水通道尿蛋白光学免标记特异性检测装置及方法与流程

本发明涉及一种光学免标记特异性检测装置及方法，尤其是一种水通道尿蛋白光学免标记特异性检测装置及方法，属于生物医学光传感技术设计领域。

背景技术：

水是生命之源，在人体细胞中水的比例约占总质量的70％，大多数与生命活动相关的生化反应都是在水环境中进行的。因此，许多疾病的发生与人体水液平衡的破坏密切相关。肾脏作为人体主要的水液代谢器官，通过尿液的生成与排泄调节人体内水和电解质平衡，调节体液渗透压、体液量和电解质浓度。水通道蛋白(Aquaporins，AQPs)是水分子通过生物膜脂质双分子层的一种膜蛋白，几乎分布于所有活体器官组织中，对维持机体水液平衡和内环境稳定具有重要作用。现有的研究己经证实，分布于肾脏的AQP1-4参与了肾小管对水的重吸收，对调节尿液的排泄起到重要作用，水液代谢失衡与其异常表达密不可分。其中，AQP2是生理条件下肾脏最主要的受抗利尿激素调控的水通道蛋白，是维持体内水平衡调节的必需物质。由于AQP2可从细胞膜脱落至尿液中，因此，检测尿液中AQP2含量的变化，对于评估肾脏功能及机体水液平衡调节状态具有重要的临床实用价值。

现有的检测水通道尿蛋白的医学常规方法包括“二喹啉甲酸测定法(BCA)”和“酶联免疫吸附测定法(ELISA)”两种。尽管BCA法已被广泛用于蛋白浓度测定，但此方法中测定的是溶液总蛋白含量，而非对水通道尿蛋白的特异性检测，容易受到溶液中其它成分的干扰，且还有显色慢、容易受还原剂和高浓度的EDTA影响等缺点。ELISA因其检测试剂盒检测数量大(一般为96孔板)稍显贵重，较适用于大规模多批次的检测活动，在一定程度上限制了ELISA在基层工作中的应用；此外，环境对ELISA的影响也较大，环境温度过低或者过高，抗体抗原反应将会减弱或者加快，使得最终结果不正确，难以形成标准曲线图。上述两种方法应用在药物研究检测过程中，除了要使用昂贵且检测数量庞大的光学仪器设备(像96孔板)外，还需要利用统计学的相关方法同时处理大量的测试数据和耗费大量时间准备待测样品，待测样品还必须放入到实验仪器中，因此这两种检测方式都无法满足活体蛋白样品的原位实时检测。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决上述现有检测水通道尿蛋白技术的缺点与不足，提供了一种水通道尿蛋白光学免标记特异性检测装置，该装置在金属薄膜表面修饰生物敏感膜作为特异性检测的有效载体，并通过幅度调制的方式取代波长解调方法，不仅大大降低了成本，而且利用光纤传感器体积小的特点，可实现人体内尿液蛋白的原位测量。

本发明的另一目的在于提供一种水通道尿蛋白光学免标记特异性检测方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

水通道尿蛋白光学免标记特异性检测装置，包括刻有倾斜光纤光栅的光纤、巯基化合物和AQP2抗体；所述光纤侧面和端面分别镀制一层厚度不同的金属薄膜，形成光纤传感探针；所述巯基化合物在光纤侧面的金属薄膜上自组装成单分子膜，通过催化剂将AQP2抗体固定在分子膜表面；所述光纤传感探针在AQP2抗体固定后浸入含有AQP2抗原的尿原液中，并将偏振光输入到光纤中，利用光纤侧面的金属薄膜表面等离子体共振波对外界环境变化敏感的特性，对AQP2抗原与AQP2抗体的特异性结合进行检测。

优选的，所述巯基化合物为末端含有羧基的巯基化合物。

优选的，所述偏振光为平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振光分量。

优选的，所述光纤端面的金属薄膜厚度大于光纤侧面的金属薄膜厚度。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

水通道尿蛋白光学免标记特异性检测方法，所述方法包括：先在刻有倾斜光纤光栅的光纤侧面和端面分别镀制一层厚度不同的金属薄膜，制作成光纤传感探针；再将巯基化合物在光纤侧面的金属薄膜上自组装成单分子膜，通过催化剂将AQP2抗体固定在分子膜表面；然后将光纤传感探针在AQP2抗体固定后浸入含有AQP2抗原的尿原液中，并将偏振光输入到光纤中，利用光纤侧面的金属薄膜表面等离子体共振波对外界环境变化敏感的特性，对AQP2抗原与AQP2抗体的特异性结合进行检测。

优选的，所述方法具体包括以下步骤：

S1、在刻有倾斜光纤光栅的光纤侧面和端面分别镀制一层厚度不同的金属薄膜，制作成光纤传感探针；其中，光纤侧面的金属薄膜用于激发等离子体共振波实现光纤表面生物量的检测，光纤端面的金属薄膜用于反射信号光进而实现探针式测量；

S2、将已镀制金属薄膜的光纤传感探针浸入巯基化合物溶液中，待该巯基化合物在光纤侧面的金属薄膜表面形成致密的自组装单分子膜后取出，清洗掉残留在光纤传感探针上多余的巯基化合物；其中，所述巯基化合物为末端含有羧基的巯基化合物；

S3、将已修饰了单分子膜的光纤传感探针浸入NHS和EDC混合液中，活化后取出放入AQP2抗体溶液中，利用NHS和EDC的偶联作用使AQP2抗体分子上的氨基与自组装单分子膜上的羧基形成肽键，从而使AQP2抗体分子以共价键形式固定在分子膜表面，形成了可用于与相应AQP2抗原特异性结合的生物敏感膜；

S4、将固定AQP2抗体的光纤传感探针浸入含有AQP2抗原的尿原液中，光源输出光经过起偏器后转变成偏振光，通过调节偏振控制器使偏振光的偏振方向与光纤传感探针内倾斜光纤光栅的写制方向相一致；

S5、当输入的偏振光与检测尿原液的倾斜光纤光栅的写制方向相一致时，光纤中满足相位匹配条件的包层模耦合至光纤侧面的金属薄膜，并激发光纤侧面的金属薄膜表面等离子体共振波；

S6、随着光纤传感探针的光纤包层外表面固化的AQP2抗体与尿原液中的AQP2抗原发生特异性结合，光纤侧面的金属薄膜表面等离子体共振波对外界环境变化敏感，使得在光纤反射谱中光纤侧面的金属薄膜表面等离子体共振波的衰减包络幅度发生变化，根据衰减包络的幅度变化随时间的响应速率检测出尿原液中水通道尿蛋白的浓度。

优选的，步骤S1中，所述光纤端面的金属薄膜厚度大于光纤侧面的金属薄膜厚度。

优选的，步骤S4中，所述偏振光为平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振光分量。

进一步的，所述偏振光平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振方向通过光纤侧面的金属薄膜表面所激发的表面等离子体共振波的共振峰幅度来确定，即平行于倾斜光纤光栅写制方向时表面等离子体共振波的共振峰幅度最大。

优选的，步骤S6中，所述根据衰减包络的幅度变化随时间的响应速率检测出尿原液中水通道尿蛋白的浓度，具体为：

光纤侧面的金属薄膜表面等离子体共振波对光纤传感探针上的AQP2抗体与尿原液中的AQP2抗原发生特异性结合作出响应，根据衰减包络的幅度变化信息得到待测尿原液中水通道尿蛋白的浓度信息。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明在刻有倾斜光纤光栅的光纤侧面和端面分别镀制一层厚度不同的金属薄膜，形成光纤传感探针，并将巯基化合物在光纤侧面的金属薄膜上自组装成单分子膜，通过催化剂将AQP2抗体固定在分子膜表面，使AQP2抗体形成了生物敏感膜，修饰在光纤传感探针上的AQP2抗体会与尿原液中的AQP2抗原发生特异性结合，由于尿原液中的其他成分不会与修饰在光纤传感探针上的AQP2抗体分子特异性结合，因此可实现对水通道尿蛋白的特异性检测，而且通过幅度调制方式取代波长解调方法，检测过程中不仅对检测样品免标记，同时具有简便、快速等优点。

2、本发明与传统的检测水通道尿蛋白的BCA方法(二喹啉甲酸测定法)相比，可实现对水通道尿蛋白的特异性检测，排除尿原液中其它成分的干扰。

3、本发明与传统的ELISA方法(酶联免疫吸附测定法)相比，避免了需要利用统计学的方法处理大量测试数据的繁琐过程，也无需耗费大量时间准备待测样品，大大降低了检测成本和简化了检测过程。

4、本发明采用了光纤传感探针，与传统的电化学传感器相比，以光纤为载体的光波传感方式具有响应速度快的特点，因此可实现水通道尿蛋白浓度的实时监测。

5、本发明采用了光纤传感探针，由于光纤纤芯模仅对温度敏感，而对环境折射率不敏感，因此通过检测光纤纤芯模式，可实现温度信息的实时测量，进而消除温度变化对测量结果的影响，具有温度自补偿功能。

6、本发明由于光纤侧面的金属薄膜表面等离子体共振波对外界环境变化敏感，因此在光纤反射谱中光纤侧面的金属薄膜表面等离子体共振波的衰减包络幅度会发生变化，通过观察光纤侧面的金属薄膜表面等离子体共振波的衰减包络幅度变化获得水通道尿蛋白的浓度信息，幅度变化的灵敏度高达大约8100db/RIU和10-9M的极限检测精度。

7、本发明与传统光学与电学检测方式相比，利用光纤体积小、光纤传感探针与信号传输线集成与一根光纤的特点，可实现人体内尿液蛋白的原位测量，极大提高检测测量数据的准确性与临床价值。

附图说明

图1为本发明的水通道尿蛋白光学免标记特异性检测原理图。

图2为本发明固化了AQP2抗体的光纤传感探针浸入尿原液后的光纤反射谱图。

图3为本发明光纤传感探针浸入AQP2抗体溶液和含有AQP2抗原的尿原液中时表面等离子体共振峰某一模式的幅度随时间变化图。

其中，1-光纤，2-巯基化合物，3-AQP2抗体，4-第一金属薄膜，5-第二金属薄膜，6-AQP2抗原，7-偏振光，8-用于检测的模式区域，9-用于校准的模式区域。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

光纤传感技术以百微米尺度的光纤物理媒介，以光波为信息载体，具有成本廉价、结构小巧、灵敏度高、可远程监测、耐腐蚀、生物兼容性强等优点，成为近些年来发展最为迅速的生物传感技术之一。在光纤生物传感研究的相关报道中，高性能光纤光栅成为研究热点。最具代表性的就是近些年发展起来的倾斜光纤光栅传感器，此类光栅传感器除了兼具常规光纤传感器特点之外，还可利用其激发的数百个对周围环境敏感的包层模式，不仅大大丰富了其检测对象，还提高了测量精度。例如利用一根倾斜光纤光栅，可实现折射率和温度的同时区分测量，这为复杂温变环境下微量生物变化信号的免标记特异性测量提供手段，其在生物医学检测领域中具有非常广阔的应用前景。

如图1所示，本实施例提供了一种水通道尿蛋白光学免标记特异性检测装置，该装置包括刻有倾斜光纤光栅的光纤1、巯基化合物2和AQP2抗体3，所述光纤1侧面和端面分别镀制一层厚度不同的金属薄膜，形成光纤传感探针，其中光纤侧面的金属薄膜用于生物测量，记为第一金属薄膜4，光纤端面的金属薄膜用于端面反射，记为第二金属薄膜5，第二金属薄膜5的厚度大于第一金属薄膜4的厚度；所述巯基化合物2为末端含有羧基的巯基化合物，该巯基化合物2在第一金属薄膜4上自组装成单分子膜，通过催化剂将AQP2(水通道尿蛋白-2)抗体3固定在分子膜表面；

在本实施例中，所述光纤传感探针在AQP2抗体固定后浸入含有AQP2抗原6的尿原液中，并将偏振光7输入到光纤1中，利用在第一金属薄膜4上激发的表面等离子体共振波对外界环境变化敏感的特性，对AQP2抗原6与AQP2抗体3的特异性结合进行检测，从而检测出尿原液中水通道尿蛋白的浓度；其中，偏振光7为平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振光分量。

实施例2：

如图1所示，本实施例提供了一种水通道尿蛋白光学免标记特异性检测方法，该方法包括：先在刻有倾斜光纤光栅的光纤1侧面和端面分别镀制一层厚度不同的金属薄膜，制作成光纤传感探针，其中光纤侧面的金属薄膜用于生物测量，记为第一金属薄膜4，光纤端面的金属薄膜用于端面反射，记为第二金属薄膜5，第二金属薄膜5的厚度大于第一金属薄膜4的厚度；再将巯基化合物2在第一金属薄膜4上自组装成单分子膜，通过催化剂将AQP2抗体3固定在分子膜表面；然后将光纤传感探针在AQP2抗体3固定后浸入含有AQP2抗原6的尿原液中，并将偏振光7输入到光纤1中，利用在第一金属薄膜4上激发的表面等离子体共振波对外界环境变化敏感的特性，对AQP2抗原6与AQP2抗体3的特异性结合进行检测，具体步骤如下：

S1、在刻有倾斜光纤光栅的光纤侧面和端面分别镀制一层厚度不同的金属薄膜，制作成光纤传感探针；其中，光纤侧面的金属薄膜记为第一金属薄膜，光纤端面的金属薄膜记为第二金属薄膜，第一金属薄膜厚度约为50nm，用于激发等离子体共振波实现光纤表面生物量的检测；第二金属薄膜厚度约为200nm以上，用于反射信号光进而实现探针式测量。

S2、将已镀制金属薄膜的光纤传感探针浸入巯基化合物溶液中，待该巯基化合物在第一金属薄膜表面形成致密的自组装单分子膜后取出，清洗掉残留在光纤传感探针上多余的巯基化合物；其中，所述巯基化合物为末端含有羧基的巯基化合物；

S3、将已修饰了单分子膜的光纤传感探针浸入NHS(N-羟基琥珀酰亚胺)和EDC(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)混合液中，活化后取出放入AQP2抗体溶液中，利用NHS和EDC的偶联作用使AQP2抗体分子上的氨基与自组装单分子膜上的羧基形成肽键，从而使AQP2抗体分子以共价键形式固定在分子膜表面，形成了可用于与相应AQP2抗原特异性结合的生物敏感膜；

S4、将固定AQP2抗体的光纤传感探针浸入含有AQP2抗原的尿原液中，光源输出光经过起偏器后转变成偏振光，通过调节偏振控制器使偏振光的偏振方向与光纤传感探针内倾斜光纤光栅的写制方向相一致；其中，偏振光为平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振光分量，所述偏振光平行于倾斜光纤光栅写制方向的偏振方向通过光纤包层外表面的第一金属薄膜表面所激发的表面等离子体共振波的共振峰幅度来确定，即平行于倾斜光纤光栅写制方向时表面等离子体共振波的共振峰幅度最大；

S5、当输入的偏振光与检测尿原液的倾斜光纤光栅的写制方向相一致时，光纤中满足相位匹配条件的包层模耦合至光纤包层外表面的第一金属薄膜，并激发第一金属薄膜表面等离子体共振波，在光纤反射谱中可以观察到第一金属薄膜表面等离子体共振波的吸收峰；

S6、随着光纤传感探针的光纤包层外表面固化的AQP2抗体与尿原液中的AQP2抗原发生特异性结合，由于第一金属薄膜表面等离子体共振波对外界环境变化敏感，因此在光纤反射谱中第一金属薄膜表面等离子体共振波的衰减包络幅度会发生变化，第一金属薄膜表面等离子体共振波对光纤传感探针上的AQP2抗体与尿原液中的AQP2抗原发生特异性结合作出响应，根据衰减包络的幅度变化信息得到待测尿原液中水通道尿蛋白的浓度信息，幅度变化的灵敏度高达大约8100db/RIU和10^-9M的极限检测精度。

如图2所示，为修饰了AQP2抗体的光纤传感探针浸入尿原液后随时间变化的光纤反射谱图，8是用于检测的模式(表面等离子体共振模式)区域，放大部分是图中表面等离子体共振峰处星号标注的某一模式的幅度随时间变化的局部放大图；9是用于校准的模式(纤芯模式)区域，由于纤芯模式仅对温度变化敏感，因此可利用此特性将因环境温度变化引起的干扰排除，使检测结果更加精确。

如图3所示，为将光纤传感探针浸入AQP2抗体溶液和含有AQP2抗原的尿原液中时表面等离子体共振峰某一模式的幅度随时间变化图，利用偶联剂将AQP2抗体以共价键的形式固定在分子膜表面，起始时抗体连接到巯基化合物上的速率较快，随着第一金属薄膜上的巯基化合物的连接饱和，连接速率逐渐减缓；将修饰了AQP2抗体的光纤传感探针刚浸入含有AQP2抗原的尿原液中时，光纤传感探针上的AQP2抗体与尿原液中的AQP2抗原特异性结合速率较快，引起的幅度变化明显，随着光纤传感探针上修饰的AQP2抗体与尿原液中的AQP2抗原的结合逐渐趋向于饱和，第一金属薄膜表面等离子体共振波的共振峰的幅度变化也逐渐减弱。

综上所述，本发明在刻有倾斜光纤光栅的光纤侧面和端面分别镀制一层厚度不同的金属薄膜，形成光纤传感探针，并将巯基化合物在光纤侧面的金属薄膜上自组装成单分子膜，通过催化剂将AQP2抗体固定在分子膜表面，使AQP2抗体形成了生物敏感膜，修饰在光纤传感探针上的AQP2抗体会与尿原液中的AQP2抗原发生特异性结合，由于尿原液中的其他成分不会与修饰在光纤传感探针上的AQP2抗体分子特异性结合，因此可实现对水通道尿蛋白的特异性检测，而且通过幅度调制方式取代波长解调方法，检测过程中不仅对检测样品免标记，同时具有简便、快速等优点。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。