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基于表面应力效应的微悬臂梁免疫传感技术研究

吴尚犬  
【摘要】:微悬臂梁作为最简单的MEMS器件,可提供与其它传感器不同和互补的信息。与传统的传感器相比,显示出非常低的检测极限,并且无需生物标记,能够实时的进行检测。基于抗原抗体特异性作用的免疫传感技术保证了微梁免疫传感器的高特异性。这些特点使其比肩甚至超过现有技术的能力,在药物筛选、食品安全、环境监测和医疗诊断等领域展现出巨大的应用潜力。本文在课题组工作的基础上,对表面应力产生的机理和抗体固定方法等进行了研究,取得主要成果如下: 提出了通过巯基化羊抗鼠IgG来固定抗体的方法,开展了对人参皂苷Re的检测。结果表明,该方法能够将抗体固定到微梁表面,并且抗体的活性得到保持。检测极限达到0.5ng/mL。同时,利用该方法对紫杉醇进行了检测,通过巯基化羊抗鼠IgG固定抗体的微梁灵敏度要高于通过直接巯基化来固定抗体的微梁。 第一次对小分子抗原与抗体结合导致微梁弯曲的机理进行了解释。抗体在梁上的固定过程产生了一个压应力,而结合小分子抗原后产生一个张应力。这种构象的变化表现为:抗体在结合抗原之前,Fc段上用于补体激活的C1q结合位点被Fab所遮挡,结合抗原后,抗体的Fab绕铰链区转动,从而暴露出C1q结合位点,这个变化导致同一抗体的两个Fab的夹角变小,抗体由相对塌缩态变为相对直立的状态。抗体的这种构象的变化使得微梁表面的压应力得到一定的释放,即产生了一个张应力,驱动微梁偏转的能量来自抗体结合抗原前后构象能的改变。 研究了抗体的不同固定方法对抗体的一些性质以及微梁灵敏度的影响。在微梁上,对同一种抗体,采用三种不同的抗体固定方法:1)巯基化抗体方法;2)巯基化羊抗鼠IgG方法;3)硫醇自组装将固定抗体。巯基化羊抗鼠IgG定向固定抗体虽然抗体的密度低,但是抗体的活性损失的少,方向性好,微梁拥有最高的灵敏度。定向固定的抗体,其抗原结合位点更好的暴露在溶液里,易于结合抗原。此外,定向固定的抗体方向一致,每个抗体结合抗原产生的应力的方向也是一致的,会产生一个更大的合应力。在另外两种方法中,固定的抗体的方向是随机的,产生的力的方向也是随机的,由这些应力叠加而成的合力要远小于由同一方向的抗体所叠加产生的合力。 采用不同碳链长度的羧酸硫醇自组装固定同一种抗体,研究了抗体与微梁之间连接层分子链的长度对微梁灵敏度的影响,并建立了用于甘草酸非标记检测的微梁传感器。结果表明,连接抗体与微梁的分子链的长度对应力的传递有着重要的影响,连接层分子链的长度越短,微梁灵敏度越高。通过减小连接层碳链的长度可以显著提高基于力学效应的传感器的灵敏度。 为进一步提高基于应力效应的微梁免疫传感检测灵敏度,提出了抗体片段的方法来修饰微梁。第一,以抗体的F(ab’)2或Fab片段作为探针分子固定到微梁上。F(ab')2或Fab片段体积与质量小,抗原结合位点的密度高。抗原结合位点到梁表面距离短,应力的传递效率更高。第二,利用巯基乙胺还原抗体得到带有两个巯基(-SH)的半抗体片段,再通过自带的巯基将其定向固定到微梁表面。结果表明,半抗体片段固定方法用于人参皂苷Re的检测极限达到甚至低于0.02ng/mL。该方法操作简单;固定的方向性好,易于与抗原结合;固定的抗原结合位点密度高,稳定性好;双巯基固定的刚性大,有益于反应的作用力传递到梁上:抗原结合位点到微梁表面的距离短,应力的传递效率更高。 本文首次对小分子抗原结合抗体产生表面应力的机理进行了解释。在对这种机理理解的基础上对抗体的固定方法进行了研究。定向固定的抗体除了易于结合抗原外,结合抗原后构象改变引起的应力(或应变)方向也是一样的,从而产生一个更大的合力。碳链长度对应力传递有着重要的影响,长度越短应力传递的效率越高,抗体与微梁之间连接层碳链的长度越短,灵敏度越高。为了进一步减小应力传递的损失以及提高抗原结合位点的密度,提出了抗体片段的方法来修饰微梁,获得了很高的灵敏度。这些原理和性质对传感器的设计尤其是基于应力效应的传感器的设计有着重要的意义。


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