压电生物传感器

º 压电检测系统一般设置两个振荡电路, 一个 是晶体检测振荡电路, 一个是晶体的参比振荡电路。 参比电路是为另外校正温度、气压、粘度、缓冲体系 以及其它一些干扰的影响, 消除误差。
» 压电晶体的谐振频率以及频率的改变由频率 计数器完成, 再由经电脑进行数据分析和结果报告。
3 压电生物传感器的应用
如前所述, 根据检测原理的不同, 压电生物传感 63
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5生物工程进展6 2001, Vol. 21, No. 3
压电生物传感器
汪江华 府伟灵*
( 重庆第三军医大学西南医院基因诊断与治疗中心 400038)
摘要 压电生物传感器是一种将高灵敏的压电传感器与特异的生物反应结合在一起的新型生物 分析方法, 这一方法不需要任何标记, 且仪器构造简单、操作方便, 引起人们的浓厚兴趣, 逐渐成为 生物传感器领域中的一项研究热点。本文就压电免疫传感器及压电基因传感器在微生物、蛋白质 及基因检测等方面的研究应用作一综述。压电生物传感器将在分子生物学、疾病诊断和治疗、新 药开发、司法鉴定等领域具有很大开发潜力。 关键词 压电 生物传感器 微生物 蛋白质 基因
2 压电生物传感器的基本构成
压电晶体 振荡电路 频率计数器 电脑
¹ 压电 晶体具 有一定 的谐 振频率, 如 9MHz 、 27MHz 等。最常用的为石英晶体, 按 AT 方式切割。 石英晶体片夹在两片金或银电极之间, 成为夹心形。 质量响应型压电传感器则在石英晶体层表面固定有 某种生物分子识别物质。一般来说理论上可允许检 测 10- 12 g 级的痕量物质。
121- 5. [ 4 ] Park IS, Kim N . Biosens Bioelectron. 1998, 1; 13( 10) : 1091- 7. [ 5 ] Kosslinger C, Drost S. Biosens Bioelectron. 1992, ; 7 ( 6) : 397-
后来随着液相压电传感器技术的成熟, 通过现 场监测杂交过程, 使压电基因传感器更为简便和快 捷; 同时也可进行表面杂交过程动力学的研究, 并为 基因传感器的优化提供依据。这方面率先开展研究 的是 Okahato[ 15, 16] 实验室, 他们测定了 10~ 30 个碱 基的寡核苷酸双链互补结合的平衡常数, 结合及解 离的速度常数等动力学参数以及 表面的杂交结合 量; 通过改变探针的固定 方法, 探 针和靶基因的长 度、错配的碱基数、杂交温度、杂交液离子强度等因 素, 详细研究了传感器表面杂交过程的动力学特性。
压电免疫传感器: 通过免疫学原理, 即抗原抗体特异性结合反应 来检测靶分子的一类质量响应型压电传感器。 ¹ 用于微生物的检测: 白色念珠菌的检测 第一个报道用 压电微质量法 检测微生物的是 Muramatsu 等人[ 1] 。他们用 C氨基丙基三乙氧基硅 烷处理石英晶体, 然后用特异性抗体包被。检测时, 将压电芯片浸入可疑样品液中, 由于免疫吸附念珠 菌, 晶体表面的质量增加, 测得谐振频率减少, 并获 得了线性范围。而且在相同的混合液中对酵母菌无 响应, 因而具有一定的特异性。 肠道菌的检测 Plomer[ 2] 在 1992 年介绍了一种可以检测食物以 及饮用水中的所有肠道细菌压电免疫传感器。他们 通过蛋白 A 将抗肠道细菌共同抗原的单克隆抗体 包被在 10MHz 的石英晶体表面。实验中以大肠杆 菌为例, 菌液浓度在 106 ~ 109 个Pml 范围内可引起 晶体频率有意义改变。这样通过频率的变化可以测 出肠道细菌的数量。 1995 年 Carter[ 3] 报道利用压电 QCM 快速检测第 0139 血清型霍乱弧菌。将此型 霍乱弧菌的抗体固 定在 10MHz AT 切石英晶体上, 反应体系孵育一小 时后检测。这一压电传感器可以在有 01 型霍乱弧 菌存在的情况下检测出 105 ml- 1 个 0139 型霍乱弧 菌。 1998 年 Park[ 4] 通过利用一种称为 Sulfo-LC-SPDP 的物质来连接巯基化的沙门氏菌抗体和石英晶体表 面金膜层, 该物质可促进抗体与金膜层的结合, 以提 高检 测 的 灵 敏 度 和 特 异 性。反 应 缓 冲 液 为 011molePL的磷酸盐, pH 712。传感器响应达到稳定 需要 30~ 90 分钟, 可检测菌悬液的浓度范围是 919 @ 105 ~ 118 @ 108 CFUPml。 爱滋病病毒的检测 爱滋病严重威胁着人类的健康, 关于用压电传
1 压电生物传感器的基本原理
1880 年雅克. 居里和 皮埃尔. 居里兄弟首先发 现了 石 英等 一 些 晶体 的 压 电 现 象, 后 来 1959 年 Sauerbrey 推导出气相中有关晶体表面所载质量与谐 振频移的 Sauerbrey 方程:
v F = KF2 vMPA v F ) ) ) 晶体吸附外来物质后振动频率的变化( Hz)
K )) ) 常数 A ) ) ) 被吸附物所覆盖的面积 F ) ) ) 压电晶体的基本频率( MHz) v M ) ) ) 被吸附物质的质量
从方程 可知, 石英晶 片在气相 中振荡 时, v F
* 作 者单位: 400038 重庆第三军医大学 西南医院基因诊断与治 疗中心
* 本研究获 1998 年国家自然科学基金资助( 39870831) 以及国家 863 青年基金、国家九五科学仪器攻关项目资助
与 v M 呈简单的线性关系。如果设法 让晶体选择 性地吸附外源性生物活性物质, 便能制成压电生物 传感器。后经研究发现: 在液相中, 石英晶体不仅对 质量敏感, 而且会受到温度、气压、液体密度、粘度、 介电常数等多因素影响, 但其中质量负载和粘性耦 合是导致压电石英晶体频率变化的两个主要作用机 理。因此根据检测原理的不同, 压电生物传感器分 为质量响应型和非质量响应型, 它们在免疫学、微生 物学、基因检测、血液流变、药理研究以及环境等科 学领域具有重要运用价值和开发前景。 Nhomakorabea参考文献
[ 1 ] Muramatsu S. , Anal Chim A cta, 1986 88: 257. [ 2 ] Plomer M, Guilbault GG. Enzyme Microb Technol. 1992, 14( 3) :
230- 5. [ 3 ] Carter RM , Mekalanos JJ. J Immunol Methods. 1995, 16; 187( 1) :
晶体表面固定大量特异的寡核苷酸序列, 利用其与 溶液中互补的核酸序列发生杂交反应, 导致晶体表 面微质量改变来检测特定的靶基因序列。
迄今为止压电基因传感器的研究尚处于起步阶 段。1988 年 Fawcett13] 等首先 利用压电谐 振器检测 晶体电极表面固定的聚尿苷酸与溶液中的聚腺苷酸 的互补杂交。1993 年 Naomi[ 14] 等人详细报道了其研 制的压电基因传感器。将含有核酸探针的叠氮基化 合物固化在晶体表面, 也就是用含有 Poly( A) 叠氮基 物质包被晶体检测与 Poly ( U) 杂交。固化的核酸探 针和互补的靶核酸进行杂交固化在液体中完成, 而 频率的测定在干燥状态完成。该系统的优点是可将 多个探针固化在晶体上, 并可重复使用, 且不需标 记, 使用方便。
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感器检测爱滋病病毒也有报道[ 5] 。将 HIV 人工合成 肽固定于晶体表面, 标本中若有抗 HIV 抗体, 则会 与肽链发生反应引起晶体频率改变。
º 用于激素、免疫球蛋白等蛋白物质的定性定 量:
胰岛素的检测 Suri CR[ 6] 等人研制了一种可检测胰岛素的压电 传感器。他们试验用三种方法固定抗胰岛素抗体, 分别是: 3-APTES, PEI 和蛋白 A。其 中通过蛋白 A 的固定方法可以使检 测达到较好的敏感性和 稳定 性。此压电 传感器的最低检出浓度为 1ngPml。该 系统在检测完毕后用一种洗脱剂可洗脱结合上的胰 岛素大分子而不影响抗体与芯片的结合, 从而可反 复使用, 重复使用的芯片基本能保持原有的稳定性 和灵敏度。与常规放射免疫检测技术相比, 该压电 传感器对胰岛素的检 测可作为替代的侯选方 法之 一。 免疫球蛋白的检测 关于免疫球蛋白的压电传感器芯片技术检测有 许多报道, 主要是关于人 IgE、IgM、IgG 的定量检测。 如新加坡的一个实验室[7] 设计一个压电检测系统检 测血清标本中 IgE 总量。他们将抗人 IgE 抗体以自 组装方式固定于 10 MHz 的 AT 切石英金膜表面, 其 检测范围为 5~ 300 IUPml。用尿素及甘氨酸缓冲液 清洗可重复利用 5 次。中国湖南大学曾经报道[ 8] 利 用 9 MHz 的压电晶体检测人 IgM, 固定的抗体为山 羊抗人 IgM, 检测范围 5~ 93 mgPml。用四氢呋喃清 洗后可重复使用 20 次。此外, Lu HC[ 9] 等人用高碘 酸盐氧化的葡聚糖( 亲水物质) 作为桥连接经赖氨酸 包被的石 英晶 体电极 表面 和 SpA ( 葡 萄球 菌蛋 白 A) , 这样处理的 SpA 可大大提高结合的人 IgG 数量, 因而使检测系统有更好的稳定性和活性。该系统检 测人 IgG 下限可达 013nmolePL, 并可重复使用 19 次 保持原有性能。 另外, 还有通过固定蛋白 A[ 10] 或蛋白 G[ 11] 于晶 体表面来检测 IgG 的报道。 肠毒素的检测 1997 年中国天津军事医学科学院[ 12] 介绍了一 种压电免疫传感器检测生物中的肠毒素, 这种传感 器可检测 C2 型葡萄球菌肠毒素, 检测范围为 10LgPL ~ 10mgPL。 压电基因传感器: 压电基因传感器属于质量响应型传感器, 是基 于压电石英谐振对其表面质量变化敏感的原理, 在