CN1402007A - 定向固定抗体的蛋白质芯片及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可以在固体表面上定向固定抗体的蛋白质芯片及其制备方法和用途。该蛋白质芯片包括:固体基片、在其上形成的蛋白A膜层、利用蛋白A同抗体分子Fc片段的特异结合性把抗体分子固定在蛋白A膜层上形成的抗体感应膜层;该蛋白质芯片结构中还可以包括在固体基片和蛋白A膜层之间有一层疏水极化表面层。该蛋白质芯片的制备方法包括固体基片的选择和表面清洁处理、疏水极化表面层的制备、蛋白A膜层的制备和抗体感应膜层的制备。本发明的蛋白质芯片,蛋白A起到手臂连接的作用,使抗体分子上的抗原结合域伸向固体表面外,自由地同抗原结合。该蛋白质芯片可应用于免疫测定、内分泌激素检测、药物筛选等。
Description
技术领域
本发明涉及免疫检测用芯片,特别涉及一种可以在固体表面上定向固定抗体的蛋白质芯片及其制备方法和用途。
背景技术
抗体分子对目标抗原有着极高的特异选择自然属性,它已经被广泛地用于多种免疫诊断方法和多种免疫传感器上,如T.M.Phillips等在文献《Protein A coated glass beads universal support medium for high-performance immunoaffinity chromatography》(Journal of Chromatography,327(1985)213-219)中所述。其中许多是固相免疫方法,就是把抗体分子固定在固体表面上来检测抗原。被直接固定在固相表面上的抗体分子的生物活性通常低于溶液中的抗体分子,生物活性降低的主要原因是被直接固定在固相表面上的抗体分子的空间位阻增大,不利于抗体-抗原的结合,如文献《Effectiveness of protein A for antibodyimmobilization for a fiber optic biosensor》(Biosensors & Bioelectronics,Vol.12 No.4,329-336,1997)所述;另外一个原因是被直接固定在固相表面上的抗体分子的功能域在固相表面上趋向向下或趋向侧面时,不利于抗体-抗原的结合;还有如果抗体分子上与抗原结合的功能域吸附在固相表面上,抗体分子就不能同抗原发生结合,如图1所示,抗体分子5含有两个抗原结合域,其中一个与固相表面1结合在一起,从而失去了与抗原分子6结合的能力。
发明内容
本发明的目的在于,克服上述被直接固定在固相表面上的抗体分子的空间位阻大、抗体分子的功能域在固相表面上趋向向下或趋向侧面、抗体分子上与抗原结合的功能域吸附在固相表面上,不利于抗体-抗原的结合,为了提高检测芯片上的抗体与抗原的结合能力,从而提供一种定向固定抗体的蛋白质芯片。
本发明的另一目的是提供一种简单、易于实施的定向固定抗体的蛋白质芯片的制备方法。
本发明的还一目的是提供定向固定抗体的蛋白质芯片在免疫检测方面的应用。
本发明的目的是这样实现的:
本发明提供的定向固定抗体的蛋白质芯片,包括固体基片和抗体感应膜层,在固体基片和抗体感应膜层之间还有一层蛋白A膜层。
其中所述的固体基片为半导体材料(如硅片、锗片等)、金属、玻璃、塑料或固体复合材料(固体复合材料如:表面镀金属膜的硅片、锗片或玻璃)。
本发明提供的定向固定抗体的蛋白质芯片,当固体基片为半导体材料(如硅片、锗片等)、玻璃或塑料时,还进一步包括:在固体基片和蛋白A膜层之间还有一层疏水极化表面层。该疏水极化表面层采用化学处理方法在固体基片上首先形成的,然后在疏水极化表面层上形成蛋白A膜层,再在蛋白A膜层上形成抗体感应膜层。该疏水极化表面层有利于在蛋白A膜层的制备过程中从溶液中吸附蛋白A,促进蛋白A膜层的形成。当固体基片为金属或表面镀金属膜的固体复合材料时,本发明的定向固定抗体的蛋白质芯片在固体基片和蛋白A膜层之间可以有一层疏水极化表面层即蛋白质芯片为四层结构,也可以没有疏水极化表面层即蛋白质芯片为三层结构。
其中所述的疏水极化表面层、蛋白A膜层、抗体感应膜层均为单分子层。
所述的疏水极化表面层为疏水硅烷疏水极化表面层,如二氯二甲基硅烷疏水极化表面层。
本发明提供的定向固定抗体的蛋白质芯片使用蛋白A来定向固定抗体分子。蛋白A是从金黄色葡萄球菌中提取的蛋白质,它能够同抗体的Fc片段特异性结合。该蛋白A具有五个能够特异性结合抗体分子Fc片段的功能域(E,D,A,B和C),每个功能域含有58个氨基酸残基,并且每个功能域都能独立同Fc片段结合。蛋白A特异性地结合抗体分子的Fc片段,使抗体分子上同抗原分子特异性结合的两个功能域Fab伸向表面外以便于同抗原分子结合。如图2所示,通过蛋白A3特异性结合而定向固定在固体表面1的抗体分子5同抗原分子6结合的两个功能域伸向表面外,自由地同抗原分子6结合。结合在固体表面上的蛋白A起到手臂连接的作用,使被连接的抗体分子在溶液中充分伸展,极大地降低了空间位阻效应,使抗体-抗原之间的结合类似于在溶液中一样自由。另外,蛋白A膜层还能够钝化固体表面,有效地降低固体表面的非特异性吸附,提高免疫检测即检测抗原的分析灵敏度。
所述的抗体感应膜层的抗体包括各种用于免疫检测的抗体,如抗体人免疫球蛋白G(antiIgG)、抗体牛血清白蛋白(antiBSA)或抗体人血清凝血蛋白原(antiFIB)。
本发明提供的定向固定抗体的蛋白质芯片的制备方法包括以下步骤:
1.固体基片的选择和表面清洁处理
选择所需大小的固体基片,用常规清洁处理方法进行表面清洁处理;其中所述的固体基片包括:半导体材料(如硅片、锗片等)、玻璃、金属、塑料或固体复合材料(如:表面镀金属膜的半导体材料或玻璃)等。
2.蛋白A膜层的制备
将经过上述步骤1清洁处理干净的固体基片浸入到蛋白A溶液中,浸泡的时间依赖溶液浓度,以达到饱和吸附为止,取出后用去离子水洗净,即得到蛋白A的饱和吸附膜层。
3.感应膜层的制备
将经过上述步骤2处理的蛋白A的饱和吸附膜层部分或全部浸入到抗体溶液中,浸泡的时间依赖溶液浓度,以蛋白A结合抗体分子至饱和状态为止,取出后用去离子水洗净,即得到感应膜层,制得本发明的定向固定抗体的蛋白质芯片。
其中所述的固体基片为半导体材料、玻璃或塑料时,本发明提供的定向固定抗体的蛋白质芯片制备方法还可以进一步包括在固体基片和蛋白A膜层之间的疏水极化表面层的制备方法,疏水极化表面层按下列步骤制备:
(1)表面亲水化处理:将上述步骤1清洁处理干净的固体基片放入体积比为1∶3的30wt%的H2O2和98wt%的H2SO4的混合液中,浸泡5-30分钟,用去离子水清洗至中性,即得到表面亲水化处理的固体基片;
(2)表面疏水化处理:将上述步骤(1)亲水化处理好的固体基片放人体积比为4∶1的三氯乙烯和疏水硅烷的混合溶液中,浸泡3-10分钟,取出即在固体基片上形成疏水极化表面层。
所述的固体基片为金属或表面镀金属膜的固体复合材料时,本发明提供的的定向固定抗体的蛋白质芯片的制备方法可以包括也可以不包括疏水极化表面层的制备。
本发明提供的定向固定抗体的蛋白质芯片的用途包括;
1)优化免疫测定;
2)内分泌激素检测;
3)药物筛选;
4)常规门诊免疫检测。
本发明的定向固定抗体的蛋白质芯片可对多种生物分子溶液(如体液、血液、细胞培养上清液等)进行免疫检测。将本发明的蛋白质芯片浸入到待测分析物溶液,经一定反应时间(时间长短依赖溶液浓度),溶液中的分子与蛋白质芯片的感应表面上的抗体分子特异性结合,形成抗原-抗体复合物,导致感应表面的面密度(或膜层厚度)增加。这种表面变化可以通过椭偏成像系统观察到,以此判定溶液中待测生物分子的是否存在、待测生物分子溶液的浓度、待测生物分子与抗体分子的反应速率等。
另外,传统方法中通过洗脱解开抗体与抗原的连接达到抗体再生的目的,每次洗脱都会降低抗体的活性。而本发明的蛋白质芯片在低pH(pH=2.5-4)下,抗原-抗体复合物可以十分简单地从蛋白A膜层上洗脱下来,蛋白A膜层可以再次结合新的抗体,这样就可以使蛋白质芯片重新同抗原结合,从而蛋白质芯片可以多次重复使用。
本发明提供的定向固定抗体的蛋白质芯片还可以用于生命科学研究,特别是免疫学、分子生物学、生物化学、肿瘤学、细胞生物学等学科的研究。
本发明的优点及效果
1.本发明提供的定向固定抗体的蛋白质芯片克服了固体表面上直接固定抗体引起的抗体生物活性下降的缺点;
2.本发明的蛋白质芯片,定向固定的抗体分子,使抗体分子上的抗原结合域伸向固体表面外,自由地同抗原结合;
3.本发明的蛋白质芯片,其中的蛋白A起到了手臂连接的作用,减少了抗体分子的空间位阻;
4.蛋白A膜层还能够钝化表面,有效地降低表面的非特异性吸附,提高检测抗原的分析灵敏度;
5.芯片蛋白A膜层再生简单,芯片可以重复使用多次。
附图说明
图1是直接固定在固相表面上的抗体分子示意图;
图2是本发明的定向固定的抗体分子示意图;
图3是本发明的实施例3制备的定向固定抗体的蛋白质芯片的结构示意图;
其中
1:固体基片 2:疏水极化表面层 3:蛋白A膜层
4:抗体感应膜层 5:抗体分子 6:抗原分子
具体实施方式
实施例1
制备一在硅片表面上定向固定抗体人免疫球蛋白G(antiIgG)的蛋白质芯片,其结构包括:0.5mm厚集成电路用的硅片1,在硅片1上形成的单分子层二氯二甲基硅烷疏水极化表面层2,在疏水极化表面层2上形成的单分子层蛋白A膜层3,及在蛋白A膜层3上形成的单分子层antiIgG感应膜层4。
该蛋白质芯片的制备按以下步骤进行:
1.固体基片的选择和表面清洁处理
选择市售的0.5mm厚集成电路用的硅片为固体基片,用常规清洁处理方法对其进行表面清洁处理。
2.第二层疏水极化表面层的形成
(1)表面亲水化处理:将上述步骤1清洁处理干净的硅片放入体积比为1∶3的30wt%的H2O2和98wt%的H2SO4的混合液中,浸泡20分钟后,取出用去离子水清洗3次至中性,即得到表面亲水化处理的硅片。
(2)表面疏水化处理:将上述亲水化处理好的硅片放入体积比为4∶1的三氯乙烯和二氯二甲基硅烷的混合溶液中,浸泡5分钟后,取出即在硅片上形成了第二层疏水极化表面层。
3.第三层蛋白A膜层的制备
将经过步骤2处理的硅片浸入到1mg/ml的蛋白A溶液中,浸泡30分钟后,取出用去离子水将上面的残存物清除干净,即形成了第三层蛋白A的饱和吸附膜层。
4.第四层感应膜层的制备
把上述步骤3形成的蛋白A的饱和吸附膜层的全部浸入到浓度为1mg/ml的antiIgG溶液中,浸泡30分钟后,取出用去离子水洗净,即在蛋白A膜层上得到第四层antiIgG感应膜层,从而制得在硅片表面上定向固定antiIgG的蛋白质芯片。
定向固定antiIgG的蛋白质芯片对IgG的检测:
把本实施例制备的定向固定antiIgG的蛋白质芯片全部浸入到待测溶液中,如果溶液中含有IgG分子,就会同芯片上的抗体发生特异性结合,形成复合分子,导致面密度(或膜层厚度)增加,否则面密度(或膜层厚度)就不会发生变化。膜层是否发生变化可以通过椭偏成像系统观察到,以此判定溶液中IgG分子存在与否。
实施例2
在复合基片上定向固定抗体牛血清白蛋白(antiBSA)的蛋白质芯片的制备
1.固体基片的选择和表面清洁处理
在0.5mm厚的硅片上镀2μm厚的金片,将其作为复合固体基片,用常规清洁处理方法对其进行表面清洁处理。
2.蛋白A膜层的制备
将经过步骤1清洁处理的固体基片浸入到浓度为1mg/ml蛋白A溶液中,浸泡30分钟后,取出用去离子水洗净,即在金片表面上形成了蛋白A的饱和吸附膜层。
3.感应膜层的制备
把上述步骤2在金片上形成的蛋白A的饱和吸附膜层的2/3部分浸入到浓度为1mg/ml antiBSA溶液中,浸泡30分钟后,取出用去离子水洗净,即在蛋白A膜层上得到antiBSA感应膜层,从而制得在复合基片表面上定向固定antiBSA的蛋白质芯片。
该蛋白质芯片结构包括:0.5mm厚集成电路用的硅片上镀有2μm厚的金片为复合基片1,在复合基片1上形成的单分子层蛋白A膜层3,及在蛋白A膜层3上一端至另一端全部面积的2/3部分形成的单分子层antiBSA感应膜层4。
在复合基片表面上定向固定antiBSA的蛋白质芯片对BSA检测:
把本实施例制备的定向固定antiBSA的蛋白质芯片感应膜层端的2/3部分浸入到待测溶液中,如果溶液中含有BSA分子,就会同芯片上的抗体发生特异性结合,形成复合分子,导致面密度(或膜层厚度)增加,否则面密度(或膜层厚度)就不会发生变化。膜层是否发生变化可以通过椭偏成像系统观察到,以此判定溶液中BSA分子存在与否。
实施例3
在硅片表面上定向固定人血清凝血蛋白原抗体(antiFIB)的蛋白质芯片的制备:
1.固体基片的选择和表面清洁处理
选择市售的0.5mm厚集成电路用的硅片为固体基片,并用常规清洁处理方法对其进行表面清洁处理。
2.第二层疏水极化表面层的形成
(1)表面亲水化处理:将上述步骤1清洁处理干净的硅片放入体积比为1∶3的30wt%的H2O2和98wt%的H2SO4的混合液中,浸泡20分钟后,取出用去离子水清洗3次至中性,即得到表面亲水化处理的硅片。
(2)表面疏水化处理:将上述亲水化处理好的硅片放入体积比为4∶1的三氯乙烯和二氯二甲基硅烷的混合溶液中,浸泡5分钟后,取出即在硅片上形成了第二层疏水极化表面层。
3.第三层蛋白A膜层的制备
将经过步骤2处理的硅片浸入到1mg/ml的蛋白A溶液中,浸泡30分钟后,取出用去离子水洗净,即形成了第三层蛋白A的饱和吸附膜层。
4.第四层感应膜层的制备
把上述步骤3形成的蛋白A的饱和吸附膜层的1/2部分浸入到浓度为1mg/ml的antiFIB溶液中,浸泡30分钟后,取出用去离子水洗净,即在蛋白A膜层上得到第四层antiFIB感应膜层,从而制得在硅片表面上定向固定antiFIB的蛋白质芯片,其结构如图3所示。
该蛋白质芯片结构包括:0.5mm厚集成电路用的硅片1,在硅片1上形成的单分子层二氯二甲基硅烷疏水极化表面层2,在疏水极化表面层2上形成的单分子层蛋白A膜层3,及在蛋白A膜层上一端至另一端全部面积的1/2部分形成的的单分子层antiFIB感应膜层4。
在硅片表面上定向固定antiFIB的蛋白质芯片对FIB检测
把本实施例制备的定向固定antiFIB的蛋白质芯片感应膜层端的1/2部分浸入到到待测溶液中,如果溶液中含有FIB分子,就会同芯片上的抗体发生特异性结合,形成复合分子,导致面密度(或膜层厚度)增加,否则面密度(或膜层厚度)就不会发生变化。膜层是否发生变化可以通过椭偏成像系统观察到,以此判定溶液中FIB分子存在与否。
实施例4
在塑料表面上定向固定抗体人免疫球蛋白G(antiIgG)的蛋白质芯片,其结构包括:0.8mm厚的塑料片1,在塑料片1上形成的单分子层二氯二甲基硅烷疏水极化表面层2,在疏水极化表面层2上形成的单分子层蛋白A膜层3,及在蛋白A膜层3上形成的单分子层antiIgG感应膜层4。该蛋白质芯片按实施例1所述的制备方法制备。
Claims (10)
1.一种定向固定抗体的蛋白质芯片,包括固体基片和抗体感应膜层,其特征是:在固体基片和抗体感应膜层之间还包括一层蛋白A膜层。
2.根据权利要求1所述的定向固定抗体的蛋白质芯片,其特征是:在固体基片和蛋白A膜层之间还有一层疏水极化表面层。
3.根据权利要求1所述的定向固定抗体的蛋白质芯片,其特征是:所述的固体基片为金属或表面镀金属膜的固体复合材料。
4.根据权利要求2所述的定向固定抗体的蛋白质芯片,其特征是:所述的固体基片为半导体材料硅片、半导体材料锗片、金属、玻璃、塑料或固体复合材料。
5.根据权利要求1所述的定向固定抗体的蛋白质芯片,其特征是:所述的蛋白A膜层和抗体感应膜层均为单分子层。
6.根据权利要求2所述的定向固定抗体的蛋白质芯片,其特征是:所述的疏水极化表面层、蛋白A膜层和抗体感应膜层均为单分子层。
7.根据权利要求1或2所述的定向固定抗体的蛋白质芯片,其特征是:所述的抗体感应膜层的抗体包括各种用于免疫检测的抗体分子。
8.一种定向固定抗体的蛋白质芯片的制备方法,包括以下步骤:(1)固体基片的选择和表面清洁处理
选择所需大小的固体基片,用常规清洁处理方法进行表面清洁处理;
其中选择的固体基片包括:半导体材料硅片、半导体材料锗片、玻璃、金属、塑料或固体复合材料;(2)蛋白A膜层的制备
将经过上述步骤(1)清洁处理干净的固体基片浸入到蛋白A溶液中,浸泡的时间依赖溶液浓度来定,以达到饱和吸附为止,取出后用去离子水洗净,即得到蛋白A的饱和吸附膜层;(3)感应膜层的制备
将经过上述步骤(2)处理的蛋白A的饱和吸附膜层部分或全部浸入到抗体溶液中,浸泡的时间依赖溶液浓度来定,以蛋白A结合抗体分子至饱和状态为止,取出后用去离子水洗净,得到感应膜层,制得定向固定抗体的蛋白质芯片。
9.根据权利要求8所述的蛋白质芯片的制备方法,其特征是:还包括在固体基片和蛋白A膜层之间的疏水极化表面层的制备方法,按下列步骤进行:(1)表面亲水化处理:将所述的清洁处理干净的固体基片放入体积比为1∶3的30wt%的H2O2和98wt%的H2SO4的混合液中,浸泡5-30分钟,用去离子水清洗至中性,即得到表面亲水化处理的固体基片;(2)表面疏水化处理:将上述亲水化处理好的固体基片放入体积比为4∶1的三氯乙烯和疏水硅烷的混合溶液中,浸泡3-10分钟,取出即在固体基片上形成疏水极化表面层。
10.一种如权利要求1-7任意一项所述的蛋白质芯片的应用,其特征是:应用于免疫测定,将蛋白质芯片浸入到待测分析物溶液,溶液中的分子与蛋白质芯片的感应表面上的抗体分子特异性结合,形成抗原-抗体复合物,导致感应表面的面密度或膜层厚度增加,这种表面变化可以通过椭偏成像系统观察到,以此判定溶液中待测生物分子的是否存在、待测生物分子溶液的浓度、待测生物分子与抗体分子的反应速率。
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