基于微懸臂梁的生化傳感技術研究.pdf

1、在生物和化學領域中,生化傳感器是進行各種實驗研究的必要條件和工作基礎。研制特異性強,靈敏度高,響應時間短的高性能傳感器一直是人們追求的目標。近年來,伴隨著微機電系統(tǒng)(Microelectromechanical System,MEMS)技術的興起,系統(tǒng)的微型化成為一個重要的發(fā)展方向。它的優(yōu)點在于:具有很大的比表面積,對表面效應十分敏感,容易實現(xiàn)陣列式的多點集成,而且運用IC制造工藝可低成本大規(guī)模生產(chǎn)。這種技術的出現(xiàn),為生化傳感器的研制提

2、供一條新的思路。
　　本文針對當前生化傳感領域中,大分子構象轉變的檢測問題展開了實驗研究。當生化過程在微懸臂梁的表面發(fā)生時,會導致其表面應力發(fā)生變化并產(chǎn)生彎曲變形。本文利用這種效應獨立的構建了一套基于微懸臂梁的生化傳感實驗系統(tǒng),并在其基礎上,按照從簡單到復雜——即從結構簡單的人工合成大分子聚N-異丙基丙烯酰胺(PNIPAM),到結構復雜的生物大分子胰蛋白酶——的研究思路對大分子的構象轉變問題進行了實驗研究,具體包括以下四個方面的內

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象轉變。結果顯示:11MUA在微懸臂梁表面的吸附生長過程包括兩個階段,而HS-PNIPAM分子的吸附生長過程卻由三個階段組成。分析認為,導致這種差異的主要原因在于PNIPAM分子具有構象的調整機制,整個吸附生長過程就是其構象不斷調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,微懸臂梁的變形。結果顯示:在升溫過程中(20℃到40℃),微懸臂梁發(fā)生了彎曲變形。這個過程對應著PNIPAM分子鏈從伸展的無規(guī)線團構象轉變到塌縮的小球構象。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,這對應這PNIPAM分子鏈構象的恢復。從整體上看,微懸臂梁的變形在整個溫度循環(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) 研究了當環(huán)境pH制在3到11之間變化時,修飾在微懸臂梁表面聚丙烯酸(PAA)分子的構象轉變問題。實驗結果顯示環(huán)境PH值的變化導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驗，確認了這種變形是由PAA分子的構象變化所導致的。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力產(chǎn)生變化機理。
　　(4)

6、利用分子自組裝和羧基活化的表面修飾技術，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，胰蛋白酶的變復性。結果發(fā)現(xiàn)加入鹽酸胍變性劑時微懸臂梁的表面產(chǎn)生了收縮(tensile)型的表面應力，這對應著胰蛋白酶的構象從緊湊的小球型轉變?yōu)樗缮⒌木€團型。當周圍環(huán)境恢復時微懸臂梁的變形隨之恢復。這一結果說明在本實驗條件下胰蛋白酶具有很好的變復性。結合蛋白質的一般理論以及鹽酸胍的特性進行分析，認為表面應力的產(chǎn)生主

7、要是由于蛋白的疏水結構遭到破壞后分子間排斥作用降低所導致的。
　　應用此實驗系統(tǒng)，本文還研究了谷胱甘肽轉硫酶抗原（GST抗原）與谷胱甘肽轉硫酶抗體（GST抗體）的特異性結合過程。通過分子自組裝以及羧基活化技術，把GST抗原連接到微懸臂梁的表面。觀察了GST抗原與GST抗體結合過程中微懸臂梁的變形。實驗結果顯示這種結合約在70s內完成。分析認為，微懸臂梁的表面應力是由結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