过程，即使已达平衡态或非平衡稳态，也必然伴随着大量分子(离子)速度、位置、取向等一系列相关状态的演化，典型的如1977年诺贝尔化学奖主题“Belousov-Zhabotinsky振荡反应”、自然构造“钠/钾泵”的机械性循环(1997年诺奖主题)，乃至2016年的“分子机器”和“分子马达”系统等。这些奇特现象的发现表明，传统理论难以全面反映反应中能量交换时的分子运动学和动力学的效果，从而导致反应进行时各类型系综在时空中的真实分布及其涨落规律在一段时期内被遮掩了，这其中或许就隐藏着分子的化学趋向性。该特性原本指单细胞生物或组织主动靠近或远离更高强度特殊化学刺激的“趋利避害”式生理行为，当化学梯度消失，细菌、微生物等转而如布朗运动般“随机行走”。鉴于均相分子相互作用时也经历类似的“扩散-反应”模式，而且触发细胞趋化的引诱/排斥剂的浓度与位置信息由跨膜蛋白受体所感知，该生物识别的本质就是化学结合，它启动了胞内复杂的信号传导。可预计的是，分散相中分子自发趋化行为的确立与其本性的揭示，将有助于促进那些目前依然受限于被动、无方向性且倾熵的扩散传质过程，比如在健康产业、生物化工、环境工程和地质化学等领域涉及的药物输运、纳米孔基第三代基因测序、催化床底物预富集、膜过滤/吸附、水渗透等重要环节。
[0003]2013年JACS发表的文章利用微通道观察被染料标记尿酶、漆酶、碱性磷酸酶，发现这些生物活性大分子自动沿着底物浓度梯度递增的方向迁徙；2015年Nature报道了利用单分子荧光相关光谱，发现尿酶、漆酶、碱性磷酸酶在其本征的放热型催化过程中，自身扩散系数逐渐增加，且扩散速率与底物浓度、累积时间都构成线性关系，拟合所得斜率也特异性地与各酶底物的转化频率有关。其后，当人们用染料标记这些蛋白酶，并尝试将它们的溶液置于荧光显微镜中观察，发现这些生物活性大分子自动沿着底物浓度梯度递增的方向迁徙，而DNA聚合酶亦表现如此，整体集群移动的轨迹堪比生物体的正向趋化运动。由此，酶催化趋化的概念得以率先提出，并成功用于跨血脑屏障的药物释放。考虑到细胞质和细胞器内实际发生的是多酶反应的连锁与级联，在这些高蛋白密度、高粘度的代谢区室内，各酶依然独立遵循着各自的趋化模式。Science在2017年更是报道了驱动蛋白Kinesin、ATP酶等协作的大尺度混沌湍流系统可自组织成循环流动的连续统一体，表明生物分子趋化与生命活动息息相关。然而，酶催化趋化的机制迄今悬而未决，按照Michaelis-Menten模型和其准稳态近似，一般的酶催化顺序地经历两个基本阶段：可逆的底物结合、不可逆的产物转化。因此，有必要将这两个阶段彼此隔离、孤立考察，以澄清酶分子趋化的动力来源。其实，较小离子/分子通过非键且非特异性作用向较大物体接近的现象已有少量报导。比如，伊利诺伊大
学香槟分校的Paul Braun团队通过在平面静电场内以牺牲离子的运动自由度为代价，观察到阴离子向局域化季铵盐构成的人造“焓黑洞”自发汇聚，并将该现象开发应用于加速目标物的表面捕获。此外，巧用疏水半透膜附近的低渗透压，可驱动染料向其不可逆且牢固的吸附。反之，当包围蛋白或外泌体囊泡表面Debye层内一、二价离子梯度足够大时，这些高分子量的聚合物或微纳颗粒的迁移率会提高成百上千倍，产生所谓的扩散泳输运；该机动性与胶体尺寸、离子种类紧密相关，已经开发应用于蛋白质的液-液相分离、乃至原油开采等。然而目前尚未有关于观察小分子化学趋向行为现象的文献报道。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种小分子化学趋向行为的微流控光学观察系统及观察方法。该系统以光致化学发光分子为研究对象，通过在低雷诺数流体中构建受体-配体对的仿真化学梯度场，观测不同尺度分子和其有序集合的自发定向迁移性能，将受体的运动相态参数与配体的可逆缔合反应信息相关联，结合数理统计，观察分子结合诱导趋化现象。
[0005]实现本专利技术目的的技术方案如下：
[0006]小分子化学趋向行为的微流控光学观察系统，包括光学平台和微流控芯片；
[0007]所述的微流控芯片包括聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)芯片和显微成像用盖玻片，二者无缝粘合；所述的PDMS芯片设有2个以上的微通道入口，反应室和1个以上的微通道出口；各微通道入口分别注入受体溶液或配体溶液或缓冲溶液，受体溶液、配体溶液和缓冲溶液的入口顺序随机组合排列，各溶液在入口合流点汇合，进入反应室，最后从微通道出口流出；
[0008]所述的光学平台包括倒置显微镜、连接相机取景的外置三通道快门驱动器和发光二极管光源；入射光通过荧光激发块经物镜聚焦于PDMS芯片底部，CCD照相机捕捉通道的荧光成像。
[0009]作为优选，所述的CCD照相机通过图像采集卡连接计算机，将采集的荧光图像传输至计算机进行处理。
[0010]本专利技术中，所述的受体为光致化学发光物质，例如卟啉类物质间-四(4-磺酸苯基)卟吩锌(zinc(II)meso-tetra(4-sulphonato phenyl)porphine，ZnTSPP)等。
[0011]本专利技术中，所述的配体为能够与受体特异性结合的物质，例如能与ZnTSPP特异性结合的配体为含N有机杂环物质，如咪唑(imidazole)、吡啶(pyridine)等。
[0012]本专利技术中，所述的缓冲溶液为PBS缓冲液或HEPES缓冲液等。
[0013]在本专利技术的具体实施方式中，所述的微流控芯片设有3个微通道入口，1个入口合流点，1个反应室和1个微通道出口。
[0014]小分子化学趋向行为的微流控光学观察方法，包括以下步骤：
[0015]步骤1，配制受体溶液、配体溶液和缓冲溶液，所述的受体溶液和配体溶液采用缓冲溶液配制；
[0016]步骤2，先用缓冲溶液充分润洗微流控通道，再按实验设计将受体溶液、配体溶液和缓冲溶液通入微流控芯片的微通道入口；
[0017]步骤3，打开发光二极管光源，激发受体产生光致发光，荧光经过成像物镜传递至CCD照相机进行捕捉通道的荧光成像，记录微流控通道的入口合流点以及不同位点处的荧
光图像，将记录的图像通过图像采集卡传输到计算机上处理分析。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0019](1)物质的扩散速率一般与其尺寸成反比(Einstein-Stokes方程)，本专利技术的微流控光学观察系统观察低分子量的受体向更小配体的主动迁徙，可行性高；
[0020](2)本专利技术采用可以产生光致发光的物质作为研究对象，允许其在微流体通道内亲和分析时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.小分子化学趋向行为的微流控光学观察系统，其特征在于，包括光学平台和微流控芯片；所述的微流控芯片包括PDMS芯片和显微成像用盖玻片，二者无缝粘合；所述的PDMS芯片设有2个以上的微通道入口，反应室和1个以上的微通道出口；各微通道入口分别注入受体溶液或配体溶液或缓冲溶液，受体溶液、配体溶液和缓冲溶液的入口顺序随机组合排列，各溶液在入口合流点汇合，进入反应室，最后从微通道出口流出；所述的光学平台包括倒置显微镜、连接相机取景的外置三通道快门驱动器和发光二极管光源；入射光通过荧光激发块经物镜聚焦于PDMS芯片底部，CCD照相机捕捉通道的荧光成像。2.根据权利要求1所述的微流控光学观察系统，其特征在于，所述的CCD照相机通过图像采集卡连接计算机，将采集的荧光图像传输至计算机进行处理。3.根据权利要求1所述的微流控光学观察系统，其特征在于，所述的受体为光致化学发光物质。4.根据权利要求3所述的微流控光学观察系统，其特征在于，所述的受体为ZnTSPP。5.根据权利要求1所述的微流控光学观察系...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓盛元，张煦彤，马科锋，李斌，穆瑶，康荣达，刘四平，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：