无标记高通量生物检测技术中的关键问题研究

The project is to develop a high throughput and label free bio-sensing method by combining super-spectral imaging method with surface plasmon resonance biosensor technology.The achievement will result in a new type of label free biochip technology which has a high sensitivity whithout any labels, such as fluorescent dye and radioactive materials. The research will concern with two aspects: 1) To build up a spectral SPR imaging system including hardwere construction and softwere coding. To extract the SPR resonance spectral from the array chip in parallel by using a super-spextral imaging method. To characterize the specific bindings of biomolecules on dots of the array using the resonance wavelength shift of the SPR absortion spectral. 2) To enhance the sensitivity of SPR measurement by utilizing the high optical refractive index feature of some matal oxide nano-materials，such as TiO2 and BaTiO2 . For this purpose, proper crosslinker molecules should be assembled on the surfaces of the nano-powders to immobilize the bio-probes such as antibody proteins or DNA molecules on the surfaces. The behaviors of crossinker molecules and bio-probe molecules on such nano-powders must be thoroughly investigated. For instance, it is necessary to investigate the binding strength、spatial configuration、and bio-activity of the bio-molecules on surfaces of the nano-powders. It should be pursued at last that the immobilized bio-probe molecules should maintain their natural configuration and have certain space freedom so as to attend bio-reaction with the biochip.Based on the above investegations the sensitivity whould be greatly enhanced for all present plasmon resonance biosensors,including the developed biochip.

课题拟将高分辨率光谱成像技术与表面等离子体共振（SPR）生物传感器原理相结合，探索一种高通量、无标记生物检测新方法，为产生一种新型无标记、高灵敏度生物芯片技术奠定基础。具体包括：1）运用高分辨率光谱成像技术提取SPR生物芯片的图像中各点阵的光谱信息，同步、并行地获得点阵金膜的每一个点的SPR吸收光谱曲线。由此得到不同的目标生物分子结合在芯片各个点阵表面时，其SPR共振波长的变化。通过测量共振波长的变化，实现对大量生物样品的并行、无标记检测。2）在高折射率的金属氧化物纳米微粒表面固定生物探针分子，阐明该微粒表面与生物分子相互作用微观机理,如生物分子在微粒表面偶联的空间排列构型、以及生物反应活性等，使生物探针分子在纳米微粒表面能够保持自然形态及一定的空间摆动自由度。利用这种生物功能化的高折射率微粒获得高的SPR信号增强能力，发展出高灵敏SPR生物传感器，实现微量分子的高通量检测。

表面等离子体共振（SPR）生物传感器是一种重要的生物反应实时监测技术，它具有诸多优点：无需任何标记（无需荧光标记，酶标记或放射性标记），无需第二抗体，无需提纯样品。其另一重要特点是，它可实时监测生物反应，研究生物反应的动力学过程。由于上述这些优点，SPR生物传感器已广泛应用于疾病诊断、药物筛选、食物安全检测、环境监控等领域。然而，目前的SPR技术也存在如下不足：（1）每次只能检测一个样品，所以检测效率较低，不能实现高通量检测。虽然出现了基于SPR成像原理的多样品检测系统，但其灵敏度较低。（2）SPR生物传感器的另一缺陷是对于较小的分子和微量分子难以直接检测。针对上述不足，本课题将高分辨率光谱成像原理与表面等离子体共振（SPR）生物传感器技术相结合，探索了一种高通量、无标记生物检测新方法，为产生一种新型无标记、高灵敏度生物芯片技术奠定了基础。具体包括：1）建立了光谱成像SPR多样品并行检测系统，运用高分辨率光谱成像技术提取SPR生物芯片的图像中各点阵的光谱信息，同步、并行地获得点阵金膜的每一个点的SPR吸收光谱曲线。由此得到不同的目标生物分子结合在芯片各个点阵表面时，其SPR共振波长的变化。通过测量共振波长的变化，实现了对多个生物样品同时进行并行、无标记检测。2）探索了具有高的光学折射率的金属氧化物纳米微粒对表面等离子体共振吸收增强效应，在微粒表面固定抗体、抗原等生物探针分子，利用这种生物功能化的高折射率微粒获得了高的SPR信号增强能力。如果进一步消除微粒子在金膜点阵表面的非特异性吸附，则有可能发展出高灵敏SPR生物传感器，实现微量分子的高通量检测。获得国家发明专利2项，另有两项已申请国家发明专利，正在审查期。发表国际刊物论文和国际会议论文7篇，另有两篇国际论文正在审稿期。