[发明专利]用于生物分子相互作用实时检测的干涉成像方法及其系统

说明书

技术领域

本发明属于生物技术领域，特别涉及用来实现高通量、高精度、无标记、实时传感蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA、蛋白质-效应物、抗原-抗体、配体-受体、药物-靶等生物分子相互作用的方法及其蛋白质芯片检测系统。

背景技术

生命科学已经进入蛋白质组学研究时代。蛋白质组学是研究一种基因组所表达的全套蛋白质，即包括一种细胞乃至一种生物所表达的全部蛋白质。它必须在大规模水平上才能研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平、翻译后的修饰以及蛋白质与蛋白质的相互作用等；同时，还注重研究参与特定生理或病理状态的所有蛋白质种类及其与周围环境(分子)的关系。人体中，蛋白质不仅数量比基因多，而且具有时空特性比基因复杂，如何检测成千上万种蛋白质间以及蛋白质与其它生物大分子间的相互作用是蛋白质组学所面临的挑战。需要强调，蛋白质组的研究不仅能为透切理解生命活动规律提供理论和实验，也能为众多种疾病机理的阐明及攻克提供理论根据和解决途径。通过对正常个体及病理个体间的蛋白质组比较分析，可以找到某些“疾病特异性的蛋白质分子”，成为新药物设计的分子靶点或为疾病的早期诊断提供分子标志。其实，那些世界范围内销路最好的药物本身就是蛋白质或其作用靶点也为某种蛋白质分子。正因为如此，基因组学的检测技术还不能满足蛋白质组学的要求，蛋白质组学检测技术应具备的特点：一是高通量，一次可以检测几十、几百甚至成千种蛋白质；二是高灵敏度，人体中各种蛋白质的丰度即含量相差达几亿倍，必须高灵敏度才能适应检测低丰度蛋白质的要求；三是实时，有时蛋白质之间的相互作用可能瞬时即逝，必须及时捕足。

基于表面等离子体共振(surface plasmon resonance，简称SPR)的生物传感是一种具有高灵敏度、实时、无标记等特点的光学检测方法，被认为是检测生物分子相互作用的较理想方法。SPR生物传感的检测方法主要有角度扫描、光强检测和相位检测等，其中相位检测的灵敏度较高。在相位检测中，又有外差、马赫-泽德干涉、空间调制与时域调制干涉成像等方法，其中时域调制干涉成像法能实现的检测通量更高。为此，本专利发明人已提出了基于时域相位调制干涉的表面等离子体共振阵列生物传感方法及系统(参见中国专利号ZL200510086332.7)，基本原理如图1所示。光源101发出的平行光透过棱镜102和折射率匹配层103，入射到传感芯片的玻璃基底104和镀在其上的金膜105之间的界面上，金膜的厚度为30-50nm，并从该界面反射。当入射光位于共振角上时，激发金膜表面的等离子体共振，使得从玻璃基底104和金膜105之间的界面上反射的光的相位随金膜表面介质折射率的改变而剧烈变化。反射光透过折射率匹配层103、棱镜102和一维扩束镜106后，射入电光晶体107。电光晶体107由高压调制电源108控制，可以在其上施加5种不同的电压。随之，当光通过电光晶体107后，反射光的P和S偏振分量之间就被附加上对应的5个不同相位差。调制后的光在通过偏振棱镜109时，P偏振光和S偏振光发生干涉，干涉图像经成像透镜110后，成像在CCD 111上。CCD 111上图像的采集与高压调制电源108输出的对应电压同步，高压调制电源108输出5种不同的电压为1个周期，对应采集5帧图像也为1个周期。高压调制电源108可以不断循环输出电压，对应的干涉图像也可以持续循环采集。接着，利用Hariharan算法，对在同一个周期中所采集的相邻的5帧干涉图像进行解算，得到即时反射光的相位变化。理论上，只需一个CCD的像素，利用这种方法就可检测传感芯片上的一个传感点，能实现很高通量的检测。然而，当在电光晶体107上施加高电压时，随之会出现逆压电效应，造成电光晶体的结构发生微尺度的变化，引起光路微小偏移，即光斑位置移动，直接产生测量误差，难以达到高精度的要求。这是电光晶体固有的缺陷，无法弥补。不仅如此，该方法是分时而不是同时采集5帧图像，尽管间隔时间较短，然而也只能算“准实时”，而不是真正意义上的实时。这样，生物反应中的瞬时变化就很难捕捉到，这种变化却很可能是重要的生物信息。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种新的用于生物分子相互作用实时检测的干涉成像方法及系统，能够高通量、高精度、实时、无标记检测蛋白质芯片，获取蛋白质分子之间以及蛋白质与其它生物分子相互作用的信息。