生物芯片（Microarray）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)DNA、蛋白質(zhì)、細(xì)胞等生物樣品的準(zhǔn)確、快速與高通量的檢測(cè)[1～8]。其原理是采用化學(xué)或物理方法，將大量探針固化于支持物的表面，然后根據(jù)生物分子之間的親和作用，如核酸分子的堿基配對(duì)作用，抗原抗體的結(jié)合等進(jìn)行反應(yīng)，再對(duì)反應(yīng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分析，即可得到該樣品的相關(guān)信息。

　　摘要：以光波導(dǎo)（Optical/Lightwaveguide）作為激發(fā)方式，利用共振光散射（Resonancelight-scattering，RLS）原理，研制微陣列生物芯片（Microarray）波導(dǎo)共振光散射掃描裝置。此裝置主要由光源部件、波導(dǎo)激發(fā)部件、光電轉(zhuǎn)換部件、機(jī)械傳動(dòng)部件和上位機(jī)軟件組成。其最小掃描分辨率可達(dá)5μm，最大掃描范圍100mm。通過(guò)使用新的激發(fā)方式，有效提高了RLS的信噪比。使用白光作為激發(fā)光源，降低了設(shè)備的成本。對(duì)金納米粒子標(biāo)記的單糖芯片、DNA芯片和多肽芯片的檢測(cè)結(jié)果表明，此裝置對(duì)溶液中的伴刀豆球蛋白凝集素（ConA）和靶標(biāo)DNA的檢出限分別為1ng/mL和100pmol/L，對(duì)芯片表面固定的多肽的檢出限為100fg，較現(xiàn)有的商品生物芯片掃描儀降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。

　　關(guān)鍵詞：生物芯片,波導(dǎo)激發(fā),共振光散射,金納米粒子

　　1引言

　　隨著生物芯片的發(fā)展，對(duì)生物芯片檢測(cè)技術(shù)也提出了更高要求。目前，生物芯片主要采用熒光檢測(cè)方式[9～14]，熒光檢測(cè)系統(tǒng)存在一些不足，如（1）熒光分子本身亮度有限，容易發(fā)生光淬滅和光漂白現(xiàn)象；（2）熒光掃描的背景噪音較高；（3）熒光生物芯片檢測(cè)系統(tǒng)通常使用單色激光作為激發(fā)光源并采用共聚焦的激發(fā)方式，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，檢測(cè)成本高。因此研發(fā)具有高靈敏度、高分辨率、低成本的非熒光染料標(biāo)記的生物芯片檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)發(fā)展生物芯片技術(shù)具有重要意義。

　　以納米粒子為標(biāo)記物的共振光散射（Resonancelight-scattering，RLS）檢測(cè)法被認(rèn)為能夠極大地提高生物芯片的檢測(cè)靈敏度[15～18]。直接表面激發(fā)是RLS最簡(jiǎn)單的直接激發(fā)方式，但在這種激發(fā)方式下，背景噪聲隨著激發(fā)光強(qiáng)度的增加而增大。如何有效降低背景噪聲，并最大限度激發(fā)產(chǎn)生共振光散射，成為研發(fā)該類生物芯片檢測(cè)裝置的一個(gè)難題。光波導(dǎo)（Optical/Lightwaveguide）是一種用于光波傳輸?shù)难b置，其傳輸原理是在不同折射率的介質(zhì)間，由于光的全反射現(xiàn)象使光波局限在波導(dǎo)及其周圍有限區(qū)域內(nèi)傳播。為了解決RLS直接表面激發(fā)造成背景噪聲過(guò)高的問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了一種使用光波導(dǎo)作為激發(fā)方式的RLS掃描裝置（RLSscanner）。此裝置利用生物芯片基底作為光波導(dǎo)介質(zhì)，激發(fā)位于生物芯片基底表面的金屬納米粒子，這一激發(fā)方式能夠有效去除激發(fā)光干擾并最大限度地利用激發(fā)光能量。因此，RLSscanner具有背景噪聲低，檢測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。RLSScanner對(duì)金納米粒子標(biāo)記的單糖芯片、DNA芯片和多肽芯片的檢測(cè)靈敏度均高于現(xiàn)有的商品生物芯片掃描儀，具有良好的應(yīng)用及推廣價(jià)值。

　　2實(shí)驗(yàn)部分

　　2.1儀器與試劑

　　ZKF035電熱真空干燥箱（上海實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）；HPC-250CL恒溫恒濕箱（上海申賢恒溫設(shè)備廠）；TH2-300恒溫培養(yǎng)搖床（北京桑翌科技發(fā)展有限公司）；PHS-3BWpH計(jì)（上海理達(dá)儀器廠）；5415R型高速離心機(jī)（德國(guó)Eppendorf公司）；PMC082芯片離心機(jī)（美國(guó)ChipMate公司）；SpotWareTM芯片掃描系統(tǒng)（美國(guó)Arrayit公司）；晶芯SmartArrayerTM48微陣列芯片點(diǎn)樣系統(tǒng)、晶芯LuxScanTM10K微陣列芯片掃描儀（北京博奧生物有限公司）；NRT100電動(dòng)位移導(dǎo)軌、DCC1240C相機(jī)（美國(guó)Thorlabs公司）。

　　4-氨基苯基-α-D-甘露吡喃糖（4-Aminophenylα-D-mannopyranoside，Man-α）、伴刀豆球蛋白凝集素（Biotin-ConA）、銀增強(qiáng)溶液（Sliverenhancer），購(gòu)自美國(guó)Sigma-Aldrich公司；熒光素標(biāo)記的親和素（Avidin，fluoresceinconjugate，美國(guó)Invitrogen公司）；DNA寡聚物（5′-TAACAATAATCC-NH2-3′，5′-GGATTATTGTTAAATATTGATAAGGAT-3′，5′-HO（CH2）6-S-S-（CH2）6-T10ATCCTTATCAATATT-3′，上海生工生物工程有限公司）；多肽（CALNNGK（biotin）G，北京中科亞光生物技術(shù)有限公司）；牛血清蛋白（BSA，北京鼎國(guó)生物有限公司）；光學(xué)級(jí)三維高分子D基片（北京博奧生物有限公司）；其它試劑均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭�，�?shí)驗(yàn)用水為Milli-Q超純水（18.2MΩcm）。

　　2.3軟件設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)軟件的主要功能包括：CCD圖像采集、CCD曝光及增益控制、多軸電動(dòng)導(dǎo)軌控制、數(shù)據(jù)提取，陣列ROI（Regionofinterest，ROI）數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。圖像采集區(qū)域負(fù)責(zé)預(yù)覽生物芯片掃描信息，對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行精度更高的掃描定位；掃描控制區(qū)域涵蓋了復(fù)位、預(yù)掃描、精確定位和獲取圖像等主要控制功能；相機(jī)控制區(qū)域的主要功能是控制相機(jī)的曝光時(shí)間以及相機(jī)的增益補(bǔ)償；導(dǎo)軌控制區(qū)域提供對(duì)導(dǎo)軌的實(shí)時(shí)控制功能，電動(dòng)導(dǎo)軌除具有自動(dòng)掃描功能外，還可以根據(jù)用戶的指令進(jìn)行移動(dòng)。

　　4結(jié)論

　　本實(shí)驗(yàn)研制了一種新型生物芯片波導(dǎo)共振光散射掃描裝置。對(duì)金納米粒子標(biāo)記的單糖芯片、DNA芯片和多肽芯片的檢測(cè)結(jié)果表明，此檢測(cè)裝置對(duì)溶液中的反應(yīng)物（Biotin-ConA和靶標(biāo)DNA）和芯片表面固定的化合物（CALNNGK（biotin）G）的檢出限比商品化同類生物芯片掃描儀降低1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，且背景噪聲低，靈敏度高。另外，與常規(guī)熒光激光共聚焦掃描儀相比，此裝置使用白光作為激發(fā)光源具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此具有較佳的應(yīng)用及推廣價(jià)值。

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