基于微懸臂梁的生化傳感技術(shù)研究.pdf

1、在生物和化學(xué)領(lǐng)域中,生化傳感器是進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)研究的必要條件和工作基礎(chǔ)。研制特異性強(qiáng),靈敏度高,響應(yīng)時(shí)間短的高性能傳感器一直是人們追求的目標(biāo)。近年來,伴隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Microelectromechanical System,MEMS)技術(shù)的興起,系統(tǒng)的微型化成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。它的優(yōu)點(diǎn)在于:具有很大的比表面積,對表面效應(yīng)十分敏感,容易實(shí)現(xiàn)陣列式的多點(diǎn)集成,而且運(yùn)用IC制造工藝可低成本大規(guī)模生產(chǎn)。這種技術(shù)的出現(xiàn),為生化傳感器的研制提

2、供一條新的思路。
　　本文針對當(dāng)前生化傳感領(lǐng)域中,大分子構(gòu)象轉(zhuǎn)變的檢測問題展開了實(shí)驗(yàn)研究。當(dāng)生化過程在微懸臂梁的表面發(fā)生時(shí),會導(dǎo)致其表面應(yīng)力發(fā)生變化并產(chǎn)生彎曲變形。本文利用這種效應(yīng)獨(dú)立的構(gòu)建了一套基于微懸臂梁的生化傳感實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并在其基礎(chǔ)上,按照從簡單到復(fù)雜——即從結(jié)構(gòu)簡單的人工合成大分子聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM),到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的生物大分子胰蛋白酶——的研究思路對大分子的構(gòu)象轉(zhuǎn)變問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,具體包括以下四個(gè)方面的內(nèi)

3、容:
　　(1) 以小分子(11羧基硫醇,11MUA)在微懸臂梁上的吸附過程作為對照,研究了大分子(一端巰基化的聚N-異丙基丙烯酰胺,HS-PNIPAM)在微懸臂梁表面吸附生長過程中的構(gòu)象轉(zhuǎn)變。結(jié)果顯示:11MUA在微懸臂梁表面的吸附生長過程包括兩個(gè)階段,而HS-PNIPAM分子的吸附生長過程卻由三個(gè)階段組成。分析認(rèn)為,導(dǎo)致這種差異的主要原因在于PNIPAM分子具有構(gòu)象的調(diào)整機(jī)制,整個(gè)吸附生長過程就是其構(gòu)象不斷調(diào)整直至形成分子刷的

4、過程。
　　(2) 通過分子自組裝的方法將PNIPAM分子修飾到微懸臂梁表面,檢測環(huán)境(水)溫度在20℃到40℃之間變化時(shí),微懸臂梁的變形。結(jié)果顯示:在升溫過程中(20℃到40℃),微懸臂梁發(fā)生了彎曲變形。這個(gè)過程對應(yīng)著PNIPAM分子鏈從伸展的無規(guī)線團(tuán)構(gòu)象轉(zhuǎn)變到塌縮的小球構(gòu)象。而在降溫過程中(40℃到20℃),微懸臂梁發(fā)生了相反方向的變形,這對應(yīng)這PNIPAM分子鏈構(gòu)象的恢復(fù)。從整體上看,微懸臂梁的變形在整個(gè)溫度循環(huán)過程中的表現(xiàn)

5、出不可逆性和遲滯性。分析認(rèn)為,這是由于PNIPAM分子鏈在塌縮過程中形成氫鍵引起的。
　　(3) 研究了當(dāng)環(huán)境pH制在3到11之間變化時(shí),修飾在微懸臂梁表面聚丙烯酸(PAA)分子的構(gòu)象轉(zhuǎn)變問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示環(huán)境PH值的變化導(dǎo)致了微懸臂梁的變形。通過對未修飾PAA分子的微懸臂梁所作的對照實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)了這種變形是由PAA分子的構(gòu)象變化所導(dǎo)致的。對不同值中PAA分子的電離程度的分析，闡明了微懸臂梁表面應(yīng)力產(chǎn)生變化機(jī)理。
　　(4)

6、利用分子自組裝和羧基活化的表面修飾技術(shù)，將胰蛋白酶連接到微懸臂梁表面。檢測在不同濃度變性劑（鹽酸胍，1.5M～6M）的作用下，胰蛋白酶的變復(fù)性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入鹽酸胍變性劑時(shí)微懸臂梁的表面產(chǎn)生了收縮(tensile)型的表面應(yīng)力，這對應(yīng)著胰蛋白酶的構(gòu)象從緊湊的小球型轉(zhuǎn)變?yōu)樗缮⒌木€團(tuán)型。當(dāng)周圍環(huán)境恢復(fù)時(shí)微懸臂梁的變形隨之恢復(fù)。這一結(jié)果說明在本實(shí)驗(yàn)條件下胰蛋白酶具有很好的變復(fù)性。結(jié)合蛋白質(zhì)的一般理論以及鹽酸胍的特性進(jìn)行分析，認(rèn)為表面應(yīng)力的產(chǎn)生主

7、要是由于蛋白的疏水結(jié)構(gòu)遭到破壞后分子間排斥作用降低所導(dǎo)致的。
　　應(yīng)用此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，本文還研究了谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶抗原（GST抗原）與谷胱甘肽轉(zhuǎn)硫酶抗體（GST抗體）的特異性結(jié)合過程。通過分子自組裝以及羧基活化技術(shù)，把GST抗原連接到微懸臂梁的表面。觀察了GST抗原與GST抗體結(jié)合過程中微懸臂梁的變形。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示這種結(jié)合約在70s內(nèi)完成。分析認(rèn)為，微懸臂梁的表面應(yīng)力是由結(jié)合到微懸臂梁表面的抗體分子之間的相互排斥作用引起的。并用酶聯(lián)免疫