基于SPR干涉成像的生物分子相互作用检测方法

ISSN1000 0054

CN11 2223/N清华大学学报(自然科学版)2011年第51卷第5期JTsinghuaUniv(Sci&Tech),2011,Vol.51,No.58/31612 616

基于SPR干涉成像的生物分子相互作用检测方法

王大千, 丁丽丽, 张 玮, 邓 焱, 章恩耀, 余兴龙

(清华大学精密仪器与机械学系,精密测试技术及仪器国家重点实验室,北京100084)

摘 要:蛋白质组学研究和药物开发迫切需要高通量、高精度、无标记且实时检测技术。该文提出了一种基于干涉成像的表面等离子共振(SPR)生物分子相互作用检测方法,在入射光的p和s偏振分量之间分别附加90 和-90 位相差,采集对应的干涉图像,并利用所采集的2帧图像,计算出反映传感面折射率分布的信号。循环采集能够实时获得生物反应进行时传感表面发生的折射率分布变化。这种方法在克服光源非均匀性影响的同时,还抑制了光强漂移引起的测量误差,达到了高精度。实验结果表明:干涉成像的图像一致性好,系统的折射率分辨率达到了2 10-6RIU(refractiveindexunit),动态检测区间大于0.005RIU。在此基础上,检测了兔IgG和羊抗兔IgG的相互作用,结果表明表面等离子体共振干涉成像系统适于高通量检测,完善后有可能成为一种蛋白质组学研究和药物开发的强有力工具。

关键词:生物分子相互作用检测;表面等离子体共振;高通

量;干涉成像

中图分类号:R197.39

文章编号:1000 0054(2011)05 0612 05

文献标志码:A

consistentwitharefractiveindexresolutionofabout2 10-6RIU(refractiveindexunit)andadynamicrangeofover0.005RIU.

RabbitIgGandgoat anti rabbitIgGinteractiondetectionexperimentsdemonstratethatthismethodissuitableforhigh throughputdetection.

Keywords:biomolecularinteractiondetection;surfaceplasmon

resonance(SPR);high throughput;interferometricimaging

生命科学研究已经进入蛋白质组学时代。与基

因组学相比,蛋白质不仅数量更多,而且具有时空特性;还要求同时获得一个细胞、一种组织乃至一个生物体中所有蛋白质的表达谱。显然,现有的基因芯片检测技术不能完全满足要求,迫切需要开发新的高通量、高精度、实时且无标记的检测方法。表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance,SPR)传感具有高精度、实时及无标记等优点,已用于生物分子相互作用的检测[2],其中高通量检测技术被认为有可能成为蛋白质组学研究的强有力工具[3]。因此,基于SPR传感的阵列检测已成为研究的热点。SPR传感阵列检测主要有光强成像法和相位检测法。氦氖、半导体激光器或LED所发出光的强度分布都是不均匀的,尽管采取各种方法进行准直,也不能使光斑的光强分布完全一致,需要在光强成像法中采取背景校正来改善成像检测的一致性。即使如此,一致性问题仍然存在,且检测信号易受光强漂移影响[4 5]。在相位阵列检测中,剪切干涉[6]、Mach Zehnder干涉和空间调制等都无法实现完全共光路,难以达到高精度。完全共光路的移相检测法[9]能够以较高的精度传感相位分布信息,然而需要连续采集5帧干涉图像才能计算得到1帧相位分布图,不仅效率较低,而且影响检测的实时性。

收稿日期:2010 07 01

基金项目:国家自然科学基金资助项目(30727001)作者简介:王大千(1985 ),男(汉),山东,博士研究生。:,,E mail:http://doc.guandang.net

[7]

[8][1]

Biomolecularinteractiondetectionbasedon

SPRinterferometricimaging

WANGDaqian,DINGLili,ZHANGWei,DENGYan,

ZHANGEnyao,YUXinglong

(StateKeyLaboratoryofPrecisionMeasurementTechnologyandInstruments,DepartmentofPrecisionInstrumentsandMechanology,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Proteomicsresearchandmedicaldevelopmentrequirehigh throughput,sensitive,label freeandrealtimedetectiontechniques.Abiomolecularinteractiondetectionmethodwasdevelopedbasedonsurfaceplasmonresonance(SPR)interferometricimaging.Phasedifferencesof90 or-90 wereaddedbetweenthep ands polarizedcomponentsoftheincidentlighttoacquiretwointerferometricimages.Thesignaldistributionwhichgivestherefractiveindexdistributioncanbecalculatedfromthetwointerferometricimages.Theprocessisrepeatedtomeasurevariationsoftherefractiveindexofbiomolecularinteractionsensingspotswithtime.Thismethodisnotaffectedbynon uniformlightdistributionsandpowerdriftandisverysensitive.Experimentsd

针对上述不足,本文提出了一种基于SPR干涉成像的生物分子相互作用阵列检测方法。这种方法既保留了移相检测法能实现高通量的优点,又有独特之处:利用发生SPR时反射光的光强和相位随传感层折射率变化的特点,在入射光的p和s偏振分量之间分别附加90 和-90 的位相差,采集对应的干涉图像,并利用这2幅图像,计算出与绝对光强分布无关的能反映折射率分布的信号。这样,在克服光源非均匀性影响的同时,还抑制了光强漂移引起的测量误差。

根据式(1),分别采集对应附加相位差的干涉图像,得到I1(附加90 相位差的干涉光强)和I-1(附加-90 相位差的干涉光强),可得到反映传感面折射率分布的信号

1-1

A=.(2)

I1+I-1

测量过程中,交替采集I1和I-1,利用相邻的2

帧图像计算,得到随时间变化的反映折射率分布的信号A。采集相邻2帧图像的时间间隔很短,可认为两者的入射光强一致,得到:

2rsrpsin cos sin cos cos( s- p+ /2)A=.rscos2 cos2 +rpsin2 sin2

(3)

根据Fresnel公式,利用三层模型,可以计算出rs、rp、 s、 p随折射率n变化的关系,即得到A随n变化的关系,如图1所示。从图1中可看出,在一定区间内A和折射率存在线性关系,因此A能反映折射率的变化,且线性区间的位置随入射角不同而改变。式(3)中不包含光强,由此可得出:A的大小与绝对光强分布无关,只与反射光的2个分量的反射系数和相位变化有关,反射系数和相位由折射率决定。这样,既可以抑制长时间测量时光强漂移引起的误差,又能克服光强分布不均匀造成的阵列测量不一致性。若连续采集了N帧图像,则可以计

[10]

1 干涉成像理论与仿真

以光的传播方向为z轴建立坐标系;y轴平行于光入射到金膜表面时的入射面,即平行于激发SPR的p偏振分量;x轴垂直于入射面,即平行于激发SPR的s偏振分量。线偏振入射光的Jones矩阵表达式为

Ji=Ei

cossin.

其中:Ei为入射光波的振幅, 为入射光波偏振方向与x轴的夹角。由电光晶体在入射光的p偏振分量和s偏振分量间附加90 或-90 的相位差,则电光晶体的Jones矩阵可以写成

Joc=

10

0e2

ii 或 Joc=

e00

.

算出N-1张A分布图,效率较高。

在激发SPR后,反射光的反射率和相位都发生变化,SPR对反射光影响的Jones矩阵应写成

J

SPR

=

rse

i

s

0rpe

i

p

.

其中:rs和rp分别为发生SPR时s和p偏振分量的反射系数, s和 p分别为发生SPR时s和p偏振分量的相位延迟。反射光经过检偏器后,p偏振分量和s偏振分量发生干涉,射出光的琼斯矩阵表达式为

Jo=

cos2 sin cos

sin cossin

2

图1 A随n变化曲线< …… 此处隐藏：8674字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……