CN102539777A - 一种超分子自组装生物芯片及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超分子自组装生物芯片,其中所述生物芯片包括基底(1),固定于基底表面的第一链状分子(3),以及固定于基底表面且其在基底上的固定位置与第一链状分子在基底上的固定位置相间隔的第二链状分子(4),其中第一链状分子的相对远离基底的一端部分被环糊精(2)包合,所述环糊精包含能够直接或间接结合蛋白质分子的功能基团,并且第二链状分子的长度不长于第一链状分子的长度。所述生物芯片表面的自组装层由于采用了环糊精与第一链状分子包合而成的(准)聚轮烷及均匀间隔的第二链状分子,三维空间结构疏密可控、结构多变,比二维表面能固定更多的检测分子如蛋白质分子。此外,本发明还提供了所述生物芯片的制备方法和应用。
Description
技术领域
本发明涉及生物芯片领域,尤其涉及一种超分子自组装生物芯片,所述生物芯片通过与表面等离子共振传感器结合可进行生化检测。
背景技术
生物芯片技术是近年来生命科学与微电子学相互交叉渗透发展起来的一门新技术。随着人类基因组计划(HGP)研究的不断突破,这门技术已广泛应用于基因诊断、功能基因研究、基因组文库图型分析、疾病诊断、蛋白质组学研究、免疫检测、新药的研究与开发、法医学等诸多领域。生物芯片技术主要通过表面化学修饰,进而建立各种阵列化的基因或蛋白质芯片,以实现对细胞、蛋白质、核酸及其它生物组分的准确、快速、大信息量检测,具有高度平行性、多样性、微型化和自动化的特点。它有诸多其它检测方法难以比拟的优越性,但因问世与使用时间较短,目前仍有一定的局限性,表现在:空间结构较为单一,绝大部分为二维表面,固定基因或蛋白数量有限;非特异性吸附明显,大大降低了检测的准确性;一个芯片上多种探针的最适条件颇不一致,增大了芯片的制作难度及测定误差等等。
表面等离子共振生物传感器是近年迅速发展起来的高灵敏度的光学传感器,因其能实时监测生物分子的相互作用,且具有免标记、高灵敏度、快捷简便,重复性高等优点,而被广泛应用于生物医学、药物筛选、临床诊断、食品安全、环境监测等领域,并显示出广阔的应用前景。
表面等离子共振生物传感器检测的基本原理是一束入射光照射到金属表面因波矢相匹配产生等离子共振,导致反射光强度的衰减,反射光强度衰减程度与入射角和金属表面生物物质分子性质及数量相关,通过检测反射光的变化来研究生物分子的相互作用。1960年,研究人员首次提出了表面等离子体激元现象,由瑞典理工学院应用物理实验室Liedberg等人于1983年将其应用于IgG蛋白质与其抗原相互作用的测定中,开始了其在生物医学上的应用。1990年,瑞典的Pharmacia公司推出第一代商业化SPR仪器,且至今一直占据该类仪器世界市场最大份额。表面等离子共振生物传感器包括光机电和芯片两大核心部件,其中耗材性芯片最为关键。目前最常用的芯片主要有二维直链硫醇自组装单分子层和Biacore研发的三维羧化的葡聚糖表面,二维表面多为末端带巯基和功能基团,如-COOH、-NH2等的烷烃或PEG。此类表面结构简单,尤其是PEG结构表面阻抗蛋白非特异性吸附的性能较好,但是蛋白固定量少,检测灵敏度低,应用范围有限。Pharmacia公司开发的三维羧化的葡聚糖表面目前应用最多,其制备方法在文献:StefanLofAs*and Bo Johnsson;Journal of the chemical Society,ChemicalCommunications,1990,116.1:1526-1528中有详细报道,此芯片是在金表面通过末端为羟基的硫醇形成自组装单层膜,然后修饰上一层羧基化的葡聚糖,从而增加其比表面积,用于固定更多的信号分子,提高检测灵敏度。但是该方法中使用的葡聚糖为交联网状结构,空间结构单一,对生物信号分子的固定形式影响很大,功能基团的密度和种类受到很大的限制,衍生难度大;对防止蛋白质非特异性吸附的性能也不佳;而且制作步骤繁多,制作中使用了毒性较大的环氧氯丙烷,芯片的可控性、重复性、安全性都受到了限制,成本昂贵,致使实验成本过高,很多单位的Biacore仪器处于闲置状态。
但是这一技术具有巨大理论价值和实用性能,其发展前景十分广阔,所以急迫需要开发新型三维结构芯片表面,用以克服目前芯片存在的问题,构建更多结构新颖的生物芯片,以满足各种目的生化检测的需要。
超分子组装从1987年LEHHN提出超分子的概念而获诺贝尔奖以来获得了长足的发展。作为用于将修饰生物芯片表面的功能分子固定到金属表面的各种单分子自组装技术于20世纪80年代报道出来,因为其能和基底牢固结合,组装分子可控且取向有序排列,外表面性质及厚度均可控,得到了广泛的应用。1990年日本科学家发现α-环糊精可包合于PEG长链上而形成(准)聚轮烷“分子项链”,此后对于环糊精与各种长链的包合有很多研究,包括β-环糊精与聚丙二醇的包合,γ-环糊精与PEG的包合、各种嵌段、支化和超支化形式的PEG或PPG与环糊精的包合及聚酯、聚醚、聚硅氧烷等与环糊精的包合等,并研究了这些包合产物在药物释放、酶模型等方面中的应用。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明选择单分子自组装技术修饰芯片基材表面,并结合功能化的环糊精包合链状分子来构建新型三维结构的芯片,以获得性能更优越、功能更强大的生物芯片,来为基因诊断、功能基因研究、基因组文库图型分析、疾病诊断、蛋白质组学研究、免疫检测、新药研究与开发提供强有力的工具。本发明的一个目的是提供一种基于分子自组装的生物芯片,所述生物芯片基于超分子自组装三维结构,可高效应用于生物分子尤其是蛋白质的检测。本发明的另一个目的是提供所述生物芯片的制备方法。本发明的又一个目的是提供所述生物芯片的应用。
用于实现上述目的的技术方案如下:
一方面,本发明提供一种超分子自组装生物芯片,其中所述生物芯片包括基底(1),固定于基底表面的第一链状分子(3),以及固定于基底表面且其在基底上的固定位置与第一链状分子在基底上的固定位置相间隔的第二链状分子(4),其中第一链状分子的相对远离基底的一端部分被环糊精(2)包合,所述环糊精包含能够直接或间接结合蛋白质分子的功能基团,并且第二链状分子的长度不长于第一链状分子的长度。
其中,在上述生物芯片中,所述第一链状分子与第二链状分子的摩尔比例为1∶0~1∶10000,优选为大于1∶0且小于等于1∶10000,进一步优选为50∶1~1∶50。
优选地,所述基底的材料选自金属,例如金、银、铂、铜、铝和铬;金属氧化物,例如Al2O3、TiO2和SnO2;以及Si、玻璃、石英和高分子聚合物中的一种或多种;优选为金、银、Si、玻璃或石英。
所述环糊精可以选自α-环糊精、β-环糊精和γ-环糊精中的一种或多种,且所述环糊精包含的功能基团可为一种或多种能与蛋白分子发生键合作用的基团,优选自-COOH、-NH2、-SH、乙二胺、谷氨酸、甘氨酸、天冬氨酸、乙醇胺、链霉亲合素、马来酰亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺和-CHO的取代功能基团;优选地,所述取代功能基团在环糊精上的取代度为1~12,例如1~5。
在上述生物芯片,所述第一链状分子可为聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙二醇与聚丙二醇的嵌段共聚物、聚酯、聚醚、聚硅氧烷及链状脂肪烃中的一种或多种,优选为聚乙二醇、聚丙二醇以及聚乙二醇与聚丙二醇的嵌段共聚物的一种或多种;所述第二链状分子选自聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙二醇与聚丙二醇的嵌段共聚物、聚酯、聚醚、聚硅氧烷以及链状脂肪烃中的一种或多种,优选为聚乙二醇、聚丙二醇以及聚乙二醇与聚丙二醇的嵌段共聚物的一种或多种;
优选地,在第一链状分子相对远离基底的一端具有能够直接或间接结合蛋白质分子的功能基团,所述功能基团选自-COOH、-NH2、-SH、链霉亲合素、马来酰亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺、-CHO、NTA-螯合基团、-OH、CH3和-OCH3中的一种或多种。
在上述生物芯片,所述第一和第二链状分子通过一种或多种选自单巯基、双巯基、羧基、氨基和氨基硅烷固定基团固定于基底。
优选地,所述第一链状分子的分子量为400~50000;所述第二链状分子的分子量为50~10000。
另一方面,本发明提供上述生物芯片的制备方法,该制备方法包括以下步骤:将第一链状分子和预先封端或长度短至无法被环糊精包合的第二链状分子混合均匀后固定于基底,并以环糊精包合第一链状分子。其中,对第二链状分子封端的方法很多,只要采用能与其末端反应且分子体积能足够大以阻止环糊精包合的分子都可以,如参考文献The molecular necklace:a rotaxanecontaining many threaded α-cyclodextrins.Akira Harada,Jun Li&MikiharuKamachi.nature,1992等。
优选地,所述方法包括以下步骤:
1)选择基底,进行相应的表面处理使其适合制备超分子自组装的生物芯片;
2)选择一端含固定基团的适合的第一链状分子和第二链状分子,并配制两种链状分子的混合溶液,其中,所述第二链状分子的长度短至无法被环糊精包合或者混合前预先在另一端进行封端;
3)室温下配制含功能基团的一定浓度的环糊精溶液,过滤,去掉溶液中的杂质;其中所述环糊精溶液优选为饱和浓度的环糊***溶液;
4)使步骤2)中的链状分子固定于基底,形成包含两种链状分子组成的自组装分子层;之后,将修饰后的基底与步骤3)中的环糊精溶液反应,使环糊精与第一链状分子形成包合产物;
5)用水清洗未固定到表面的链状分子及未包合的环糊精,干燥获得的生物芯片并保存备用;
进一步优选地,步骤2)中的第一链状分子的另一端经修饰含功能基团。
优选地,步骤2)中第二链状分子封端时采用的封端剂为Z型酪氨酸(Z-Tyr)和/或2.4-二硝基氟苯。
优选地,所述方法中的步骤4)按以下操作进行:
首先,将带有一定形状的凹槽里注满特定比例的步骤2)中链状分子的混合液,然后将基底倒置压在此槽上,使溶液与基底表面充分接触,或将基底浸泡入特定比例的步骤2)中链状分子的混合液里,或用芯片打印机在基底上打印指定数目的特定比例的步骤2)中链状分子的混合液点,然后清洗,使其在指定区域形成一层均匀致密的链状结构的自组装分子层;此操作在一定温度下,优选0~10℃进行,并孵育1小时以上,进一步优选4℃孵育1~12小时;
之后,将带有一定形状的凹槽里注满步骤3)中的环糊***溶液,然后将上述基底倒置压在此槽上,使溶液与基底指定表面充分接触,或将上述基底浸泡入配制好的步骤3)中的环糊精溶液中,或将步骤3)中的环糊精溶液滴加在打印好的上述基底表面,使溶液完全覆盖打印的点,使环糊精与第一链状分子形成包合产物;优选地,此操作在一定温度下,优选0~10℃进行,并孵育1小时以上,进一步优选4℃孵育4~48小时。
本发明还提供上述生物芯片的另一种制备方法,该制备方法包括以下步骤:将第一链状分子与环糊精包合后与第二链状分子混合均匀,然后将混合物固定于基底。
优选地,所述方法包括以下步骤:
1)选择基底,采取本领域已知技术进行相应的表面处理使其适合制备超分子自组装的生物芯片;
2)配制含功能基团的环糊精溶液(可由匈牙利的CYCLOLABCyclodextrinResearch&Development Laboratory Ltd.提供或特制),向该溶液中加入相应要包合的一端含固定基团的第一链状分子,产生包合产物,其中所述环糊精溶液优选为饱和浓度的环糊***溶液;此操作在一定温度下,优选室温进行,并搅拌1小时以上,进一步优选搅拌1~24小时,之后将包合产物提纯干燥;
或者,配制不含功能基团的一定浓度环糊精溶液,向该溶液中加入相应要包合的一端含固定基团的第一链状分子,产生包合产物,其中所述环糊精溶液优选为饱和浓度的环糊***溶液;此操作在一定温度下,优选室温进行,并搅拌1小时以上,进一步优选搅拌1~24小时,之后加入特定溶液将环糊精功能化使之含功能基团,并将包合产物提纯干燥;优选地,所述包合产物产生后,先加入相适应的封端剂如Z型酪氨酸(Z-Tyr)和/或2,4-二硝基氟苯对第一链状分子进行封端,再进行功能化使环糊精含功能基团,其中封端可参考参考文献1.The molecular necklace:a rotaxane containing many threadedα-cyclodextrins.Akira Harada,Jun Li&Mikiharu Kamachi.nature,1992;2.Functional Cyclodextrin Polyrotaxanesfor Drug Delivery.Nobuhiko Yui,RyoKatoono,and Atsushi Yamashita.Adv Polym Sci,20088.。
3)将环糊精和第一链状分子的包合产物溶解,然后与第二链状分子以一定比例混合,该第二链状分子一端含固定基团;
4)使步骤3)中的链状分子混合物固定于基底,形成包含两种链状分子的自组装分子层;
5)用水清洗未固定到表面的链状分子,干燥获得的生物芯片并保存备用;
进一步优选地,步骤2)中的第一链状分子的另一端经修饰含功能基团。
优选地,所述方法步骤4)按以下操作进行:
将带有一定形状凹槽里注满步骤3)制备的混合液,然后将基底倒置压在此槽上,使溶液与基底处理过的表面充分接触,或将基底浸泡入一定量步骤3)制备的混合液里,或用芯片打印机在基底上打印指定数目的步骤3)制备的混合液点使其在指定区域形成一层均匀致密的自组装分子层;此操作在一定温度下,优选0~10℃进行,并孵育1小时以上,进一步优选4℃孵育1~12小时。
再一方面、本发明提供上述生物芯片的应用;
优选地,所述生物芯片用于蛋白质的检测。
以下是本发明的详细描述:
本发明采用环糊精与第一链状分子包合而成的(准)聚轮烷及第二链状分子的混合物修饰芯片表面,结合了传统葡聚糖表面优于二维表面能固定更多蛋白的特性,表面功能基团种类多样,三维空间结构疏密可控,且可引入聚乙二醇和聚丙二醇及其嵌段共聚物同时降低蛋白质非特异性吸附,从而提高了检测的灵敏度、检测限和准确性,在此表面的基础上还可构建更复杂新颖的表面结构,为不同目的的生化检测提供更广阔的选择空间,体现了优越的综合性能,深度开发的潜力很大。
根据本发明的一个实施方式,本发明提供了一种基于环糊精和第一链状分子包合形成的(准)聚轮烷超分子自组装层的生物芯片,如图2所示,其包括基底1和修饰于基底上的自组装层,自组装层包括环糊精2与第一链状分子3包合形成的(准)聚轮烷部分和第二链状分子部分4。
所述的基底可为金属类如金、银、铂、铜、铝、铬,金属氧化物类如Al2O3、TiO2、SnO2,Si,玻璃,石英,高分子聚合物以及前述几种基材以各种形式复合而成的基材;
所述的环糊精可为α-环糊精、β-环糊精、γ-环糊精;环糊精上含功能基团,该功能基团可为-COOH、-NH2、-SH、乙二胺、谷氨酸、甘氨酸、天冬氨酸、乙醇胺、链霉亲合素、马来酰亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺、-CHO;功能基团在环糊精上的取代度为1-12,环糊精分子结构图见图3。
所述的第一链状分子为聚乙二醇、聚丙二醇或聚乙二醇聚丙二醇的嵌段共聚物,其一端含可固定于基底的基团,如单巯基、双巯基、羧基、氨基、氨基硅烷;另一端含功能基团如-COOH、-NH2、-SH、链霉亲合素、马来酰亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺、-CHO、NTA-螯合基团、-OH、-CH3、-OCH3;分子量为400-50000;
所述的第二链状分子为聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙二醇和聚丙二醇的嵌段共聚物或脂肪链,其一端含可固定于基底的基团,如单巯基、双巯基、羧基、氨基、氨基硅烷;另一末端功能基团可为-OH、-CH3、-OCH3、-COOH、-NH2、-SH、链霉亲合素、马来酰亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺、-CHO、NTA-螯合基团;分子量为50-10000;
所述的第一链状分子和第二链状分子的摩尔数比为1∶0-1∶10000。
根据本发明的另一个实施方式,本发明提供了上述基于环糊精超分子自组装的生物芯片的制备方法,包括如下步骤:
1)选择基材,进行相应的表面处理,作为预备芯片以备有机分子自组装用;用乙醇和水清洗多次,吹干并在氮气中保存备用;
2)配制含不同功能基团的一定浓度的(优选饱和的)环糊***溶液,过滤,去掉溶液中的杂质;
3)分别配制一端含能固定到基材的基团的第一链状分子和第二链状分子的溶液,及特定摩尔比例的链状分子的混合溶液,溶剂可为水、PBS等;
4)使环糊精和第一链状分子包合形成(准)聚轮烷,与第二链状分子以一定比例混合,通过共价键固定到预备芯片表面,用水清洗未固定到表面的链状分子及未包合到第一链状分子上的环糊精,晾干并在氮气中保存备用。
所述制备方法的第1步中,选择不同的基材可有不同的处理方法,如基材为金、银、铂或它们包被其他材料的复合基材,可用MV/Ozone清洗机进行臭氧紫外线清洗,除去表面杂质,或用乙醇、水多次清洗,后氮气吹干保存,含巯基的分子可通过金属与硫形成的共价键固定在表面;如基材为玻璃、石英、高分子聚合物等,可用乙醇、水清洗,用等离子体轰击进行表面活化固定有机分子;如基材为金属氧化物,可对其表面处理,使在其表面形成一层亲水氧化膜,使含羧基的有机分子和其表面的羟基反应进而得到固定。
所述制备方法的第4步可按如下两种方案进行:
方案一:
1)将带有一定形状凹槽的聚二甲基硅氧烷(PDMS)槽(结构示意图见图4)里注满特定比例的两种链状分子的混合液,然后将裸金芯片压在此PDMS上,倒置,使溶液与芯片金膜表面充分接触,或将裸金芯片浸泡入一定比例的链状分子混合液里,或用芯片打印机在裸金芯片上打印指定数目的一定比例的链状分子的混合液点,指定温度如4℃孵育1小时以上,使其在指定区域形成一层均匀致密的有两种链状分子的自组装分子层;将芯片取下或取出后用去离子水、乙醇反复清洗多次,将未固定到金表面的化合物清洗掉。
2)将带有一定形状凹槽的PDMS槽里注满含不同功能基团的环糊精饱和水溶液,然后将上述芯片压在此PDMS上,倒置,使溶液与芯片金膜表面充分接触,或将上述芯片浸泡入配制好的含不同功能基团的环糊精溶液中,或将环糊精溶液滴加在打印好的上述芯片表面,使溶液完全覆盖打印的点,指定温度如室温孵育至少1小时以上;然后取出或取下芯片用二次水清洗若干次,晾干,在氮气中保存备用。
方案二:
1)取适量配制好的含不同功能基团的一定浓度的(优选饱和的)环糊精的溶液,将相应要包合的第一链状分子固体或用其配制成的适量的溶液加入到一定浓度的(优选饱和的)环糊精溶液中,室温搅拌1小时以上,使产生包合产物,后如需要可加入相适应的封端剂如Z型酪氨酸(Z-Tyr),提纯干燥后,将其溶解于特定溶液,与第二链状分子以一定比例混合;或取适量配制好的未功能化的一定浓度的(优选饱和的)环糊精溶液,将相应要包合的第一链状分子固体或用其配制成的适量的溶液加入到一定浓度的(优选饱和的)环糊精溶液中,室温搅拌1小时以上,使产生包合产物,后如需要可加入相适应的封端剂如Z型酪氨酸(Z-Tyr),再加入特定溶液将环糊精功能化后,提纯干燥,将其溶解于特定溶液与第二链状分子以一定比例混合;
2)将带有一定形状凹槽的PDMS槽里注满上述制备的混合液,然后将裸金芯片压在此PDMS上,倒置,使溶液与芯片金膜表面充分接触,或将裸金芯片浸泡入一定量上述制备的混合液里,或用芯片打印机在裸金芯片上打印指定数目的上述制备的混合液点,指定温度如4℃孵育1小时以上,使其在指定区域形成一层均匀致密的有第二链状分子及(准)聚轮烷结构的自组装分子层;将芯片取下或取出后用去离子水、乙醇反复清洗多次,将未固定到金表面的化合物清洗掉。
此外,本发明还提供了一种基于环糊精超分子自组装的生物芯片进行表面等离子体共振免疫检测的方法,具体检测步骤如下:
1)选择金属包覆的玻璃为基底,先在玻璃基片的一个表面上蒸镀或溅射1-2nm铬膜,再在铬膜上蒸镀或溅射45-55nm厚的金膜,制备成裸金芯片;
2)按照前述方法制备环糊精超分子组装的生物芯片,选择环糊精和第一链状分子末端功能基团一致为-COOH或-NH2;
3)将芯片固定在SPR仪器上,通入PH=7.4的PBS缓冲液稳定基线并开始进行实时监测;
4)通入EDC\NHS(NHSS)或戊二醛对芯片表面羧基或氨基进行活化,通入PH=7.4的PBS缓冲液清洗;
5)通入一定浓度的抗原或抗体进行表面包被,后通入PBS以较高流速清洗未固定到表面的抗原或抗体以及未被蛋白分子封端的第一链状分子上的环糊精;
6)通入乙醇胺或牛血清白蛋白封闭未被固定上抗原或抗体的功能基团,通入PBS缓冲液清洗;
7)检测抗体或抗原检测样本,通入PBS缓冲液清洗;
8)采用一定浓度的NaOH溶液或磷酸溶液重生,备再次使用。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
首先,本发明的生物芯片表面的自组装层采用了环糊精与第一链状分子包合而成的(准)聚轮烷及第二链状分子,三维空间结构疏密可控、结构多变,比二维表面能固定更多的检测分子如蛋白质分子;
其次,在本发明的生物芯片中可引入聚乙二醇和聚丙二醇及其嵌段共聚物,可以降低蛋白质非特异性吸附,并且表面功能基团种类多样,为不同目的的检测提供了更广阔的选择空间,从而提高了检测的灵敏度、检测限和准确性;
再次,在本发明的生物芯片表面基础上还可构建更复杂新颖的表面结构,为不同目的的生化检测提供更广阔的选择空间,体现了优越的综合性能,深度开发的潜力很大,为基因诊断及研究、免疫检测、蛋白质组学研究、疾病诊断和药物筛选等提供了强有力的工具。
附图说明
以下,结合附图来详细说明本发明,其中:
图1为本发明所述的表面等离子共振成像仪(SPRI)的工作原理示意图。其中:
1为芯片;2为入射光;3为反射光检测器CCD;4为棱镜;5为流通池;6为检测样本。
图2为本发明所述基于环糊精的超分子自组装生物芯片的结构示意图,其中:
1为基底,2为环糊精,3为第一链状分子,4为第二链状分子。
图3为本发明所涉及的环糊精的分子结构示意图。
图4为本发明所述的用于制备芯片的由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的槽的结构示意图,其中:A、B、....N表示槽的次序数。
图5为本发明实施例1所述的通过SPRI进行人IgG和羊抗人IgG免疫反应检测曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。应当理解给出的实施例仅为了对制备和使用本发明的特定方法和产品进行说明,而不是为了限制本发明的范围。
本发明中所用的芯片打印机为Continμoμs Flow Microspotter(CFM)Printer,Wasatch Company,USA。所用的BIAOMIANDENGLIZISPRI为PlexeraTM Analyzer第三代,Plexera Bioscience Company,USA。所用的荧光显微镜为荧光倒置显微镜IX71-F22FL/PH,奥林巴斯,日本。使用的MV/Ozone清洗机为BioForce Nanosciences,IA,USA。
实施例1:
选择金属包覆的玻璃为基底,先在玻璃基片的一个表面上蒸镀或溅射1-2nm铬膜,再在铬膜上蒸镀或溅射45-55nm厚的金膜,制备成裸金芯片,用MV/Ozone清洗机进行臭氧紫外线清洗,除去表面杂质,或用乙醇、水多次清洗,后氮气吹干保存备用。
配制HS-PEG-OCH3(分子量=2000)、HS-PEG-OH(乙二醇单元数为6)及二者摩尔比例为10∶1、1∶1、1∶10的溶液,溶剂可为水或PBS,总浓度均为1mM,通过芯片打印机打印到裸金芯片的可检测区域,每种溶液打五个点,共五行,放置在4℃孵育1小时,然后用乙醇和水清洗,将未固定到芯片表面的分子清洗掉,氮气吹干。安装上流通池,将配制好的羧甲基化的α-环糊精饱和水溶液注满此流通池,封闭进出口,室温孵育24小时,使环糊精和长链PEG发生包合作用,后打开进出口,通入水和PBS进行多次清洗,清洗掉未包合到长链PEG上的环糊精,将其安装到表面等离子体共振成像仪上进行免疫检测。检测步骤如下:
1)以10μl/s的流速通入PBS直到基线稳定;
2)以2μl/s的流速通入EDC/NHS(NHSS)对其表面的羧基进行活化30min,以10μl/s的流速后通入PBS清洗;
3)以2μl/s的流速通入100μg/ml H-IgG 10min,以10μl/s的流速后通入PBS;
4)以2μl/s的流速通入1mg/ml H-IgG 10min,使H-IgG吸附达到饱和状态,后以10μl/s的流速后通入PBS进行多次清洗直到基线稳定;
5)以2μl/s的流速通入1μg/ml G-H-IgG 5min,以10μl/s的流速通入PBS清洗;
6)以2μl/s的流速通入10μg/ml G-H-IgG5min,以10μl/s的流速通入PBS清洗;
7)以2μl/s的流速通入100μg/ml G-H-IgG5min,以10μl/s的流速通入PBS清洗;
8)以10μl/s的流速通入0.1M NaOH和PBS清洗,重生表面。
其结果如图5所示。
其中A代表HS-PEG-OCH3(分子量=2000),B代表HS-PEG-OH(乙二醇单元数为6)。A∶B分别等于1∶0、1∶10、1∶1、10∶1和0∶1代表A和B的摩尔比例分别为1∶0、1∶10、1∶1、10∶1和0∶1。从图5结果可看出,在芯片上A∶B分别等于1∶0、10∶1、1∶1、1∶10的修饰点中的长链PEG分子即第一链状分子包合上了羧甲基环糊精,而且环糊精上的羧甲基经EDC/NHSS活化后能成功的固定H-IgG,并在通入1mg/ml H-IgG 10分钟后发现吸附趋于饱和。而A∶B等于0∶1的点在通入H-IgG时只是溶液体折射率变化产生的变化。之后通过此表面分别检测1μg/ml、10μg/ml、100μg/ml羊抗人IgG,A∶B分别等于1∶0、10∶1、1∶1、1∶10的修饰点均有响应信号,并且A∶B分别等于1∶0和10∶1的信号要大于其它的点,而A∶B等于0∶1的点在检测羊抗人1μg/ml、10μg/mlIgG时基本无信号,在检测100μg/ml羊抗人IgG时有很小的信号,认为有可能是非特异性吸附。
实施例2:
本案例选择基材为玻片、硅片、石英、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷,将其表面用乙醇、水进行清洗,氮气吹干,按如下步骤制备芯片:
1.放入以1∶50丙酮稀释的3-氨丙基三乙氧基硅烷(APES)中,停留20~30秒,取出稍停片刻,再放入纯丙酮溶液中除去未结合的APES,使3-氨丙基三乙氧基硅烷(APES)与基材键合,在基材表面形成一层单分子层;
2.在25%戊二醛中浸泡30分钟,用丙酮清洗,浸入1mM的两端均为氨基的PEG(Mw=2000)和一端为氨基另一端为羟基的PEG(Mw=400)且二者分子比例为10∶1的水溶液中孵育1小时,后取出用水清洗以除去未固定到表面的双氨基PEG;
3.将其浸入饱和的α-环糊***溶液中室温孵育12小时,使环糊精与PEG产生包合,取出洗净;
4.放入Z型酪氨酸溶液中1小时与PEG未固定到基材的氨基进行反应,对形成的(准)聚轮烷进行封端;
5.放入丁二酸酐的吡啶溶液中2小时对包合在PEG上的环糊精进行羧基化即可。
按上述步骤制备得本发明所述芯片浸入EDC/NHS进行活化30分钟,通过去离子水彻底清洗;然后表面均匀滴上1mg/ml的H-IgG,4℃孵育6小时,后用PBS清洗,再放入牛血清白蛋白溶液中进行封闭,后取出清洗吹干。通过芯片打印机在此芯片上打印100μg/ml荧光标记的兔抗人蛋白的6×6阵列,PBS清洗,用荧光显微镜观察,可看到蛋白。
实施例3:
本案例选择金属包覆的玻璃为基底;本案例选择含双巯基的PEG,具体结构见下图:
其中第一链状分子PEG分子R为-NH2,n=44;第二链状分子PEG分子R为-OH,n=5。
芯片制备步骤如下:
1.先在玻璃基片的一个表面上蒸镀或溅射1-2nm铬膜,再在铬膜上蒸镀或溅射45-55nm厚的金膜,制备成裸金芯片,用MV/Ozone清洗机进行臭氧紫外线清洗,除去表面杂质,或用乙醇、水多次清洗,后氮气吹干保存备用;
2.配制5ml α-环糊精饱和水溶液,将PEG分子(n=44)固体100mg或配制成少量的水溶液加入到环糊精溶液中,室温搅拌2小时,使环糊精与PEG发生包合作用,产生白色固体,过滤,收集固体;
3.将包合产物加入溶解有2.4-二硝基氟苯的二甲基甲酰胺溶液中室温搅拌过夜,对包合产物的氨基末端进行封端,另一端因为是双硫醇结构,自动封端;加水沉淀产物,过滤;
4.将上述产物加入溶解有丁二酸酐的吡啶溶液中,室温搅拌2小时,使聚轮烷上的环糊精羧甲基化,;
5.将含双巯基的聚轮烷和PEG分子(n=5)按一定的摩尔比混合,如第一链状分子和第二链状分子的摩尔比为1∶0,20∶1,1∶1,1∶20,0∶1,通过芯片打印机打印到制备的裸金芯片上,4℃孵育1小时,后用水和乙醇清洗多次,晾干备用。
通过SPR成像仪进行乙肝HBsAg免疫检测,步骤如下:
1.将上述制备的芯片安装到SPR成像仪上,以10μl/s的流速通入PBS至基线稳定;
2.以2μl/s的流速通入EDC/NHS30min,对环糊精上的羧甲基进行活化;以10μl/s的流速后通入PBS清洗;
3.以2μl/s的流速通入100μg/ml HBsAg单克隆抗体10min,以10μl/s的流速后通入PBS清洗;
4.以2μl/s的流速通入牛血清白蛋白(BSA)溶液10min至曲线饱和,后以10μl/s的流速通入PBS清洗;
5.以2μl/s的流速通入1μg/ml HBsAg 5min,以10μl/s的流速通入PBS清洗;
6.以10μl/s的流速通入0.1M NaOH和PBS清洗,重生表面;
7.重复步骤5)、6)
SPRI检测结果表明芯片上打印的五种表面除去纯短链PEG(n=5)表面外均能有效地检测到1μg/ml的HBsAg,但是两种链状分子的摩尔比为20∶1和1∶1的表面效果最佳。
实施例4:
本案例选择基材为氧化银、三氧化二铝和氧化铜,环糊精为氨基-β-环糊精,链状分子为聚丙二醇。芯片制备具体步骤如下:
1.对基材表面进行清洗,将摩尔比为1∶1的一端为羧基一端为氨基的聚丙二醇(Mw=2000)和一端为羧基一端为羟基的聚丙二醇(Mw=200)的混合物的水溶液均匀地滴在基材表面,室温下孵育2小时,使聚丙二醇的羧基与基材金属氧化物依靠脂肪酸与固体界面的金属氧化物之间的酸碱反应通过羧基阴离子和金属阳离子形成离子键固定在基材表面;
2.将上述芯片浸泡入饱和的氨基-β-环糊***溶液中,室温孵育12小时,使环糊精与聚丙二醇(Mw=2000)发生包合作用;后用水或PBS清洗表面即可。
将此芯片浸泡入25%的戊二醛中进行活化,用PBS清洗,然后表面均匀滴上1mg/ml的H-IgG,4℃孵育6小时,后用PBS清洗,再放入赖氨酸溶液中进行封闭,后取出清洗吹干。通过芯片打印机在此芯片上打印100μg/ml荧光标记的羊抗人IgG蛋白的6×6阵列,PBS清洗,用荧光显微镜观察,可看到蛋白。
Claims (14)
1.一种超分子自组装生物芯片,其中所述生物芯片包括基底(1),固定于基底表面的第一链状分子(3),以及固定于基底表面且其在基底上的固定位置与第一链状分子在基底上的固定位置相间隔的第二链状分子(4),其中第一链状分子的相对远离基底的一端部分被环糊精(4)包合,所述环糊精包含能够直接或间接结合蛋白质分子的功能基团,并且第二链状分子的长度不长于第一链状分子的长度。
2.根据权利要求1所述的生物芯片,其特征在于,所述第一链状分子与第二链状分子的摩尔比例为1∶0~1∶10000,优选为大于1∶0且小于等于1∶10000,进一步优选为50∶1~1∶50。
3.根据权利要求1或2所述的生物芯片,其特征在于,所述基底的材料选自金属,例如金、银、铂、铜、铝和铬;金属氧化物,例如Al2O3、TiO2和SnO2;以及Si、玻璃、石英和高分子聚合物中的一种或多种;优选为金、银、Si、玻璃或石英。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的生物芯片,其特征在于,所述环糊精选自α-环糊精、β-环糊精和γ-环糊精中的一种或多种,且所述环糊精包含的功能基团为一种或多种能与蛋白分子发生键合作用的基团,优选自-COOH、-NH2、-SH、乙二胺、谷氨酸、甘氨酸、天冬氨酸、乙醇胺、链霉亲合素、马来酰亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺和-CHO的取代功能基团;
优选地,所述取代功能基团在环糊精上的取代度为1~12,例如1~5。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的生物芯片,其特征在于,所述第一链状分子为聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙二醇与聚丙二醇的嵌段共聚物、聚酯、聚醚、聚硅氧烷及链状脂肪烃中的一种或多种,优选为聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙二醇与聚丙二醇的嵌段共聚物的一种或多种;
所述第二链状分子选自聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙二醇与聚丙二醇的嵌段共聚物、聚酯、聚醚、聚硅氧烷以及链状脂肪烃中的一种或多种,优选聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙二醇与聚丙二醇的嵌段共聚物的一种或多种;
优选地,在第一链状分子相对远离基底的一端具有能够直接或间接结合蛋白质分子的功能基团,所述功能基团选自-COOH、-NH2、-SH、链霉亲合素、马来酰亚胺、N-羟基琥珀酰亚胺、-CHO、NTA-螯合基团、-OH、CH3和-OCH3中的一种或多种。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的生物芯片,其特征在于,所述第一和第二链状分子通过一种或多种选自单巯基、双巯基、羧基、氨基和氨基硅烷的固定基团固定于基底。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的生物芯片,其特征在于,所述第一链状分子的分子量为400~50000;所述第二链状分子的分子量为50~10000。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的生物芯片的制备方法,该制备方法包括以下步骤:将第一链状分子和预先封端或长度短至无法被环糊精包合的第二链状分子混合均匀后固定于基底,并以环糊精包合第一链状分子。
9.如权利要求8所述的方法,其中,该方法包括以下步骤:
1)选择基底,采取本领域已知技术进行相应的表面处理使其适合制备超分子自组装的生物芯片;
2)选择一端含固定基团的适合的第一链状分子和第二链状分子,并配制两种链状分子的混合溶液,其中,所述第二链状分子的长度短至无法被环糊精包合或者混合前预先在另一端进行封端;
3)室温下配制含功能基团的环糊精溶液,过滤,去掉溶液中的杂质;其中所述环糊精溶液优选为饱和浓度的环糊***溶液;
4)使步骤2)中的链状分子固定于基底,形成包含两种链状分子组成的自组装分子层;之后,将修饰后的基底与步骤3)中的环糊精溶液反应,使环糊精与第一链状分子形成包合产物;
5)用水清洗未固定到表面的链状分子及未包合的环糊精,干燥获得的生物芯片并保存备用;
优选地,步骤2)中的第一链状分子的另一端经修饰含功能基团;
优选地,步骤2)中第二链状分子封端时采用的封端剂为Z型酪氨酸(Z-Tyr)和/或2.4-二硝基氟苯。
10.根据权利要求9所述的制备方法,其中,所述方法中的步骤4)按以下操作进行:
首先,将带有一定形状的凹槽里注满特定比例的步骤2)中链状分子的混合液,然后将基底倒置压在此槽上,使溶液与基底表面充分接触,或将基底浸泡入特定比例的步骤2)中链状分子的混合液里,或用芯片打印机在基底上打印指定数目的特定比例的步骤2)中链状分子的混合液点,然后清洗,使其在指定区域形成一层均匀致密的链状结构的自组装分子层;此操作在一定温度下,优选0~10℃进行,并孵育1小时以上,进一步优选4℃孵育1~12小时;
之后,将带有一定形状的凹槽里注满步骤3)中的环糊***溶液,然后将上述基底倒置压在此槽上,使溶液与基底指定表面充分接触,或将上述基底浸泡入配制好的步骤3)中的环糊精溶液中,或将步骤3)中的环糊精溶液滴加在打印好的上述基底表面,使溶液完全覆盖打印的点,使环糊精与第一链状分子形成包合产物;优选地,此操作在一定温度下,优选0~10℃进行,并孵育1小时以上,进一步优选4℃孵育4~48小时。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的生物芯片的制备方法,该制备方法包括以下步骤:将第一链状分子以环糊精包合后与第二链状分子混合均匀,然后将混合物固定于基底。
12.根据权利要求11所述的制备方法,其中,所述方法包括以下步骤:
1)选择基底,采取本领域已知技术进行相应的表面处理使其适合制备超分子自组装的生物芯片;
2)配制含功能基团的环糊精溶液,向该溶液中加入相应要包合的一端含固定基团的第一链状分子,产生包合产物,其中所述环糊精溶液优选为饱和浓度的环糊***溶液;此操作在一定温度下,优选室温进行,并搅拌1小时以上,进一步优选搅拌1~24小时,之后将包合产物提纯干燥;
或者,配制不含功能基团的环糊精溶液,向该溶液中加入相应要包合的一端含固定基团的第一链状分子,产生包合产物,其中所述环糊精溶液优选为饱和浓度的环糊***溶液;此操作在一定温度下,优选室温进行,并搅拌1小时以上,进一步优选搅拌1~24小时,之后加入特定溶液将环糊精功能化使之含功能基团,并将包合产物提纯干燥;优选地,所述包合产物产生后,先加入相适应的封端剂如Z型酪氨酸(Z-Tyr)和/或2.4-二硝基氟苯,再进行功能化使环糊精含功能基团;
3)将环糊精和第一链状分子的包合产物溶解,然后与第二链状分子以一定比例混合,该第二链状分子一端含固定基团;
4)使步骤3)中的链状分子混合物固定于基底,形成包含两种链状分子的自组装分子层;
5)用水清洗未固定到表面的链状分子,干燥获得的生物芯片并保存备用;
优选地,步骤2)中的第一链状分子的另一端经修饰含功能基团。
13.根据权利要求12所述的制备方法,其中,所述方法步骤4)按以下操作进行:
将带有一定形状凹槽里注满步骤3)制备的混合液,然后将基底倒置压在此槽上,使溶液与基底处理过的表面充分接触,或将基底浸泡入一定量步骤3)制备的混合液里,或用芯片打印机在基底上打印指定数目的步骤3)制备的混合液点使其在指定区域形成一层均匀致密的自组装分子层;此操作在一定温度下,优选0~10℃进行,并孵育1小时以上,进一步优选4℃孵育1~12小时。
14.根据权利要求1-7所述的生物芯片的应用;
优选地,所述生物芯片用于蛋白质的检测。
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