新型微悬臂梁阵列免疫传感器研制

随着我国经济高速发展和生活水平迅速提高，食品安全和环境污染已成为社会关注的重大问题。已有检测方法如酶联免疫试剂盒和蛋白芯片，需要对靶标分子做示踪标记，过程繁琐耗时、重复性差、得不到实时原位反应信息。多种农药残留快速并行检测也没有得到解决。检测抗原抗体结合的亲和性（affinity）是筛选高灵敏度探针分子及其修饰方法的新思路。基于力学原理的无标记微梁传感新技术，通过检测微梁表面修饰的探针分子与样品中靶标分子结合时产生表面应力差引起的微梁弯曲变形，可获得高灵敏度实时原位反应信息。通过多年预研，构建了单梁检测平台，以比酶联免疫方法高数倍的灵敏度成功检测了农药残留和重金属离子等多种痕量成分，积累了丰富经验。本项目拟用参考梁消除温漂等背景噪声，研制能并行快速检测多种靶标分子的微梁阵列免疫传感器，开展抗体亲和性研究，揭示其深层的物理力学机制。新型免疫传感器可用于抗体相关的研究和食品安全、环境污染检测。

食品安全是关系广大人民群众身体健康和生命安全的大事。近年来在三聚氰胺等非法食品添加剂、瘦肉精等兽药残留、镉稻等重金属污染事件频发，食品安全问题突出。微悬臂梁生化传感技术无需使用任何放射性、荧光物质和酶作为反应示踪剂，可以实时原位再现抗原抗体反应过程。其原理是当修饰在微悬臂梁的单侧表面探针分子与靶标分子发生反应时，导致梁表面应力变化和弯曲变形。利用光杠杆原理检测微梁的弯曲变形，获得实时原位反应过程信息。.通过本项目的研究，首次对小分子抗原与抗体结合产生的表面应力机理进行了解释。发现导致微梁变形的原因是由于抗体结合抗原后构象发生改变。这种构象的改变表现为抗体的两个Fab段发生偏转。在对这种机理理解的基础上对抗体的固定方法进行了研究。定向固定的抗体除了易于结合抗原外，结合抗原后构象改变引起的应力（或应变）方向也是一样的，从而产生一个更大的合力。碳链长度对应力传递有着重要的影响，长度越短应力传递的效率越高，抗体与微梁之间连接层碳链的长度越短，灵敏度越高。为了进一步减小应力传递的损失以及提高抗原结合位点的密度，提出了抗体片段的方法来修饰微梁，获得了很高的灵敏度。通过项目的研究，先后对环境与食品中一些典型的小分子物质污染物，如兽用激素—瘦肉精、抗生素—氯霉素、重金属-铜离子、农药残留-乙基对硫磷和豆磺隆、霉菌毒素-黄曲霉素、中药成分-青蒿素和人参皂苷等痕量分子成功进行了检测。检测极限达到亚纳克级每毫升。.在阵列仪器研制方面，研制出8通道微悬臂梁免疫传感器1台，可以实时并行检测7种分子。总体上系统响应噪音在1nm以内。在铜离子的检测测试中检测极限小于20ng/mL,且具有较好的一致性和重复性。研制了可以实现对阵列中不同梁进行单独修饰的装置。设计制作出了拥有8根梁的阵列芯片，梁的尺寸和初始弯曲都已达到检测使用的要求。研制出的样机的这些性能使其能够满足对水样和农畜产品中污染物多残留并行、实时、现场检测，为微梁传感技术应用于食品安全和环境污染的监控以及产业化提供了基础。