生物芯片波导共振光散射扫描装置的研制

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摘 要：以光波导（Optical/Light waveguide）作为激发方式，利用共振光散射（Resonance light-scattering，RLS）原理，研制微阵列生物芯片（Microarray）波导共振光散射扫描装置。此装置主要由光源部件、波导激发部件、光电转换部件、机械传动部件和上位机软件组成。其最小扫描分辨率可达5 μm，最大扫描范围100 mm。通过使用新的激发方式，有效提高了RLS的信噪比。使用白光作为激发光源，降低了设备的成本。对金纳米粒子标记的单糖芯片、DNA芯片和多肽芯片的检测结果表明，此装置对溶液中的伴刀豆球蛋白凝集素（ConA）和靶标DNA的检出限分别为1 ng/mL 和100 pmol/L，对芯片表面固定的多肽的检出限为100 fg，较现有的商品生物芯片扫描仪降低1～2 个数量级。本装置结构简单，成本低廉。

关键词：生物芯片； 波导激发； 共振光散射； 金纳米粒子

1 引 言

生物芯片（Microarray）能够实现对DNA、蛋白质、细胞等生物样品的准确、快速与高通量的检测[1～8]。其原理是采用化学或物理方法，将大量探针固化于支持物的表面，然后根据生物分子之间的亲和作用，如核酸分子的碱基配对作用，抗原抗体的结合等进行反应，再对反应信号进行检测分析，即可得到该样品的相关信息。随着生物芯片的发展，对生物芯片检测技术也提出了更高要求。目前，生物芯片主要采用荧光检测方式[9～14]，荧光检测系统存在一些不足，如（1）荧光分子本身亮度有限，容易发生光淬灭和光漂白现象；（2）荧光扫描的背景噪音较高；（3）荧光生物芯片检测系统通常使用单色激光作为激发光源并采用共聚焦的激发方式，仪器结构复杂，价格昂贵，检测成本高。因此研发具有高灵敏度、高分辨率、低成本的非荧光染料标记的生物芯片检测系统对发展生物芯片技术具有重要意义。

以纳米粒子为标记物的共振光散射（Resonance light-scattering，RLS）检测法被认为能够极大地提高生物芯片的检测灵敏度[15～18]。直接表面激发是RLS最简单的直接激发方式，但在这种激发方式下，背景噪声随着激发光强度的增加而增大。如何有效降低背景噪声，并最大限度激发产生共振光散射，成为研发该类生物芯片检测装置的一个难题。光波导（Optical/Light waveguide）是一种用于光波传输的装置，其传输原理是在不同折射率的介质间，由于光的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。为了解决RLS直接表面激发造成背景噪声过高的问题，本研究设计了一种使用光波导作为激发方式的RLS扫描装置（RLS scanner）。此装置利用生物芯片基底作为光波导介质，激发位于生物芯片基底表面的金属纳米粒子，这一激发方式能够有效去除激发光干扰并最大限度地利用激发光能量。因此，RLS scanner具有背景噪声低，检测灵敏度高等优点。RLS Scanner对金纳米粒子标记的单糖芯片、DNA芯片和多肽芯片的检测灵敏度均高于现有的商品生物芯片扫描仪，具有良好的应用及推广价值。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

ZKF035电热真空干燥箱（上海实验仪器有限公司）； HPC-250CL恒温恒湿箱（上海申贤恒温设备厂）； TH2-300恒温培养摇床（北京桑翌科技发展有限公司）； PHS-3BWpH计（上海理达仪器厂）； 5415R型高速离心机（德国Eppendorf 公司）； PMC082芯片离心机（美国ChipMate公司）； SpotWareTM芯片扫描系统（美国Arrayit公司）；晶芯 SmartArrayerTM 48 微阵列芯片点样系统、晶芯 LuxScanTM 10K 微阵列芯片扫描仪（北京博奥生物有限公司）；NRT100电动位移导轨、DCC1240C相机（美国Thorlabs公司）。

4-氨基苯基-α-D-甘露吡喃糖（4-Aminophenyl α-D-mannopyranoside，Man-α）、伴刀豆球蛋白凝集素（Biotin-Con A）、银增强溶液（Sliver enhancer），购自美国Sigma-Aldrich公司；荧光素标记的亲和素（Avidin，fluorescein conjugate，美国Invitrogen 公司）；DNA寡聚物（5′-TAA CAA TAA TCC-NH2-3′，5′-GGA TTA TTG TTA AATATT GAT AAG GAT-3′，5′-HO（CH2）6-S-S-（CH2）6-T10 ATCCTT ATC AAT ATT-3′，上海生工生物工程有限公司）；多肽（CALNNGK（biotin）G，北京中科亚光生物技术有限公司）；牛血清蛋白（BSA，北京鼎国生物有限公司）；光学级三维高分子D基片（北京博奥生物有限公司）；其它试剂均为国产分析纯试剂，实验用水为Milli-Q超纯水（18.2 MΩ cm）。

2.3 软件设计

上位机软件的主要功能包括：CCD图像采集、CCD曝光及增益控制、多轴电动导轨控制、数据提取，阵列ROI（Region of interest，ROI）数据提取、数据分析和数据存储等。图像采集区域负责预览生物芯片扫描信息，对特定区域进行精度更高的扫描定位；扫描控制区域涵盖了复位、预扫描、精确定位和获取图像等主要控制功能；相机控制区域的主要功能是控制相机的曝光时间以及相机的增益补偿；导轨控制区域提供对导轨的实时控制功能，电动导轨除具有自动扫描功能外， 还可以根据用户的指令进行移动。

4 结 论

本实验研制了一种新型生物芯片波导共振光散射扫描装置。对金纳米粒子标记的单糖芯片、DNA芯片和多肽芯片的检测结果表明， 此检测装置对溶液中的反应物（Biotin-ConA和靶标DNA）和芯片表面固定的化合物（CALNNGK（biotin）G）的检出限比商品化同类生物芯片扫描仪降低1～2个数量级，且背景噪声低，灵敏度高。另外，与常规荧光激光共聚焦扫描仪相比，此装置使用白光作为激发光源具有结构简单，成本低廉等优点，因此具有较佳的应用及推广价值。