CN102539733B - 一种可视化塑料基生物芯片及其制备方法和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物芯片领域，具体地，本发明涉及一种可视化塑料基生物芯片及其制备方法和检测方法。根据本发明的可视化塑料基生物芯片包括：1)表面活化的塑料基片；2)固定在上述表面活化的塑料基片上的探针分子；3)与探针分子特异性结合的靶标物；4)与靶标物特异性相互作用的信号单元，从而形成探针-靶标物-信号单元夹心式的传感架构；该种芯片经显影处理之后，可通过目测或采用普通成像工具对靶标物进行定性或定量检测分析。本发明的优越性在于充分兼顾了生物芯片在制备、检测及应用过程中对成本、检测性能以及可操作性等方面的要求；据此所制备的生物芯片具备了低成本、便捷化、高通量、高灵敏以及适用性好等特点。

Description

一种可视化塑料基生物芯片及其制备方法和检测方法

技术领域

本发明涉及生物芯片领域，具体地，本发明涉及一种可视化塑料基生物芯片及其制备方法和检测方法。

背景技术

生物芯片(Biochips)是生命科学领域内近年来发展起来的一项强大的分析测试技术，它是指通过微加工方法或其它方法、在固体基片(主要是玻璃和硅片)表面构建的微型生物化学分析系统，以实现对DNA、蛋白质以及其它生物组分准确、快速、高通量检测；在临床检验、生物医学、食品工业、环境监测等领域有着广泛的应用价值。然而，生物芯片的大规模应用严重受限于其不菲的制造(例如基片表面光刻微加工)和检测成本(例如需要使用激光扫描成像系统或多通道电化学工作站等贵重检测仪器)。

此外，通常采用的玻璃和硅基片，不仅质地沉重易碎而且表面处理工艺复杂，不适合携带和大规模应用。而透明塑料基片(主要是聚甲基丙烯酸甲酯-PMMA、聚碳酸酯-PC，和聚对苯二甲酸乙二酯-PET)，不仅柔韧、轻便、光透过性好，而且还可热塑加工，是理想的生物芯片基片材料。尽管如此，到目前为止，塑料基生物芯片的发展仍然缓慢；其中一个很重要的原因是塑料基片本身具有较强的背景荧光信号(C.Situma et al.Anal.Biochem.2005，340，4123-135)，该型芯片不宜用荧光方法检测。而通过显色反应将芯片可视化，进而采用比色检测法(例如J.Immunol.Methods 2004，285，157-163)(即发展可视化塑料芯片)，可解决塑料基片背景荧光干扰问题。尽管如此，可视化塑料芯片的开发仍受制于下述问题的解决：1)由于塑料基片不耐高温以及易受有机溶剂破坏的特点，目前缺乏有效的、温和的基片表面活化和表面分子链接技术与工艺；2)塑料基片相比玻璃或硅基片而言，对生物分子的非特异性吸附较强，导致背景信号干扰和信号间交叉干扰严重，因此需要发展适合塑料基芯片的优化的封闭、清洗以及信号显影与放大工艺。目前关于可视化塑料基芯片的制备、信号显影与放大、定量检测以及具体应用，尚未见系统报道。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种可视化塑料基生物芯片。

本发明的再一目的是提供一种制备可视化塑料基生物芯片的方法。

本发明的再一目的是提供可视化塑料基生物芯片定性或定量检测的方法。

根据本发明的可视化塑料基生物芯片包括：

1)表面活化的塑料基片；

2)固定在上述表面活化的塑料基片上的探针分子(probe)；

3)与探针分子特异性结合的靶标物(target)；

4)与靶标物特异性相互作用的信号单元(reporter)，所述信号单元为生物素或金纳米粒子或酶标记的二抗体或DNA链或小分子；所述金纳米粒子的尺寸为1-20nm，所述酶为与其特异性底物发生显色反应的酶，例如辣根过氧化物酶(HRP)、碱性磷酸酶(AKP)以及葡萄糖氧化酶(GOD)，从而探针-靶标物-信号单元形成夹心式架构的传感单元采用，因此可实现对靶标物的无标记检测。

根据本发明的芯片经银染色处理或添加底物后可显色；经显影处理之后，该种芯片可通过目测或采用成像或透照工具，实现对多种靶标物的定性或定量检测分析。

因此，根据本发明的制备可视化塑料基生物芯片的方法包括以下步骤：

1)塑料基片表面活化处理，将塑料基片放入紫外臭氧系统辐射10～30分钟，使其表面改性产生高密度羧基活性基团，根据需要可将羧基进一步转化成不同的活性基团(例如硫醇、醛基、氨基等)；然后将表面带有羧基的塑料基片浸入特定活化溶液中(例如乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐EDC浓度为0.01～0.03g/mL、N-羟基丁二酰亚胺NHS浓度为0.002～0.005g/mL、pH＝6的100mM磷酸盐PBS或乙磺酸盐MES缓冲溶液)活化处理1～5小时，后用特定清洗溶液(例如20mM PBS缓冲溶液)冲洗基片表面，并用惰性气体将基片吹干待用。

2)探针分子的固定，将含有探针分子(生物小分子、DNA、抗体、蛋白质)的缓冲溶液(通常不同探针分子需使用不同的缓冲溶液)，通过PDMS模板或通过喷墨打印的方式引入到基片表面，然后将基片转移到湿盒中温育3～6小时，通过多种共价键合方式将探针分子固定在芯片表面并形成阵列(例如，通过席夫碱反应将氨基修饰的探针分子固定在醛基修饰的基片表面、通过酰胺反应将氨基修饰的探针分子固定在羧基修饰的基片表面、通过磷酸酯化反应将含磷酸基团的探针分子固定在羟基修饰的基片表面)；然后用特定的清洗溶液(例如100mM PBS缓冲溶液)冲洗基片表面，并用惰性气体将基片吹干待用。

3)基片的首次封闭：将固定上探针分子的芯片浸没入特定的封闭型溶液(例如20mM磷酸盐+150mMNaCl+2％BSA，pH＝7.4的缓冲溶液)中封闭30分钟；然后用清洗型缓冲液(例如20mM磷酸盐+150mM NaCl，pH＝7.4)冲洗基片表面，并用惰性气体将基片吹干待用。

4)靶标分子的捕获，将含有靶标分子(生物小分子、DNA、抗原或抗体、蛋白质)的缓冲溶液(通常不同靶标物需使用不同的缓冲溶液)，滴加或通过PDMS模板引入到基片表面固定有探针分子的区域，然后将基片转移到湿盒中温育0.5～3小时使靶标分子与探针分子充分结合，再用同样的缓冲溶液冲洗基片，并用惰性气体吹干待用。

5)信号单元的引入与信号级连放大，将含有信号单元(生物素标记或金纳米粒子标记或酶标记的二抗或DNA链或小分子)的缓冲溶液，滴加或通过PDMS模板引入到基片表面固定有靶标分子的区域，然后将基片转移到湿盒中温育0.5～1小时，使靶标分子与信号单元充分结合，再用同样的缓冲溶液冲洗基片，并用惰性气体吹干；此外，为了尽可能地提高信号水平，可利用亲和素对生物素的多位点结合能力，通过级连放大的方式来提高信号水平(信号的级连放大处理见图3)。

6)基片的二次封闭，在芯片显影处理之前，需将其浸没入特定的封闭型溶液(例如20mM磷酸盐+0.1％～0.3％明胶+0.1％～0.3％吐温20，pH＝7.4)处理20分钟，然后用清洗型溶液(例如20mM磷酸盐+150mMNaCl，pH＝7.4)冲洗芯片；若下一步采用银染色法显影，则基片在显影前还需用二次去离子水彻底清洗；最后用惰性气体将芯片吹干待用。

7)芯片显影处理：通常塑料基生物芯片是采用金纳米粒子催化银沉积或酶催化底物沉淀等显色反应来实现信号的显影。具体而言，将显影液(可溶性银盐与还原剂组成的混合液或含底物的缓冲液(例如四甲基联苯胺-TMB))滴加到基片表面固定有靶标分子的区域，然后将芯片避光显影处理，每十分钟更换一次显影液直至在基片表面出现明显信号点或信号线。

对该类生物芯片进行定量分析，需首先建立各种靶标物的标准信号响应曲线(靶标物浓度与响应信号关系曲线，即calibration curve)，即首先将一系列靶标物浓度已知的芯片通过照相或扫描或透照的方式，统一处理成数字图像，再利用图像处理软件(例如Photoshop、GIMP、CorelDraw等)获得信号点或线的平均亮度或灰度信息，建立该种靶标物的标准信号响应曲线；然后采用同样方式获得未知浓度靶标物的数字图像；根据标准信号响应曲线，获得未知靶标物的浓度信息。

根据本发明的定性和定量的检测方法，不需要采用任何专业级的检测设备，依据目测或者采用普通的成像或透照工具(例如数码照相机、平板扫描仪、胶片阅片器等)，均可对该种生物芯片进行定性或定量分析。

本发明提供一种可视化塑料基生物芯片的制备、检测及应用技术。本发明的优越性在于充分兼顾了生物芯片在制备、检测及应用过程中对成本、检测性能以及可操作性等方面的要求；据此所制备的生物芯片具备了低成本、便捷化、高通量、高灵敏以及适用性好等特点。

附图说明

图1为塑料基片表面光辐照活化处理示意图。

图2为夹心式传感单元设计示意图。

图3为信号级联放大与显色处理示意图。

图4为检测链亲和素(streptavdin)的塑料基小分子生物芯片结构示意图。

图5为biotin芯片对0.4μg/ml streptavidin的识别图像。

图6为检测人类免疫球蛋白G(human IgG)的塑料基抗体生物芯片结构示意图。

图7为塑料基抗体生物芯片对不同浓度human IgG识别图像(A)与响应曲线(B)。

图8为检测目标DNA链的塑料基DNA生物芯片的结构示意图。

图9为塑料基DNA生物芯片结合0.2μM目标DNA后的显影扫描图片。

图10为检测凝血酶(thrombin)的塑料基DNA生物芯片的结构示意图。

具体实施方式

实施例1、PMMA塑料基片表面活化处理

1)将PMMA塑料基片浸入乙醇或水中超声清洗3～5分钟，然后吹干待用；

2)将洁净的塑料基片放入紫外臭氧清洗机(例如UVOCS、Novascan PSD系列紫外臭氧清洗机)的拖盘上(辐照平台上)，并调整拖盘高度使塑料基片距紫外灯管的距离在2～10cm，启动电源，利用高强度的紫外光照射塑料基片10～30分钟(在紫外光照射的同时会在辐照箱内会产生低浓度的臭氧)，再让塑料基片在辐照箱静置5～20分钟，即可在基片表面产生高密度的COOH基团(塑料基片表面紫外光辐照活化示意图如图1所示)；

3)用镊子将光照处理后的基片快速转移到新配置的EDC-NHS溶液中(其中EDC浓度为0.01-0.03g/mL、NHS浓度为0.002-0.003g/mL、磷酸盐浓度为100mM，pH＝6)，使基片表面在该溶液中浸泡1～6小时，注意在浸泡过程中需间隔震荡溶液，使基片表面的COOH充分活化形成活泼酯；最后用20mM磷酸盐缓冲溶液(PH＝7.4)冲洗基片，并将其吹干待用。

实施例2、塑料基DNA芯片表面信号的级联放大处理

当塑料芯片(塑料芯片传感单元示意图见图2)表面捕获的靶标分子数量太少(例如＜1pmol·cm^-2量级)的情况下，通常需要对目标信号进行级联放大处理；以塑料基DNA芯片表面信号的级联放大为例(信号级连放大处理示意图见图3)，处理步骤如下：

1)引入桥连中心链亲和素(streptavidin)：将链亲和素浓度为0.2～0.5μg/mL溶液(所用溶液为20mM磷酸盐+150mM NaCl+0.1％BSA+0.05％Na3N，pH＝7.4)滴加到塑料基片表面已组装上DNA传感单元(包括探针链-目标链-生物素修饰的信号连接链)的区域，并将基片转移到湿盒中温育0.5～1小时，然后用清洗型磷酸盐缓冲溶液(20mM磷酸盐+150mM NaCl，pH＝7.4)冲洗基片，并将其吹干待用。

2)引入信号报道单元生物素-金纳米粒子结合体：将浓度为0.5～1μM生物素-金纳米粒子结合体溶液(20mM磷酸盐+150mM NaCl，pH＝7.4)滴加到1)中塑料基片表面已处理区域，并将基片转移到湿盒中温育0.5～1小时，然后用清洗型磷酸盐缓冲溶液(20mM磷酸盐+150mM NaCl，pH＝7.4)彻底冲洗基片，并将其吹干待用。

实施例3、塑料生物芯片的银染色显影处理

当塑料基片表面组装上完整的传感单元(包括探针分子-靶标分子-金纳米粒子标记的信号报道单元)之后，可采用银染色处理来实现信号的显影；具体处理步骤如下：

1)用去离子水将经二次封闭处理的塑料基生物芯片冲洗2～3分钟，以彻底洗掉芯片表面残留的无机离子(特别是磷酸根、氯离子)，并将其吹干待用。

2)在暗处将80mg的醋酸银溶入40mL二次去离子水配制成浓度为12mM银盐溶液(A溶液)，将200mg对苯二酚溶入40mL柠檬酸缓冲溶液中(0.25M，pH＝3.8)配制成浓度为45mM还原剂溶液(B溶液)，然后在暗处将A、B两溶液等体积混合配制成银染色显影液；由于配制后的显影液不稳定(即使在暗处超过30分钟也会浑浊)，需现配现用，一次配置的显影液数量通常不超过10mL(具体数量视需要处理的芯片面积而定)。

3)将新鲜配制的银染色显影液滴加到生物芯片的传感区域，在暗处静置放置10分钟，然后用二次去离子水冲洗基片，更换新的显影液直至在基片表面出现明显的信号点或信号线；在显影过程中可随时用二次水或硫代硫酸钠溶液停止反应，对过度显影的芯片可用硫代硫酸钠和铁氰化钾的混合溶液进行“褪色”处理。

实施例4、塑料基biotin分子生物芯片的制备及其对链亲和素的检测

塑料基biotin分子生物芯片(芯片结构示意图如图4所示)的制备及其对链亲和素的检测步骤如下：

1)将塑料基片浸入乙醇中超声清洗，吹干后放入紫外臭氧系统中辐射10-30分钟，使基片表面改性带上活性的羧基(同实施例1中“步骤2)”)。

2)将活化的塑料基片浸入EDC+NHS的0.1M PBS缓冲溶液，浸泡4～6小时，然后用20mM PBS(20mM磷酸盐+150mM NaCl，pH＝7.4)冲洗基片表面，氮气吹干；在基片表面组装PDMS模板，经通道加入20μM的NH₂-PEO-biotin溶液，在湿润的盒子里温育4～10小时，使biotin充分固定在基片上。

3)撤去PDMS模板，用20mMPBS溶液冲洗基片，然后用封闭型PBS缓冲液(20mM磷酸盐+150mM NaCl+1～3％BSA，pH＝7.4)封闭0.5小时，再次用20mMPBS溶液冲洗基片表面，氮气吹干。

4)在基片表面垂直于biotin阵列放置另一块PDMS模板，经通道加入靶标分子streptavidin，潮湿盒子温育0.5～1小时，然后撤去PDMS模板，用20mM PBS溶液冲洗基片。

5)将浓度为0.5～1μM生物素-金纳米粒子结合体溶液(所用溶液为20mM磷酸盐+150mM NaCl，pH＝7.4)滴加到塑料基片表面的传感区域，并将基片转移到湿盒中温育0.5～1小时，然后用20mM磷酸盐缓冲溶液彻底冲洗基片，并将其吹干待用。

6)用封闭型PBS溶液(20mM磷酸盐+0.1～0.3％明胶+0.1～0.3％吐温20，pH＝7.4)浸泡芯片20分钟，然后用20mM PBS溶液冲洗芯片；最后用二次去离子水彻底清洗芯片，并将其吹干待用。

7)将新鲜配制的银染色显影液滴加到塑料基生物芯片的传感区域，在暗处静置放置10分钟，然后用二次去离子水冲洗基片，更换新的显影液直至在基片表面出现明显的信号点或信号线(同实施例3中“步骤3)”)。

8)将显影处理后的生物芯片放置到透扫型扫描仪的扫描平台上(例如中晶ScanMaker 5900或i700)，利用随机带的专用软件获得biotin对streptavidin特异性识别的数字图像(图5是biotin芯片对0.4μg/ml streptavidin的识别图像)；根据图像中信号点或线的平均亮度或灰度信息，即可对streptavidin进行定量分析。

实施例5、塑料基抗体生物芯片的制备及其对Human IgG的检测

塑料基抗体生物芯片(芯片结构示意图如图6所示)的制备及其对Human IgG的检测步骤如下：

1)塑料基片表面活化步骤同实施例4中的步骤1)和步骤2)。

2)在塑料基片表面组装上PDMS模板，经通道加入抗体(anti-human IgG)浓度为100μg/mL的溶液(所用溶液为20mM phosphate+150mM NaCl+5％glycerol，pH＝7.4)，在湿润的盒子里培育4～10小时，使抗体充分固定在基片上。

3)撤去PDMS模板后，封闭冲洗芯片同实施例4中的步骤3)，需要强调的是此步骤中应用的BSA为gluobin-free级。

4)将含靶标分子human IgG溶液(所用溶液为，20mM phosphate+150mMNaCl+5％glycerol，pH＝7.4)滴加到塑料基片表面的传感区域，将该芯片放入潮湿盒子中温育0.5～1小时，使human IgG与捕获抗体充分结合；然后用20mM PBS溶液冲洗基片。

5)将浓度为20～50μg/mL生物素标记的二抗溶液(所用溶液为20mM phosphate+150mM NaCl，pH＝7.4)滴加到塑料基片表面的传感区域，并将基片转移到湿盒中温育0.5～1小时，然后用20mM磷酸盐缓冲溶液彻底冲洗基片，并将其吹干待用。

6)将浓度为0.5～1μg/mL链亲和素-金纳米粒子结合体(所用溶液为20mM磷酸盐+150mM NaCl，pH＝7.4)滴加到塑料基片表面的传感区域，并将基片转移到湿盒中温育0.5～1小时，然后用20mM磷酸盐缓冲溶液彻底冲洗基片，并将其吹干待用。

7)封闭冲洗芯片同实施例4中的步骤6)

8)显影步骤同实施例4中的步骤7)。

9)扫描分析抗体芯片同实施例4中的步骤8)，其中，塑料基抗体生物芯片对不同浓度Human IgG识别图像(A)与响应曲线(B)见图7。

实施例6、塑料基DNA生物芯片的制备及其对目标DNA链的检测

塑料基DNA生物芯片(芯片结构示意图如图8所示)的制备及其对靶标DNA的检测步骤如下：

1)塑料基片表面活化步骤同实施例4中的步骤1)和步骤2)。

2)在基片表面组装PDMS模板，经通道加入DNA探针链浓度为10～50μM的溶液，在湿润的盒子里温育4～10小时，使DNA探针链充分固定在基片上。

3)撤去PDMS模板后，封闭冲洗芯片同实施例4中的步骤3)。

4)将含DNA目标链的溶液(所用溶液为，15mM sodium citrate+150mM NaCl+0.1％十二烷基磺酸钠，pH＝7.4)滴加到塑料基片表面的传感区域，将该芯片放入潮湿盒子中温育0.5～1小时，使其与探针链充分杂交；然后用15mM柠檬酸钠缓冲溶液冲洗基片。

5)将生物素标记的DNA信号报道链浓度为0.5～1μM的溶液(所用溶液为15mMsodium citrate+150mM NaCl+0.1％十二烷基磺酸钠，pH＝7.4)滴加到塑料基片表面的传感区域，并将基片转移到湿盒中温育0.5～1小时，然后用15mM柠檬酸钠缓冲溶液冲洗基片，并将其吹干待用。

6)将链亲和素-金纳米粒子结合体溶液滴加到到塑料基片表面，同实施例4中的步骤6)。

7)封闭冲洗芯片同实施例4中的步骤7)。

8)显影步骤同实施例4中的步骤8)。

9)扫描分析DNA芯片同实施例4中的步骤9)，其中，塑料基DNA芯片对0.2μM靶标DNA溶液的可视化检测结果见图9。

实施例7、塑料基DNA适体生物芯片的制备及其对thrombin的检测

塑料基DNA适体生物芯片(芯片结构示意图如图10所示)的制备及其对thrombin的检测步骤如下：

1)塑料基片表面活化步骤同实施例4中的步骤1)和步骤2)。

2)在基片表面组装PDMS模板，经通道加入探针Apt15浓度为10～20μM的溶液，在湿润的盒子里温育4～10小时，使探针Apt15充分固定在基片上。

3)撤去PDMS模板后，封闭冲洗芯片同实施例4中的步骤3)。

4)将含thrombin的溶液滴加到塑料基片表面的传感区域，并将芯片转移到潮湿盒子培育0.5～1小时，利用探针链Apt15将thrombin捕获到基片上，后用20mM PBS溶液冲洗基片。

5)将生物素标记的Apt29溶液滴加到塑料基片表面的传感区域，并将芯片转移到潮湿盒子培育0.5～1小时，后用20mM PBS溶液冲洗基片。

6)将链亲和素-金纳米粒子结合体溶液滴加到到塑料基片表面，同实施例4中的步骤6)。

7)封闭冲洗芯片同实施例4中的步骤7)。

8)显影步骤同实施例4中的步骤8)。

9)扫描分析DNA芯片同实施例4中的步骤9)。

Claims (1)

1.一种制备可视化塑料基生物芯片的方法，所述生物芯片包括：

1）表面活化的塑料基片；

2）固定在上述表面活化的塑料基片上的探针分子；

3）与探针分子特异性结合的靶标物；

4）与靶标物特异性相互作用的信号单元，所述信号单元为生物素或金纳米粒子或酶标记的二抗体或DNA链或小分子，

从而探针分子–靶标物–信号单元形成夹心式架构的传感单元，

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1）用高强度紫外光辐照、结合臭氧处理活化塑料基片表面，将塑料基片放入紫外臭氧系统辐射10～30分钟，使其表面改性，产生高密度羧基活性基团，然后将表面带有羧基的塑料基片浸入活化溶液中活化处理1～5小时，然后冲洗基片表面并吹干，所述活化溶液为：乙基-（3-二甲基氨基丙基）碳二亚胺盐酸盐EDC浓度为0.01～0.03g/mL、N-羟基丁二酰亚胺NHS浓度为0.002～0.005g/mL、pH=6的100mM磷酸盐PBS或乙磺酸盐MES缓冲溶液；

2）将探针分子固定在活化的塑料基片表面，通过微流控技术或喷墨打印技术在塑料基片表面形成探针阵列，所述探针特异性识别靶标物；

3)首次封闭基片：将固定上探针分子的芯片浸入封闭液中封闭，然后冲洗基片表面，并将基片吹干待用，其中，在首次封闭中的封闭溶液的配方为：20mM磷酸盐、150mM NaCl、1～3%BSA，pH=7.4；

4）捕获靶标分子，将含有靶标分子的缓冲溶液滴加或通过PDMS模板引入到基片表面固定有探针分子的区域，然后将基片转移到湿盒中温育0.5～3小时使靶标分子与探针分子充分结合，再用同样的缓冲溶液冲洗基片，并用惰性气体吹干待用；

5）信号单元的引入与信号级连放大，将含有信号单元的缓冲溶液滴加或通过PDMS模板引入到基片表面固定有靶标分子的区域，使靶标分子与信号单元充分结合，再冲洗基片，并吹干，其中所述信号单元为生物素标记或金纳米粒子标记或酶标记的二抗或DNA链或小分子；

6）基片的二次封闭，在芯片显影处理之前，需将其浸入封闭液中，然后冲洗芯片，将芯片吹干待用，其中，基片的二次封闭步骤中所用的封闭液的配方为：20mM磷酸盐、0.1～0.3%明胶、0.1～0.3%吐温20，pH=7.4；

7）芯片显影处理：将显影液滴加到基片表面固定有靶标分子的区域，然后将芯片避光显影处理，直至在基片表面出现明显信号点或信号线，将所得信号与靶标物的标准信号响应曲线对比，获得未知靶标物的浓度信息。

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