CN105122040A - 官能化表面的量化 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种量化使表面(2)官能化的至少一种官能团(1)的方法。首先,所述方法包括:提供至少一个表面(2)的步骤,所述表面包含在被至少一种官能团(1)官能化的具有微米尺寸的微粒上。所述方法包括使表面(2)和溶液接触的步骤:所述溶液至少包含第一浓度的第一试剂(4)和第二浓度的第二试剂(5),第一浓度与第二浓度之间的比例是预定的,所述第一试剂(4)和第二试剂(5)被设计用于以各自亲和力选择性地偶联到官能团(2),所述亲和力的比例是预定的。第一试剂(4)被标记用于发射荧光,而第二试剂(5)未被标记。随后,测量所述表面上的所述第一试剂(4)的荧光以便通过使用测量的所述第一试剂的荧光和预定的比例来量化所述官能团(1)。

Description

官能化表面的量化
本发明涉及量化使表面官能化的至少一种官能团的方法。
官能化表面是用于生物传感技术的重要工具。因此,需要评估表面官能化的方法以保证这些技术的可靠性,并且质量控制方法可用于提供具有经证实的有效性和精度的技术。
不同的官能团已被描述为将生物材料连接至表面上的有效实体。这些材料可接枝到存在例如胺(-NH2)、羧酸(-COOH)或其衍生物或者羟基(-OH)的表面上。那些化学官能团能够使用来自文献的完善的偶联方案将大范围的分子共价结合到表面上。
从制造的视角而言,在官能化表面上的某些官能团(如表面-COOH基团)的检测和表征尚不完善,而且许多常规的表征技术在精确性和日常使用上存在一些缺点。实际上,首先,那些方法(如红外光谱和X射线光电子能谱(XPS))运行昂贵,其次,由于被设计用于靶向带电的表面而不是特定官能团,因此它们通常呈现出低特异性。因此,就接枝有羧酸的表面而言,那些方法经常无法将羧酸与其他含氧官能团区分。而且,当将如上所述的方法用于小尺寸表面时,其通常不适合提供信息。
存在其他新兴技术。一种这样的方法依赖于比色活性或荧光分子在带电表面上的吸附/解吸。例如,如WANG,Y.的文章(SurfacegraftpolymerizationofSU-8forbio-MEMSapplications,JournalofMicromechanicsandMicroengineering.2007,vol.17,pages1371,1380)中提及的,一种方法描述了在带负电的表面上吸附带正电的甲苯胺蓝O。一般而言,此类方法由在吸附至表面后将本体溶液中剩余的分子量化,或在解吸后将从表面上洗脱的分子量化而构成。虽然此类方法可以应用于任何带电表面(低特异性),但量化步骤无法准确地区分比色活性或荧光分子的特异性和非特异性结合。对于微米范围或更小的表面,消耗的百分比太小以至于无法准确地评估。
称为表面物类荧光标记(FLOSS)的方法是羧基衍生表面官能团的表征的一种有吸引力替代方法。在这方面,XING,Y.(Specificityandsensitivityoffluorescencelabellingofsurfacespecies,Langmuir.2007,vol.23,pages684,688)中公开了以下工序,其通过反应后清洗工序在还包含羧酸基团的表面上选择性地标记醛基而有效地去除非特异性成键(弱的和离子成键),以使通过胺改性染料对醛基的标记将不会受到-COOH基团存在的影响。当涉及到选择性表征-COOH基团时,PELLENBARG,T.(Detectingandquantifyingoxygenfunctionalgroupsongraphitenanofibersbyfluorescencelabellingofsurfacespecies,Carbon2010,vol.48,pages4256,4267)描述了荧光分子,其特异性地和-COOH基团反应以便通过形成共价键来标记表面。
随后通过荧光光谱法来表征上述标记的表面。虽然表面官能团密度可直接通过FLOSS方法由所述表面来测量,但其仅可用于相对较大的表面(毫米的范围)。对于微米范围或更小的表面,我们观察到所述方法是非定量的,并且对于一个给定的表面,测得的荧光可能对应于两种官能团浓度。因此,FLOSS方法不适用于微米范围或更小的表面。到目前为止,当涉及到表征微米范围或更小的表面时,没有提出克服这些问题的解决方案。
本发明旨在弥补上述的全部或部分缺点。
本发明通过提供一种量化使表面官能化的至少一种官能团的方法来实现这些目的,所述方法包括如下连续的步骤:
a.提供具有微米尺寸并且被至少一种官能团官能化的微粒的至少一个表面,
b.使所述表面和溶液接触,
i.所述溶液至少包含第一浓度的第一试剂和第二浓度的第二试剂,所述第一浓度与第二浓度之间的比例是预定的;
ii.所述第一试剂和第二试剂被设计为以各自亲和力选择性地偶联到所述至少一种官能团中的一种,所述亲和力的比例是预定的;
iii.所述第一试剂被标记用于发射荧光,而所述第二试剂未被标记;
测量偶联到表面的所述第一试剂的荧光并通过使用测量的所述第一试剂的荧光和所述预定的比例来量化所述官能团。
另外,通过避免用常规方法观察到的自猝灭问题,本发明通过使官能化的表面与包含第一浓度的被标记的第一试剂和第二浓度的未被标记的第二试剂的溶液接触而解决了所述问题。实际上,当官能化的表面与该溶液接触时,所述第一试剂和所述第二试剂会与接枝到表面的官能团进行反应,并且通过第一试剂和第二试剂各自与官能团的亲和力而驱动偶联反应。另外,所述第一试剂还包含设计用于发射荧光的荧光分子。因此,该表面的所述官能团与所述第一试剂偶联,或与所述第二试剂偶联,以致各个官能团与第一试剂偶联,或者与未标记的第二试剂偶联。因此,本发明所述的方法使第一试剂在目标表面上物理间隔开,由此避免自猝灭现象。
本发明所述的方法还允许量化表面上的官能团。实际上,首先,第一试剂的浓度和第二试剂的浓度是预定的参数。其次,上述各自的亲和力比例提供了关于第一试剂和第二试剂与官能团的亲和力的信息。因此,在测量表面的荧光后,可通过考虑第一试剂和第二试剂之间的浓度比例以及各自与官能团的亲和力比例来量化存在的目标官能团。
本发明所述的方法还允许量化接枝在表面上的不同的官能团。例如,本发明所述的方法还允许独立地量化被羟基(-OH)和胺基(-NH2)官能化的表面上的所有官能团。当所述表面包含不同的官能团时,对于每个官能图将选择一对第一试剂和第二试剂以便特异性地靶向所述官能团。所述第一试剂和第二试剂将处在预定的浓度比例,并将呈现各自与所述官能团的预定亲和力。
根据一个实施方式,所述方法在步骤a)之前还包括活化步骤以便活化表面的官能团。该实施方式旨在准备被设计用于与第一试剂和第二试剂偶联的官能团。因此,通过此活化步骤可引发接枝在所述表面上的官能团的反应活性。在此活化步骤之后,对于第一试剂和/或第二试剂无活性的官能团可转化为准备就绪与第一试剂和/或第二试剂偶联的反应活性官能团。
在一个实施方式中,所述活化通过至少一种化学反应进行。因此,该化学反应允许促进或引发第一试剂和第二试剂与官能团的偶联。这种化学活化易于实现。
根据一个实施方式,所述第一浓度和第二浓度之间的比例为约1:99~约50:50,优选为约2:98~约25:75,更优选为约3:97~约10:90,且更优选为约4:96~约7:93。
根据一个实施方式,所述表面包含在微粒上。大量微粒可同时被测量以提供关于单个微粒上的官能团密度的信息。另外,所述方法能够在单次测量中具有关于一个特定群体或具有不同编码的不同群体之间的详细信息。
在一个实施方式中,所述第一试剂和/或所述第二试剂选自蛋白质、抗体、多肽、核酸或它们的混合物。
根据一个实施方式,所述官能团是选自羧酸或其衍生物、酮类、醛类的羰基。因此,在此实施方式中,第一试剂和第二试剂可通过使用被设计为与此实施方式所述的至少一种官能团偶联的任何基团而与所述官能团偶联。
在一个实施方式中,所述第一试剂和/或第二试剂通过肽键与表面的官能团偶联。
根据一个实施方式,所述第一试剂和/或第二试剂具有胺基,所述胺基参加与表面的官能团的偶联。因此,根据此实施方式,官能团可选自被设计为与胺基偶联的任何官能团。
在一个实施方式中,所述表面由玻璃、硅或聚合物制得。
根据一个实施方式,所述第一试剂通过标记第二试剂获得。在很多基于荧光的表征方法中,针对检测开发了特定的荧光标记,但是,在本发明所述的方法中,可使用可结合至第二试剂的任何荧光分子。
在一个实施方式中,所述第二试剂为链霉亲和素。
根据一个实施方式,所述第一试剂被FITC(CAS号3326-32-7)、若丹明(CAS号81-88-9)、青色素3(CAS号605-91-4)、青色素5(CAS号14187-31-6)、488、Alexa532、Alexa647(Alexa染料,由瑞士的MolecularProbes销售)、ATTO488、ATTO532、ATTO647N(ATTO染料,由德国的ATTO-TECGmbH,销售)或它们的混合物所标记。
在一个实施方式中,所述链霉亲和素被ATTO647N所标记。
在一个实施方式中,所述第一试剂和所述第二试剂包含生物素部分,所述第一试剂还包含被标记的链霉亲和素,所述第二试剂还包含未被标记的链霉亲和素。
通过结合附图阐述的以下详细描述来进一步阐释本发明,其表示用于量化使表面官能化的至少一种官能团的方法的示例性和说明性实施方式。
图1说明了本发明所述的量化被羧酸(COOH)官能化的表面的方法。
如图1所示,在本发明所述的量化使表面(2)官能化的至少一种官能团(1)的方法中,所述表面(2)包含在微粒(3)上并且被羧酸基团(-COOH)官能化。
为了量化官能团(1)(其为羧酸基团),所述方法是由活化步骤开始,所述活化步骤在于将表面(2)与包含肽偶联剂的活化溶液接触,如EDC(N-(3-二甲基氨丙基)-N’-乙基碳二亚胺盐酸盐).HCl(5mg)和磺基-NHS(12.5mg的N-羟基磺基琥珀酰亚胺钠盐)在3.6ml的活化缓冲液中(100mMMES,0.3%(v/v)-20,pH2.3)。在活化步骤中,将微粒(3)在室温下浸入活化溶液中约60分钟。
在活化步骤之后,用洗涤缓冲液(10mM磷酸盐,2.7mM氯化钾,137mM氯化钠,0.3%(v/v)-20,pH7.4)清洗所述微粒(3)以去除任何过量的化学品。
随后,使表面(2)与包含第一试剂(4)和第二试剂(5)的溶液接触。所述第二试剂(5)是链霉亲和素,所述第一试剂(4)是被标记的链霉亲和素,其承载至少一种荧光团(6)ATTO647N(由德国的ATTO-TECGmbH,销售)。所述荧光团(6)ATTO647N通过隐含至少一种赖氨酸残基的至少一种肽键而连接至第一试剂(4)。来自链霉亲和素的胺基(7)被设计为通过肽键偶联到表面(2)的羧基。在溶液中,所述第一试剂(4)以第一浓度C1存在,而所述第二试剂(5)以第二浓度C2存在,第一浓度C1与第二浓度C2之间的比例C1/C2是预定的。实际上,将包含60μL的5%ATTO647N-链霉亲和素与95%链霉亲和素以及500μg/mL的磷酸盐缓冲盐水(PBS)的溶液添加至处于2.1mL偶联缓冲液(10mM乙酸钠,0.3%(v/v)-20(由Sigma-Aldrich销售,CAS#9005-64-5),pH4.8)中的微粒(3),并在室温下反应30分钟。所述微粒(3)随后用洗涤缓冲液洗涤以去除任何过量的试剂。
为了量化表面(2)上存在的官能团(1),首先将微粒(3)放置在荧光显微镜下进行量化测量。随后,通过考虑相对于第一浓度C1和第二浓度C2之间的浓度比C1/C2的测量的荧光来将表面(2)上存在的羧基量化。
通过考虑本说明书和在此公开的本发明的实践,本发明的其他实施方式对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本说明书和实施例应当被认为是仅仅例示性的,本发明真正范围和主旨由所附权利要求所示。

Claims (13)

1.一种量化至少一种官能团(1)的方法,所述至少一种官能团(1)使表面(2)官能化,所述方法包括如下连续的步骤:
c.提供具有微米尺寸并且被至少一种官能团(1)官能化的微粒的至少一个表面(2),
d.使所述表面(2)和溶液接触,
iv.所述溶液至少包含第一浓度的第一试剂(4)和第二浓度的第二试剂(5),所述第一浓度与第二浓度之间的比例是预定的;
v.所述第一试剂(4)和第二试剂(5)被设计用于以各自亲和力选择性地偶联到所述至少一种官能团(1)中的一种,所述亲和力的比例是预定的;
vi.所述第一试剂(4)被标记用于发射荧光,而所述第二试剂(5)未被标记;
e.测量偶联到所述表面(2)的所述第一试剂(4)的荧光并通过使用测量的所述第一试剂的荧光和所述预定的比例来量化所述官能团(1)。
2.如权利要求1所述的方法,其中,所述方法在步骤a)之前还包括活化步骤以便活化所述表面(2)的官能团(1)。
3.如权利要求2所述的方法,其中,所述活化通过至少一种化学反应进行。
4.如权利要求1~3中任意一项所述的方法,其中,所述第一浓度与第二浓度之间的比例为约1:99~约50:50,优选为约2:98~约25:75,更优选为约3:97~约10:90,且更优选为约4:96~约7:93。
5.如权利要求1~4中任意一项所述的方法,其中,所述第一试剂(4)和/或所述第二试剂(5)选自蛋白质、抗体、多肽、核酸或它们的混合物。
6.如权利要求1~5中任意一项所述的方法,其中,所述官能团(1)是选自羧酸或其衍生物、酮类、醛类的羰基。
7.如权利要求1~6中任意一项所述的方法,其中,所述第一试剂(4)和/或所述第二试剂(5)通过肽键偶联至所述表面(2)的官能团(1)。
8.如权利要求1~7中任意一项所述的方法,其中,所述第一试剂(4)和/或所述第二试剂(5)存在胺基,所述胺基参加与所述表面(2)的官能团(1)的偶联。
9.如权利要求1~8中任意一项所述的方法,其中,所述表面(2)由玻璃、硅或聚合物制得。
10.如权利要求1~9中任意一项所述的方法,其中,所述第一试剂(4)通过标记所述第二试剂(5)获得。
11.如权利要求1~10中任意一项所述的方法,其中,所述第二试剂(5)是链霉亲和素。
12.如权利要求1~11中任意一项所述的方法,其中,所述第一试剂(4)被FITC、若丹明、青色素3、青色素5、488、532、647、ATTO488、ATTO532、ATTO647N或它们的混合物标记。
13.如权利要求11与权利要求12结合所述的方法,其中,所述链霉亲和素被ATTO647N标记。
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