高通量生物分子点阵定量检测仪-KQ-100DE使用

近年来随着扫描仪、手机和光盘光驱等消费类 电子产品的快速发展，这些电子产品具有的先进的 光电传感、图像捕获、大容量数据存储以及处理等核 心技术引起了科研人员的广泛关注，许多科技工作 者致力于将这些技术与传统的生化反应结合用于开发可现场快速检测的新型分析工具。

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

Genpure UV 超纯水系统( 美国赛默飞世尔公 司) ，CP224C 电子天平( 美国奥豪斯公司) ，PipetLife XLS 手动单道移液枪( 美国梅特勒托利多公 司) ，PSD-UV 紫外臭氧清洗机( 美国 Novascan Technologies 公司) ，KQ－100DE 数控超声波清洗器( 中国江苏省昆山市超声仪器有限公司) ，25 GB BD－Ｒ 标准蓝光光盘( 日本威宝公司) ，PX－LB950UE 蓝光 光驱( 日本浦科特公司) ，Epson L810 喷墨打印机 ( 日本爱普生公司) ，PCI8514 数据采集卡( 中国北京阿尔泰科技发展有限公司) ，NEKCO17 便携式工 控机( 中国北京瑞普天润技术有限公司) 。 EDC ( ＞ 98%) 、NHS ( ≥ 97． 0%) 、MES ( ≥ 99．0%) 、吐温 20、明胶 ( Gelation) 、柠檬酸 ( ≥99． 5%，ACS) ( 美国 Sigma-Aldrich 公司) ; 氯化钠( ≥ 99．5%，分子生物学级) 、磷酸氢二钠( ≥99．5%，分子 生物学级) 、磷酸二氢钠( ≥99%，分子生物学级) 、 牛血清白蛋白( 分子生物学级) 、氢氧化钠( 97%， ACS) ( 美国 Aladdin 公司) ; 叠氮化钠( ≥99．8%，北 京索莱宝科技有限公司) ; 硝酸银( ≥99．8%) 、对苯 二酚( ≥99．0%) 均为分析纯( 天津科密欧化学试剂 有限公司) ; 氨基修饰的生物素 ( Amine － PEG2 － biotin，美国 Thermo Scientific 公司) ; 纳米金－链霉亲 和素结合物 ( Nanogold-streptavidin conjugate，美 国 Nanoprobes 公司) 。实验用水为去离子水( 电阻率 18．20 MΩ·cm) 。

1．2 实验方法

1．2．1 蓝光光盘扫描成像技术

使用光驱在以螺旋线扫描光盘的过程中，光盘 表面的生物点阵会对光驱内部的激光束造成干扰，从而使得光学头中光电探测器接收到光强值降低。 结合这一特点，在 Windows 环境下利用 LabVIEW 和 MATLAB 软件，研发出了蓝光光盘扫描成像技术。 在蓝光光盘扫描成像技术中，包括以下 4 部分:
①数 据采集: 利用数据采集卡以 2 MHz 采样频率和 65 536 采样点数实现对光盘扫描整个过程中光强信号 的采集;
②数据处理: 生物光盘扫描以螺旋线方式进 行，光盘表面金属彩色笔标记的触发条带在扫描过 程中形成触发信号，当单次采集包含多圈采集数据 时会出现周期信号，每个周期信号就是光盘扫描一 圈得到的一维光强信号，将周期信号的数据经过滤 波提高信噪比，从周期信号中的触发信号处进行特 征截取，将光盘扫描过程中从内到外得到的一维光 强信号数据从上到下依次排列可得到二维数组，最 后二维数组实现从直角坐标到极坐标系转换，使得 成像结果与实际光盘的生物点阵一一对应;
③图像 生成: 二维数组坐标系变换处理后，通过自主开发的 蓝光光盘扫描成像系统调用编写的 MATLAB 图像 处理程序实现成像，可以得到生物光盘的伪色彩图 和灰度图像;
④像素值提取: 将灰度图像二值化后， 利用二值图像的连通性实现对阵列中像素值的提 取，结合像素值大小与样品浓度之间的关系就可以 得到标准曲线。

1．2．2 喷墨点阵的制备与读取

利用喷墨打印机配套的软件 Epson Print CD 设 计好喷墨点阵，然后将经过紫外/臭氧处理后的空白 蓝光光盘固定在打印机自带的前置托盘中，通过打 印软件驱动将设计好的点阵打印在光盘的聚碳酸酯 表面。本文中设计了两种点阵: 一种是面积一定、灰 度不同的点阵; 另一种是灰度一定、面积不同的点 阵。利用浦科特光驱及其配套的光盘质量诊断软件 PlexUTILITIES( v1． 3． 3，http: / /plextoramericas． com) 以 6X 的速度实现对喷墨点阵光盘的扫描，同时利 用数据采集卡实现对光驱内部光电探测器中光强信 号的采集。

2 结果与讨论

基于蓝光光盘扫描成像技术能够准确分辨出的点阵的尺寸和灰度值是决定检测通量的关键技术指 标。作为验证性实验设计了不同大小，不同灰度值 的点阵，对 BD 光盘阵列进行扫描成像后，对点阵进 行量化分析。生物素－链霉亲和素反应是一种新型的生物反 应放大系统，亲和素也叫抗生物素蛋白，它与生物素 间的作用是目前已知强度最高的非共价作用，亲和 常数( K) 为 1015 mol·L－1 ，比抗原与抗体间的亲和力 ( K = 105 ～ 1011 mol /L) 至少高 1 万倍，所以生物素－ 链霉亲和素反应经常用于生物反应体系中作为定量 检测的模型工具。

3 结论

提出了基于蓝光光盘扫描成像技术的生物 分子定量检测的方案，通过对光盘表面喷墨点阵进 行分析，表明蓝光光盘扫描成像技术可以检测到直 径最小为 100 μm 的点，且可以全光盘成像，具有高 通量的优势; 通过对生物素－链霉亲和素反应的定 量检测，得到不同浓度的生物反应与像素值之间良 好的关系曲线。在之后的工作中可以利用微接触打 印技术或者生物点样仪进行自动加样，解决手动加 样繁琐等问题，同时结合抗原抗体的特异性反应，实 现光盘表面生物点阵的制备，充分发挥蓝光光盘扫描成像技术的检测优势。此外，除了生物素－链霉 亲和素反应，还可以在光盘表面进行双抗体夹心结 构、间接竞争结构等更为复杂的反应体系，使得蓝光 光盘成像技术定量检测方法可以应用在水质检测、 环境保护、食品安全和医疗诊断等众多领域。