高灵敏光纤型分子马达生物检测技术

全国光电子与量子电子学技术大会论文集高灵敏光纤型分子马达生物检测技术刘 建 胜 王 冠 军 1(1.北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191 中国）摘要：本文介绍了我们在高灵敏度光纤型分子马达生物检测技术研究方面取得的进展；分析了分 子马达生物传感器检测机理以及光纤型荧光检测系统工作原理 s总结了光纤型分子马达生物检测 系统皮用于病毒及小分子物质检测取得的实验进展。关键词：分子马达生物传感器，光纤荧光检测，病毒，小分子物质 中图分类号：TP212.3 文献标识码：AResearch on the ultra-sensitive fiber optic F0Fi-ATPase biosensing technologyLiu Jiansheng1*, Wang Guanjun1(1. School of Electronic and Information Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)Abstract: The progresses of ultra-sensitive fiber optic FoFi-ATPase bio-sensing systems are presented in this article. The mechanisms of FoFi-ATPase bio-sensor and fiber optic detecting system are analyzed, while their application on fast detection of viruses and small molecules are summarized too.Key words: FoFrATPase biosensor; fiber fluorescence detection, virus, smatl moleculeE-mail: (jsliuO)220全国光电子与量子电子学技术大会论文集 引 言离灵敏度、快速生物检测技术在实验室检测、食品、制药、化rr匁领域山据右相当M要 的地位。其主要山生物识别儿件（生物传感器）和与之相匹配的信号转换器（检测系统）两 部分绀成。其屮.以分子马达牛.物传感器为代表的新型纳米生物传感器具有纳米尺度尺、超商能 贵转换效宇.、多种生物学特性箬优点.非常适合作为纳米器件和纳米生物传感器使用 hl此外，与屮物传感器相配套的检测系统主要釘电化学电极（如电位、电流的检测)、光 宁检测、热敏电阻、场效应晶体管、压电石英晶体及表面等离子丼振器件等。和其他类型的 检测系统相比，光纤牛物检测系统具有体积微小、灵敏度高、不受电磁T扰、不蒞要参比器 件 U1,而且结合多通道光选通系统，可以较为便捷地实现卨通贵检测，从而有望成为理想的 与分了马达生物传感器相匹妃的牛物检测系统。在光纤型分子马达生物检测关键技术方面，我们与相关中位在展开合作研究，建A了 个以分+马达技术为核心，结合免疫识別、荧光探针标记与检测、卨通最光纤光路选通、 高灵敏度荧光检测等技术的快速采物检测技术体系。间时我们研究了锥形光纤在提开检测系 统灵敏度方面的效果。此外针对卨通贵检测要求，我们相继研制出双通道、十通道转盘式、 十六通道、六十叫通道型等多种型号.目前该类检测技术己经用于诸多领域的病毐及小分了 物质检测，并取得了良好的科研效果。2分 子 马 达 生 物 检 测 系 统 及 原 理rai分c 4达卞.物代感器结构(1) P亚基P亚8 抗体 (3)亲和素+(4病*抗休待测病毒抗垛(6) 分子马达(7)传 s探头如 图 1所 示 ，a F,F,-ATPase的P亚基上连接不同的负载时，其转了部分的旋转速率以 及F。部分的质子运转速率都将明显发生改变与之相对应的分子巧达合成与水解速率也将 发生明显改变。利用上述特征可构建一基于FoF.-ATPase的4:物传感器在实私文验过程屮. 我们通过在分子 5达转子上连接A冇特异识別能力的生物分子如申抗、DNA片断等来实现生 物分了检测.同时利用Chromatophore作为原型，在其膜囊泡的外表面标记上pH值敏感的 荧光探计DHPE, 探 测 在 ATP合成与水解情况下质子运转速宇的改变，气荧光探针将Chromatophore内pH值变化高效地转化为荧光强度变换后，尚苽要结合 离效光纤荧光检测系统才能探测到荧光值的快速变化。在此方而，我们研究了纳米锥形光纤 提升检测系统灵敏度的效果。阁2是基于化学腐蚀法制作的纳米锥形光纤图片。随后为了有 效地链接分子马达和光纤端邰，我们对锥形光纟T进行硅烷化处理。后通过蒸镀法将锥形光 纤侧面箱盖一薄金展层（金或者银膜)，仅使纳米尺寸的光纤端部n丨以通光。经过上述一系列处理后，我们将己经链接生物素的分子马达链接至光纤端部。随后采用 ADP试剂启动分子马达，进行相关灵敏度测定的实验。图3是实验结果。从图屮可以 苻到. 虽然缩短光纤端而尺寸会降低检测到的绝对值强度，但同时背景噪声亦大幅度降低，反而有 利于提升灵敏度。与普通的单模光纤和光纤束相比，其灵敏度特性提JI 67倍。221全国光电子与量子电子学技术大会论文集3高 通 量 分 子 马 达 生 物 检 测 系 统 应 用 及 分 析针对高通S尖物检测的要求，我们也提出利用多通道光路选通系统灾现髙通1、岛灵敏 度分了马达光纤牛.物检测。其与单通道式的主要区别在十激发光f先需要通过光选通系统的 选通作用进入待测通道的生物样品。离臾蠊廑 ： VTOS/| llrnlnutosffl.5实验结果-H9N1传染性砀由检测图S是我们研究高通量光纤型分了 马达屮物检测系统应用十大规模传染性病毐H9N1快 速检测的实验结果。表叨:利用光纤型分子马达屮物检测系统，不吋通道|丨以文现快速切換。 此外.利于分了巧达及抗体一抗原的高灵敏度、高特异性快速识别的特点nj以实现高灵敏检 测。4.总 结利用分子马达的快速、高灵敏、及抗体一抗原的高特笄性设别，以及光纤检测系统高灵 敏度特点，我们建立了一以分子马达技木为核心，结合免疫识别、荧光探针标记与检测等技 术的快速光纤牛.物检测技术体系及样机=并且对影响光纤检测系统灵敏度的因岽进行了深入 分析，最后也结合禽流感病海进行了相关实验研究。研究表明该类光纤分了马达检测系统在 快速商灵敏度病毋及小分了物质检测领域具搿重要的应用价值。参 考 文 献 ：1 张晓爱,ATP合成物部分亚基特征研究及其在t物ft感器屮的用，中W科予院 5JI究卞院W上屮位沦文，2009(2 Maria Espinosa Bosch, Antonio Jesus Ruiz Sanchez, Fuensanta Sanchez Rojas, Catalina Bosch Ojeda, Recent Development in Optical Fiber Biosensors Sensors, 7,797-859 ( 2007)3) Liu Xiaolong, Zhang Yun, Yue JiaChang. Jiang PeiDong, Zhang ZhenXi, FOFl-ATPase as biosensor to detect single virus. Biochemical and Biophysical Research Communicatio