高分辨高通量表征生物芯片的表面等离子体共振成像技术研究

This project aims at solving the problem of high resolution and high throughput in the biochemical analysis by using surface plasmon resonance imaging (SPRI) based on digital holography. In order to achieve high throughput analysis, it is necessary to solve the problem of narrow detection range in the biochemical analysis based on SPRI at present. In this project, an imaging method with simultaneous amplitude-contrast and phase-contrast based on digital holography and surface plasmon resonance is presented. The objective is to broaden the detection range of refractive index of high sensitivity by means of simultaneous amplitude and phase information. As such, the throughput number of analysis improves consequently. Moreover, the resolution of the image will also be improved with the use of a high numerical aperture objective lens in digital holography. The research covers from the establishment of the theoretical model of characterizing the biomolecule interaction by use of obtaining simultaneously amplitude and phase information, SPRI technique for obtaining simultaneously amplitude image and phase image, to applied research of high resolution and high throughput biochemistry analyses. The innovations of this project are a new SPR imaging technology of obtaining simultaneously amplitude-contrast and phase-contrast image presented, characterization of the biochips using simultaneous amplitude and phase information proposed for the first time, and a method of high resolution and high throughput analyses for biochips.

针对亟待解决的生物芯片高分辨和高通量分析问题，开展基于数字全息技术的表面等离子体共振成像用于生物芯片高分辨和高通量分析技术研究。为了实现高通量分析，必须解决目前表面等离子体共振成像生化分析技术的探测范围窄等问题，本项目提出一种基于数字全息术的表面等离子体共振成像技术，同时获取相位和强度信息，以期待拓宽高灵敏度下的折射率探测范围，从而提高分析的通量数；为了实现高分辨分析，在数字全息技术的基础上，引入高数值孔径显微物镜，使图像的分辨率提高。研究内容包括：同时利用相位信息和强度信息表征生物芯片的理论模型的建立；同时获取相位和强度图像的表面等离子体共振成像技术研究；高分辨、高通量生化分析应用研究。本项目的创新：发展一种同时获取相位和强度图像的新型表面等离子体共振成像技术，首次提出同时利用相位和强度信息来表征生物芯片的特性，建立高分辨高通量的表面等离子体共振成像生物芯片表征方法。

针对亟待解决的生物芯片高分辨和高通量分析问题，开展了基于数字全息技术的表面等离子体共振成像（SPRI）用于生物芯片高分辨和高通量分析技术研究。为了实现高通量分析，必须解决目前表面等离子体共振成像生化分析技术的探测范围窄等问题，本项目提出一种基于数字全息术的同时获取强度图像和相位图像的SPRI技术，同时获取相位和强度信息，以期待拓宽高灵敏度下的折射率探测范围，从而提高分析的通量数。研究内容包括：建立了同时利用相位信息和强度信息表征生物芯片的理论模型，建立了同时获取相位图像和强度图像的SPRI理论模型及计算机模型。自行组装了基于数字全息的SPRI装置，为检测装的可行性，完成了水滴蒸发实验，结果表明，水滴蒸发时相位与强度所发生的变化与计算机模型相适应。利用自组装的SPRI装置检测了生物分子间的相互作用，成功检测了不同分子质量桃胶多糖（PGP-1、PGP-2）与半乳糖凝集素-3（Gal-3）的相互作用，分析动力学反应过程，建立标准曲线，实验结果表明，两种不同分子量的桃胶寡聚糖可以与Gal-3直接结合，在分子水平上初步阐明了该桃胶寡聚糖产品能够作为Gal-3的清除剂，具有抗肿瘤、抗炎症、治疗糖尿病的作用，为桃胶在开发治疗肿瘤药物方面的研究提供实验数据；成功检测了酸性成纤维细胞生长因子aFGF抗原抗体的免疫反应，通过此检测系统可以直观的看到aFGF抗原抗体是否发生免疫反应，在无需对样品进行标记的情况下，实时监测其免疫反应过程。成功检测了胰高血糖素样肽-1衍生物（6KTP）与猴白蛋白和小鼠白蛋白的相互作用过程，在同一生物芯片上，给出了不同浓度下的反应行为曲线。实验结果表明，不同浓度的白蛋白可直接结合6KTP，为治疗2型糖尿病药物的研究奠定了基础。综上，本项目提出的实验装置和方法简单可行，无需标记、操作简单，适合同时对同一样品不同浓度的检测分析，适用于基础研究与大量样品的筛选与对比，大大缩短了检测时间，降低成本，所需样品量少，在高通量生物分子反应检测中具有良好的应用前景。