CN102879366A - 检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统，包括微流控芯片、荧光显微镜、三个用于向微流控芯片注射液滴的注射泵、荧光接口、荧光光谱仪和数据采集分析系统，微流控芯片设置在物镜的焦点上；荧光接口一端与荧光显微镜的标准口连接，另一端通过光纤与荧光光谱仪连接；荧光光谱仪的光谱信号输出端与数据采集分析系统的信号输入端连接。还涉及一种检测量子点与生物分子相互作用的方法，生物分子用染料分子标记，且染料分子与量子点之间可以发生荧光共振能量转移。本发明操作容易，检测灵敏度高，可实现对量子点与生物分子之间的快速动力学检测；荧光光谱仪可同时检测多个荧光波长，减少了误差，提高了检测的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及生物分析和纳米技术领域，特别涉及一种检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统及方法。
背景技术
探讨量子点（QDs）与生物分子之间的相互作用已经成为深入理解生命过程本质的核心研究之一。在量子点生物分析应用中，动力学参数也是评估量子点与生物分子相互作用的重要指标，因此，建立适用的分析表征技术手段至关重要。目前可以开展量子点生物分子间相互作用研究的方法主要有荧光光谱法、色谱法和电泳等（Ostergaard J,Heegaard N H H,Electrophoresis 2003,24,2903-2913）。然而，对于量子点与生物分子之间的快速反应目前还缺乏行之有效的方法。目前主要的方法是表面等离子共振法（Surface Plasmon Resonance,SPR），然而这种方法通常需要将一种生物分子先固定，操作比较复杂（SapsfordK E,Pons T,Medintz I L,et al.J.Phys.Chem.C2007,111,11528–11538）。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术对量子点与生物分子之间快速动力学检测的不足，本发明提供一种检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统及方法。
荧光共振能量转移（fuorescence resonance energy transfer，FRET）作为一种高效的光学“分子尺”，在生物大分子相互作用、免疫分析、核酸检测等方面有广泛的应用。在分子生物学领域，该技术可用于研究活细胞生理条件下研究蛋白质-蛋白质间相互作用。FRET技术是近来发展的一项新技术，为两种物质间相互作用进行实时的动态研究提供了便利。因此将FRET与荧光检测相结合为生物分子间的快速动力学检测提供了一种新的思路。
微流控芯片是一种采用精细加工技术，可以在数平方厘米的基片上实现集微量样品制备、进样、反应、分离及检测于一体的微型分析实验装置由于微流控芯片微量和快速体积微型化的特点，要求与之匹配的高灵敏度和反应快速的检测装置。因此，液滴微流控技术也为生物分子之间的快速动力学提供了一种新的检测思路（Han Z.,Chang Y．Y.,Au S.W.,et al.Chem.Commun.2012,48,1601-1603）。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统，包括微流控芯片、荧光显微镜、三个用于向微流控芯片注射液滴的注射泵、荧光接口、荧光光谱仪和数据采集分析系统，荧光显微镜带有物镜、光源、滤光片和载物台，所述的微流控芯片设置在物镜的焦点上，并与载物台固定；荧光显微镜的光源通过光路将激发光照到微流控芯片上，微流控芯片上产生的荧光经滤光片到达荧光显微镜的标准口；所述的荧光接口一端与荧光显微镜的标准口连接，另一端通过光纤与荧光光谱仪连接，所述的荧光接口中设置用于将显微镜标准口的平行光聚集到光纤一端的复合透镜；所述的荧光光谱仪的光谱信号输出端与数据采集分析系统的信号输入端连接。
所述的复合透镜为两个串联设置的透镜。
所用的微流控芯片材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
其中，数据采集分析系统可以是计算机，用于设置实验参数及采集光谱数据；操作程序安装于计算机中，运行后对荧光检测装置进行控制，完成数据采集，并且根据不同位置的荧光强度变化计算量子点与生物分子的结合动力学。
一种基于液滴微流控系统的检测量子点与生物分子相互作用的方法，采用本发明所述的一种检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统，设置荧光光谱仪的工作参数并运行；打开荧光显微镜的光源，根据荧光分子性质选择滤光片；运行荧光光谱仪进行荧光信号采集；设置三个注射泵的流速，分别从三个注射泵向微流控芯片注射油、量子点和生物分子；量子点与生物分子混合后形成液滴，荧光光谱仪得到液滴荧光光谱图；移动微流控芯片，检测不同位置的荧光光谱，设置荧光光谱仪的检测波长，得到荧光强度谱图；所采集的信号传送至数据采集分析系统，记录成相应的数据文件。
生物分子用染料分子标记，且所述的染料分子与量子点之间可以发生荧光共振能量转移，染料分子为量子点、羧基四甲基罗丹明(TAMRA)、罗丹明B、德克萨斯红（Texas Red）、Cy3、Cy5。染料分子与量子点发生荧光共振能量转移，量子点与生物分子相互作用后，随着时间的变化，荧光强度才逐渐发生变化，这样才能够测反应的动力学。
本发明的有益效果是，本发明的一种检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统及方法，将FRET、荧光检测以及液滴微流控技术相结合，操作简单容易；液滴微流控技术可以通过调节泵速，形成液滴，使液滴到达检测窗口的速度加快，从而可以检测1s以内的动力学，甚至是亚秒级别的，检测灵敏度高，可实现对量子点与生物分子之间的快速动力学检测；移动微流控芯片，可以检测不同位置的荧光光谱；荧光光谱仪可同时检测多个荧光波长，从而减少了误差，提高了检测的准确性；设计了显微镜与荧光光谱仪之间的接口，实现了利用显微镜中自带的部件，组成完整的检测装置，很大程度上降低了设备成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的微流控芯片的结构示意图。
图2是本发明的液滴微流控系统的结构示意图。
图3是本发明的液滴微流控系统的荧光接口的结构示意图。
图4是本发明中实施例1的荧光强度谱图。
图4中，图（B）为检测波长为661nm的微流控芯片不同位置的荧光强度谱图，图（A）为图（B）中（A）处的局部放大图。
图（D）为检测波长为612nm的微流控芯片不同位置的荧光强度谱图，图（C）为图（D）中（C）处的局部放大图。
图5是实施例1的动力学检测的荧光强度谱图。
图6是实施例2的动力学检测的荧光强度谱图。
图中1、第一注射泵，2、第二注射泵，3、第三注射泵，4、微流控芯片，5、荧光显微镜，5-1、物镜，5-2、光源，5-3、滤光透镜组，5-4、反射透镜，5-5、标准口，6、荧光接口，6-1、复合透镜，7、荧光光谱仪，8、数据采集分析系统，9、光纤。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1~图3所示，本发明的一种检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统，包括微流控芯片4、荧光显微镜5、三个用于向微流控芯片4注射液滴的注射泵、荧光接口6、荧光光谱仪7和数据采集分析系统8，三个注射泵分别为第一注射泵1、第二注射泵2和第三注射泵3，第一注射泵1控制油速，第二注射泵2控制量子点的流速，第三注射泵3控制生物分子的流速，图1中用圆形圈出的表示不同的检测位置，从注射入口开始依次编号为a,b,c,d,e,f，g,h,i。荧光显微镜5带有物镜5-1、光源5-2、滤光片和载物台，微流控芯片4设置在物镜5-1的焦点上，并与载物台固定；荧光显微镜5的光源5-2通过光路将激发光照到微流控芯片4上，微流控芯片4上产生的荧光经滤光片到达荧光显微镜5的标准口5-5；荧光显微镜的光源上设有滤光片及聚焦系统是一公知技术，如图2所示，本发明中的滤光片由滤光透镜组5-3和反射透镜5-4组成。荧光接口6一端与荧光显微镜5的标准口5-5连接，另一端通过光纤9与荧光光谱仪7连接，荧光接口6中设置用于将显微镜标准口5-5的平行光聚集到光纤9一端的复合透镜6-1，如图3所示，复合透镜6-1为两个串联设置的透镜；荧光光谱仪7的光谱信号输出端与数据采集分析系统8的信号输入端连接。
本发明的基于液滴微流控系统检测量子点与生物分子相互作用的方法的操作流程如下：
设置荧光光谱仪7的工作参数并运行；打开荧光显微镜5的光源5-2，根据荧光分子性质选择滤光片；运行荧光光谱仪7进行荧光信号采集；设置三个注射泵的流速，分别从三个注射泵向微流控芯片4注射油、量子点和生物分子；量子点与生物分子混合后形成液滴，荧光光谱仪7得到液滴荧光光谱图；移动微流控芯片4，检测不同位置的荧光光谱，设置荧光光谱仪7的检测波长，得到荧光强度谱图；所采集的信号传送至数据采集分析系统8，记录成相应的数据文件。
生物分子用染料分子标记，染料分子为量子点、羧基四甲基罗丹明(TAMRA)、罗丹明B、德克萨斯红（Texas Red）、Cy3、Cy5，且所述的染料分子与量子点之间可以发生荧光共振能量转移。
实施例1
图4为微流控芯片荧光检测量子点与生物分子H24-Cy5混合后的荧光强度，图中所有圆圈为微流控芯片上一个固定位置的检测窗口示意图，液滴经过这个固定位置会产生不同强度的荧光信号，圆圈里液滴越大对应的荧光强度越大。H24-Cy5的序列如下：
实验条件为：第一注射泵1、第二注射泵2和第三注射泵3的流速分别为3μL·min-1，1.5μL·min-1和1.5μL·min-1。设置荧光光谱仪的检测波长，QDs的检测波长为612nm，Cy5的检测波长为661nm；QDs的浓度为20nM，H24-Cy5的浓度为80nM。
实验结果表明，如图4所示，本发明可以清楚记录微流控芯片上位置a-i的荧光强度变化。根据不同位置的荧光强度变化计算QDs与H24-Cy5的结合动力学，如图5所示，本实施例的动力学检测的荧光强度谱图，可以看出新型多肽配体H24-Cy5与QDs之间的结合约为1s。通常所用的荧光光谱检测方法，最快只能检测2s之后的数据，而通过荧光光谱法可知道2s后，反应已经达到平衡。
实施例2
图6为是量子点与生物分子H6-Cy5混合后的动力学检测。实验条件同实施例1，区别在于生物分子为H6-Cy5，序列为Cy5-DDDLVPRGSGP9G2H6。实验结果证实QDs与H6-Cy5的结合大概100s左右达到平衡，这一结果与表面等离子共振法的结果类似（详见Sapsford,K.E.;Pons,T.;Medintz,I.L.;et al.J.Phys.Chem.C 2007,111,11528-11538.），证实了这种方法的有效性。
染料分子Cy5与量子点发生荧光共振能量转移，量子点与生物分子相互作用后，随着时间的变化，荧光强度才逐渐发生变化，这样才能够测反应的动力学。通过上述两个实施例可以看出，本发明的一种检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统及方法，液滴微流控技术通过调节3个泵的流速，形成液滴，使液滴到达检测窗口的速度加快，从而可以检测1s以内的动力学检测，甚至是亚秒级别的，并且灵敏度高，操作方便，结果准确。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (5)
1.一种检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统，其特征在于：包括微流控芯片（4）、荧光显微镜（5）、三个用于向微流控芯片（4）注射液滴的注射泵、荧光接口（6）、荧光光谱仪（7）和数据采集分析系统（8），荧光显微镜（5）带有物镜（5-1）、光源（5-2）、滤光片和载物台，所述的微流控芯片（4）设置在物镜（5-1）的焦点上，并与载物台固定；荧光显微镜（5）的光源（5-2）通过光路将激发光照到微流控芯片（4）上，微流控芯片（4）上产生的荧光经滤光片到达荧光显微镜（5）的标准口（5-5）；所述的荧光接口（6）一端与荧光显微镜（5）的标准口（5-5）连接，另一端通过光纤（9）与荧光光谱仪（7）连接，所述的荧光接口（6）中设置用于将显微镜标准口（5-5）的平行光聚集到光纤（9）一端的复合透镜（6-1）；所述的荧光光谱仪（7）的光谱信号输出端与数据采集分析系统（8）的信号输入端连接。
2.如权利要求1所述的一种检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统，其特征在于：所述的复合透镜（6-1）为两个串联设置的透镜。
3.如权利要求1所述的一种检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统，其特征在于：所用的微流控芯片（4）材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
4.一种基于液滴微流控系统的检测量子点与生物分子相互作用的方法，其特征在于：采用如权利要求1-3任一项所述的一种检测量子点与生物分子相互作用的液滴微流控系统，设置荧光光谱仪（7）的工作参数并运行；打开荧光显微镜（5）的光源（5-2），根据荧光分子性质选择滤光片；运行荧光光谱仪（7）进行荧光信号采集；设置三个注射泵的流速，分别从三个注射泵向微流控芯片（4）注射油、量子点和生物分子；量子点与生物分子混合后形成液滴，荧光光谱仪（7）得到液滴荧光光谱图；移动微流控芯片（4），检测不同位置的荧光光谱，设置荧光光谱仪（7）的检测波长，得到荧光强度谱图；所采集的信号传送至数据采集分析系统（8），记录成相应的数据文件；生物分子用染料分子标记，且所述的染料分子与量子点之间可以发生荧光共振能量转移。
5.如权利要求4所述的一种基于液滴微流控系统的检测量子点与生物分子相互作用的方法，其特征在于：所述的染料分子为量子点、羧基四甲基罗丹明(TAMRA)、罗丹明B、德克萨斯红（Texas Red）、Cy3、Cy5。
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