高通量生物分子點陣定量檢測儀-KQ-100DE使用

近年來隨著掃描儀、手機和光盤光驅(qū)等消費類 電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，這些電子產(chǎn)品具有的先進(jìn)的 光電傳感、圖像捕獲、大容量數(shù)據(jù)存儲以及處理等核 心技術(shù)引起了科研人員的廣泛關(guān)注，許多科技工作 者致力于將這些技術(shù)與傳統(tǒng)的生化反應(yīng)結(jié)合用于開發(fā)可現(xiàn)場快速檢測的新型分析工具。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

Genpure UV 超純水系統(tǒng)( 美國賽默飛世爾公 司) ，CP224C 電子天平( 美國奧豪斯公司) ，PipetLife XLS 手動單道移液槍( 美國梅特勒托利多公 司) ，PSD-UV 紫外臭氧清洗機( 美國 Novascan Technologies 公司) ，KQ－100DE 數(shù)控超聲波清洗器( 中國江蘇省昆山市超聲儀器有限公司) ，25 GB BD－Ｒ 標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)光光盤( 日本威寶公司) ，PX－LB950UE 藍(lán)光 光驅(qū)( 日本浦科特公司) ，Epson L810 噴墨打印機 ( 日本愛普生公司) ，PCI8514 數(shù)據(jù)采集卡( 中國北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司) ，NEKCO17 便攜式工 控機( 中國北京瑞普天潤技術(shù)有限公司) 。 EDC ( ＞ 98%) 、NHS ( ≥ 97． 0%) 、MES ( ≥ 99．0%) 、吐溫 20、明膠 ( Gelation) 、檸檬酸 ( ≥99． 5%，ACS) ( 美國 Sigma-Aldrich 公司) ; 氯化鈉( ≥ 99．5%，分子生物學(xué)級) 、磷酸氫二鈉( ≥99．5%，分子 生物學(xué)級) 、磷酸二氫鈉( ≥99%，分子生物學(xué)級) 、 牛血清白蛋白( 分子生物學(xué)級) 、氫氧化鈉( 97%， ACS) ( 美國 Aladdin 公司) ; 疊氮化鈉( ≥99．8%，北 京索萊寶科技有限公司) ; 硝酸銀( ≥99．8%) 、對苯 二酚( ≥99．0%) 均為分析純( 天津科密歐化學(xué)試劑 有限公司) ; 氨基修飾的生物素 ( Amine － PEG2 － biotin，美國 Thermo Scientific 公司) ; 納米金－鏈霉親 和素結(jié)合物 ( Nanogold-streptavidin conjugate，美 國 Nanoprobes 公司) 。實驗用水為去離子水( 電阻率 18．20 MΩ·cm) 。

1．2 實驗方法

1．2．1 藍(lán)光光盤掃描成像技術(shù)

使用光驅(qū)在以螺旋線掃描光盤的過程中，光盤 表面的生物點陣會對光驅(qū)內(nèi)部的激光束造成干擾，從而使得光學(xué)頭中光電探測器接收到光強值降低。 結(jié)合這一特點，在 Windows 環(huán)境下利用 LabVIEW 和 MATLAB 軟件，研發(fā)出了藍(lán)光光盤掃描成像技術(shù)。 在藍(lán)光光盤掃描成像技術(shù)中，包括以下 4 部分:
①數(shù) 據(jù)采集: 利用數(shù)據(jù)采集卡以 2 MHz 采樣頻率和 65 536 采樣點數(shù)實現(xiàn)對光盤掃描整個過程中光強信號 的采集;
②數(shù)據(jù)處理: 生物光盤掃描以螺旋線方式進(jìn) 行，光盤表面金屬彩色筆標(biāo)記的觸發(fā)條帶在掃描過 程中形成觸發(fā)信號，當(dāng)單次采集包含多圈采集數(shù)據(jù) 時會出現(xiàn)周期信號，每個周期信號就是光盤掃描一 圈得到的一維光強信號，將周期信號的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾 波提高信噪比，從周期信號中的觸發(fā)信號處進(jìn)行特 征截取，將光盤掃描過程中從內(nèi)到外得到的一維光 強信號數(shù)據(jù)從上到下依次排列可得到二維數(shù)組，最 后二維數(shù)組實現(xiàn)從直角坐標(biāo)到極坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，使得 成像結(jié)果與實際光盤的生物點陣一一對應(yīng);
③圖像 生成: 二維數(shù)組坐標(biāo)系變換處理后，通過自主開發(fā)的 藍(lán)光光盤掃描成像系統(tǒng)調(diào)用編寫的 MATLAB 圖像 處理程序?qū)崿F(xiàn)成像，可以得到生物光盤的偽色彩圖 和灰度圖像;
④像素值提取: 將灰度圖像二值化后， 利用二值圖像的連通性實現(xiàn)對陣列中像素值的提 取，結(jié)合像素值大小與樣品濃度之間的關(guān)系就可以 得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1．2．2 噴墨點陣的制備與讀取

利用噴墨打印機配套的軟件 Epson Print CD 設(shè) 計好噴墨點陣，然后將經(jīng)過紫外/臭氧處理后的空白 藍(lán)光光盤固定在打印機自帶的前置托盤中，通過打 印軟件驅(qū)動將設(shè)計好的點陣打印在光盤的聚碳酸酯 表面。本文中設(shè)計了兩種點陣: 一種是面積一定、灰 度不同的點陣; 另一種是灰度一定、面積不同的點 陣。利用浦科特光驅(qū)及其配套的光盤質(zhì)量診斷軟件 PlexUTILITIES( v1． 3． 3，http: / /plextoramericas． com) 以 6X 的速度實現(xiàn)對噴墨點陣光盤的掃描，同時利 用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)對光驅(qū)內(nèi)部光電探測器中光強信 號的采集。

2 結(jié)果與討論

基于藍(lán)光光盤掃描成像技術(shù)能夠準(zhǔn)確分辨出的點陣的尺寸和灰度值是決定檢測通量的關(guān)鍵技術(shù)指 標(biāo)。作為驗證性實驗設(shè)計了不同大小，不同灰度值 的點陣，對 BD 光盤陣列進(jìn)行掃描成像后，對點陣進(jìn) 行量化分析。生物素－鏈霉親和素反應(yīng)是一種新型的生物反 應(yīng)放大系統(tǒng)，親和素也叫抗生物素蛋白，它與生物素 間的作用是目前已知強度最高的非共價作用，親和 常數(shù)( K) 為 1015 mol·L－1 ，比抗原與抗體間的親和力 ( K = 105 ～ 1011 mol /L) 至少高 1 萬倍，所以生物素－ 鏈霉親和素反應(yīng)經(jīng)常用于生物反應(yīng)體系中作為定量 檢測的模型工具。

3 結(jié)論

提出了基于藍(lán)光光盤掃描成像技術(shù)的生物 分子定量檢測的方案，通過對光盤表面噴墨點陣進(jìn) 行分析，表明藍(lán)光光盤掃描成像技術(shù)可以檢測到直 徑最小為 100 μm 的點，且可以全光盤成像，具有高 通量的優(yōu)勢; 通過對生物素－鏈霉親和素反應(yīng)的定 量檢測，得到不同濃度的生物反應(yīng)與像素值之間良 好的關(guān)系曲線。在之后的工作中可以利用微接觸打 印技術(shù)或者生物點樣儀進(jìn)行自動加樣，解決手動加 樣繁瑣等問題，同時結(jié)合抗原抗體的特異性反應(yīng)，實 現(xiàn)光盤表面生物點陣的制備，充分發(fā)揮藍(lán)光光盤掃描成像技術(shù)的檢測優(yōu)勢。此外，除了生物素－鏈霉 親和素反應(yīng)，還可以在光盤表面進(jìn)行雙抗體夾心結(jié) 構(gòu)、間接競爭結(jié)構(gòu)等更為復(fù)雜的反應(yīng)體系，使得藍(lán)光 光盤成像技術(shù)定量檢測方法可以應(yīng)用在水質(zhì)檢測、 環(huán)境保護(hù)、食品安全和醫(yī)療診斷等眾多領(lǐng)域。