专利名称：一种量子点生物探针及其制备方法和基于其的微流控蛋白质芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物检测领域，特别涉及一种量子点生物探针及其制备方法 和基于其的微流控蛋白质芯片。
背景技术：
随着对微观生物世界研究的深入，研究者们往往需要收集极少数量甚至
单个生物分子反应所释放的信号，如在微型化生物检测中收集痕量DNA分 子、蛋白质分子、药物分子或病毒分子等与信号探针相互作用所产生的信号， 以便进行后续分析。但如此超微量级的信号是极其微弱的，甚至采用最精密 的仪器也无法探测到，这也是先进的探测手段如蛋白质芯片等难以走向真正 应用的原因之一。就蛋白质芯片而言，灵敏度问题严重影响了其技术性能， 因为蛋白质芯片的各个反应单元所能采集到的信息量远远低于常规反应，所 以要收集这些微量信息必须采用高灵敏的信号探针，才能达到对样品中多种 低丰度蛋白质的分析目的。所以为了提高探测灵敏度，采用高亮信号探针用 于超微量生物分子的检测是目前检测技术发展的重要趋势之一。
具体而言，在应用蛋白质芯片探测未知靶蛋白质的时候，需要加入一种 信号标记的靶蛋白质配体分子等作为信号探针，并实现其与靶蛋白的结合， 形成复合物。然后，相应数量的复合物发出相应数量的信号。当单个配体分 子上所标记的信号量不足的时候，在探测极少量受体分子时，所形成的极少 量复合物发出的信号是极其微弱的，因此严重影响了探测的灵敏度，进而降 低了探测的准确度，造成不同程度的分析误差。如果采用高亮信号物质标记 配体分子，可以构建一个高亮信号探针，实现对靶蛋白分子的超微量探测与分析。
1998年Alivisatos和Nie等分别首次报道了利用量子点替代有机荧光染 料制备生物分子标记物，预示了量子点生物标记物(QDbioconjugates)在生 物检测中的应用潜力。自此，量子点生物标记物开始被应用于核酸或蛋白质 的生物分析，逐步证实了量子点作为新型荧光试剂的优越性，比较典型的例 子是Ornberg和Bakalova等分别建立了基于量子点标记的免疫印迹技术，灵 敏度较传统的免疫印迹提高了两个数量级以上。目前纳米量子点已被应用于 常规体外分析(US2001/0023078、 CN1515909)或传感器制作(US6379622), 以及作为生物偶联的光学成像探针进行组织和细胞的研究 (WO2006/001848、 WO2006/005065)等。遗憾的是，在量子点标记物用于 蛋白质芯片研究方面，虽然也有少数个例的尝试，但其结果只是建立了分析 模型，或是展示了其在克服杂蛋白自身荧光背景方面的性能，而在提高芯片 的灵敏度方面并未取得实质性进展。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于蛋白质芯片的量子点生物探 针及其制备方法，其中量子点选用包覆有高分子聚合物的量子点纳米微球。
本发明人在研究中发现，由高分子聚合物包覆量子点构成的量子点纳米 微球，在生物分子特别是蛋白质标记中，它不仅较单纯的量子点具有更高的 量子效率，而且物化性质更加稳定，与生物分子的相容性更佳，非常适合在 蛋白质芯片中的应用。
因此，本发明提供的一种量子点生物探针，其是量子点纳米微球和靶蛋 白配体连接而成的量子点-生物复合探针。
根据本发明，所说的量子点纳米微球是由常规量子点和高分子聚合物聚 合而成，其粒径通常为35 50nm;其中所说的常规量子点可以是水溶性量子 点，也可以是有机相量子点，而所说的高分子聚合物可包括聚乳酸、聚丙烯 胺、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、聚异丙烯酰胺、聚乙烯亚胺和聚乙烯醇等，通
过高分子聚合物的包覆，使常规量子点表面衍生出各种活性官能团，如羧基
(—COOH)、醛基(一CHO)、氨基(一NH2)、环氧基等；所述的量子点 纳米微球可参照现有技术，如CN1912047A公开的方法制备。本发明优选 CdTe及核壳量子点CdTe/CdS等水溶性量子点，包覆聚丙烯酸、聚丙烯酰胺 等高分子聚合物构成的水溶性量子点纳米微球为例来进行说明。
根据本发明，所述的靶蛋白配体为各种可与靶蛋白质分子特异性结合的 生物分子，如免疫球蛋白、抗体片断、核酸适体、融合蛋白和蛋白质复合体 等。
而本发明所述的量子点生物探针的制备方法，其包括将量子点纳米微球 和靶蛋白配体进行偶联反应，并将偶联产物进行纯化。量子点纳米微球通过 其表面所衍生的各种活性官能团，来实现与靶蛋白配体的偶联。从理论上说， 可以通过调整量子点纳米微球与靶蛋白配体之间的比例，在量子点纳米微球 表面连接一个或一个以上不同数目的靶蛋白配体。为减少交联物的形成，采 用耙蛋白配体过量的方法，使量子点纳米微球表面的偶联基团充分饱和，使 得量子点纳米微球之间不会交联在一起。较佳地，每个量子点纳米微球上组 装10 200个靶蛋白配体分子。
在配体分子与量子点纳米微球之间通过物理吸附结合的基础上，为制备 更稳定的复合探针，更佳地可以选择化学偶联方式增强二者之间的有效连 接；换言之，本发明偶联反应中还可采用偶联剂，诸如生物偶联反应中常选 用的碳化二亚胺(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺等。
同其他生物偶联反应，本发明反应完毕后需进行纯化，即除去未反应的 原料及副产物。所述的纯化方法也可以选用现有技术，例如离心、超滤和/ 或渗滤等方法。其中超滤或渗滤可选用300K左右的超滤离心管或500K左 右渗滤膜包，收集各组分，选择高分子量组分，即通常分子量》靶蛋白配体 单体分子量10 50倍，作为最后产物。
由于不同粒径和结构的量子点具有不同荧光，故可以将不同粒径和/或结
构的量子点与不同的靶蛋白配体进行偶联反应得到各种偶联物，作为蛋白质 芯片中的多色信号探针(检测探针)。
因此，本发明还提供一种微流控蛋白质芯片，其包括靶蛋白、捕获探针 和信号探针，其中信号探针采用上述本发明的量子点生物探针。
根据本发明，当所述的微流控蛋白质芯片为单向微流控蛋白质芯片时，
其中不同靶蛋白所对应的作为信号探针的生物探针带有不同荧光光谱的量 子点。具体来说在单向微流控芯片反应区域固定多种靶蛋白捕获探针，各 种探针在该区域按一定比例均匀分布；当耙蛋白样品通过微流控通道流经该 区域时，各种靶蛋白被相应的捕获探针捕获并结合为一级复合物；然后通过 微流动力系统及微型管道将包含有不同量子点标记的信号探针引入反应区 域，并与所形成的各种一级复合物结合，形成各种二级复合物；每种靶蛋白 所对应的二级复合物含有一种量子点的纳米微球，不同的靶蛋白对应不同的 量子点的纳米微球，具有不同荧光光谱；在一定发射光谱范围内测量各种量 子点的荧光强度，即可获得相应靶蛋白的定性和定量信息。
更特别的是，当所述的微流控蛋白质芯片为双向微流控蛋白质芯片时， 其中不同耙蛋白所对应的作为信号探针的生物探针可以带有相同荧光光谱 的量子点，即可以是一种量子点，而无需采用不同量子点的纳米微球标记不 同靶蛋白的信号探针。具体来说通过一个方向的多条微流控管道在微流控 芯片反应区域固定多种靶蛋白捕获探针，每条微型管道对应一种捕获探针； 样品通过与前一方向非平行的一条或多条微型管道流经芯片反应区域，并与 其呈交叉状态，靶蛋白与相应交叉区域的对应捕获探针结合形成一级复合 物；然后通过微流动力系统及微型管道将包含有相同量子点的纳米微球标记 的不同信号探针引入反应区域，并与所形成的各种一级复合物结合，形成各 种二级复合物；各种靶蛋白所对应的二级复合物均含有相同量子点的纳米微 球，具有相同的荧光光谱；在同一固定波段测定量子点的荧光强度，各种二 级复合物将在蛋白质芯片的特定空间位置上给出与靶蛋白数量对应的信号
强度，经后续数据分析可以实现特定靶蛋白的定性和定量分析。
本发明通过量子点纳米微球表面所衍生的上述各种活性官能团，实现与
靶蛋白配体的偶联，构建多色信号探针，荧光量子效率达到60%以上，蛋白 质配体活性保持在50%以上。而本发明依赖量子点纳米微球的高量子效率特 性，可实现靶蛋白的高灵敏同步多元分析。
图1为基于本发明水溶性CdTe量子点聚丙烯酸纳米微球探针的双向微 流控蛋白质芯片分析图。
图2为基于本发明水溶性CdTe/CdS量子点聚丙烯酰胺纳米微球探针的 双向微流控蛋白质芯片分析图。
具体实施例方式
下面用实施例来进一步说明本发明，但本发明并不受其限制。 实施例1 3
1、水溶性CdTe量子点聚丙烯酸纳米微球的制备(参照CN1912047A制 备)(1)碲氢化钾制备将110.5毫克KBH4固体和91.6毫克Te粉放入到 一个小的烧瓶中，加入3毫升水，于0摄氏度下反应20个小时后，可得到 KHTe溶液，备用；(2) CdTe前体溶液制备将36.8毫克CdCl2溶于100 毫升水，加入0.05毫升巯基乙酸，用0.5摩尔/升的NaOH溶液调节pH=11.0, 注入0.30毫升KHTe溶液，作为CdTe前体溶液；(3)含有聚合物的碲化镉 CdTe前体溶液制备将5毫升浓度为0.00001 mol/L的聚丙烯酸(M^2,000) 溶液加入CdTe前体溶液，搅拌20分钟，作为含有聚合物的碲化镉CdTe前 体溶液制备；(4)微波辐射制备聚合物包裹的CdTe量子点将所得到的含 有聚合物的碲化镉CdTe前体溶液进行微波辐射加热，可得到聚合物包裹的 CdTe量子点，即量子点纳米微球。控制条件如下微波功率100W;反应
温度120°C;反应时间5min。
2、 将150uL表面带有活性基团为羧基的水溶性CdTe量子点聚丙烯酸纳 米微球(5uM)分别与100uL氨基衍生的凝血酶核酸适体(实施例1)、氨基 衍生的血小板生长因子核酸适体(实施例2)或氨基衍生的免疫球蛋白E蛋 白核酸适体(实施例3) lmM (0.5M PBS， 0.1%NaN3， pH6.5)、以及5uL 碳化二亚胺(500mM)和5uL N-羟基琥珀酰亚胺(100mM)混合，室温反 应2小时后，4'C过夜。
3、 反应液用300K超滤离心管(美国PALL公司)超滤，收集滤膜上层 组分，作为最后产物。
4、 测定收集液在波长260nm处的紫外吸收，并用荧光分析仪检测荧光 强度。通过标准曲线插入法计算得出，每个水溶性量子点纳米微球所偶联的 核酸配体分子数为100 200。荧光光谱法测得荧光量子效率达到75%，杂 交分析法测得配体活性保持在95 % 。
上述实施例中各核酸适体由上海生工生物工程公司合成。 实施例4~6
1、水溶性CdTe/CdS量子点聚丙烯酰胺纳米微球的制备(参照 CN1693207A及CN1912047A制备)(1 )碲氢化钠制备将92.7毫克NaBH4 固体和127.6毫克Te粉放入到一个小的烧瓶中，加入3毫升水，于15摄氏 度下反应7个小时后，可得到NaHTe溶液备用；(2) CdTe量子点制备将 22.5毫克CdCl2溶于100毫升水，加入0.03毫升巯基乙酸，用0.5摩尔/升的 NaOH溶液调节pH-9.5,通氮气30分钟，升温至100摄氏度，注入0.2毫 升NaHTe溶液，反应3小时，得到CdTe量子点溶液；(3) CdTe/CdS前体 溶液制备将18.5毫克CdCl2和5.6毫克Na2S溶于100毫升水，加入0.06 毫升巯基乙酸，用0.5摩尔/升的NaOH容颜调节pH=10.5，注入10毫升CdTe 量子点溶液，得到CdTe/CdS前体溶液；(3)含有聚合物的CdTe/CdS前体 溶液制备将0.5毫升浓度为0.05mol/L的聚丙烯酰胺(Mw=15,000)溶液
加入CdTe/CdS前体溶液，搅拌15分钟，作为含有聚合物的CdTe/CdS前体 溶液制备；(4)微波辐射制备聚合物包裹的CdTe/CdS量子点将所得到的 含有聚合物的CdTe/CdS前体溶液进行微波辐射加热，可得到聚合物包裹的
CdTe/CdS量子点。控制条件如下微波功率100W;反应温度100。C; 反应时间20min。
2、 将150uL酰胺基团衍生的水溶性CdTe/CdS量子点聚丙烯酰胺纳米微 球(5uM)经0.5%戊二醛活化后，与100uLCA125 (实施例4)、 CA19-9 (实 施例5)或CA15-3 (实施例6)等3种蛋白质的单克隆抗体(商购自美国 FITZGERALD公司)100uM (0.5MPBS， 0.1%NaN3， pH7.5)混合，室温反 应2小时后，4'C过夜。
3、 反应液通过蠕动泵及管路进入500k渗滤膜包(美国PALL公司)， 收集各组分，选择高分子量组分(通常分子量》免疫球蛋白分子量单体10 倍)作为最后产物。
4、 测定收集液在波长280nm处的紫外吸收，并用荧光分析仪检测荧光 强度。通过标准曲线插入法计算得出，每个量子点聚合体所偶联的免疫球蛋 白分子数为10 50。荧光光谱法测得荧光量子效率达到70%，免疫分析法 测得配体活性保持在90%。
实施例7
采用聚二甲基硅氧垸(PDMS)制备相互垂直的双向微流控通道，方法 可参考本发明人的专利申请文件，申请号为CN200610117234,X。该微通道 与芯片基片通过物理方法进行可逆封合。
1、 将凝血酶、血小板生长因子和免疫球蛋白E等3种蛋白质的单克隆 抗体(商购自美国FITZGERALD公司)通过3条同一方向的独立微流控通 道固定在芯片反应区，3种抗体的浓度均为150mg/L， 2小时后进行洗漆和 封闭等后处理。
2、 将浓度为20pg/ml、 50pg/ml、 100pg/ml、 200pg/ml和500pg/ml的凝
血酶、血小板生长因子和免疫球蛋白E等3种耙蛋白通过与步骤1中微通道 方向垂直的另一方向的微流控通道进入芯片反应区域，流动速度为2微升/ 小时，5分钟后停止进样。
3、 芯片经洗涤后，以与步骤2中同样的进样方式将实施例1 3获得的 同种量子点的聚丙烯酸纳米微球分别标记的凝血酶、血小板生长因子和免疫 球蛋白E等3种蛋白质的核酸适体的混合液注入芯片反应区域，5分钟后停 止进样。
4、 芯片经洗涤后在荧光检测器(德国ZEISS公司AXIOSKOP2型)下 观察靶蛋白与信号探针的反应情况，采集各空间分离的反应单元内的量子点 信号，应用仪器配套软件进行信号数据处理。
结果如图1所示，基于水溶性CdTe量子点聚丙烯酸纳米微球探针的双 向微流控蛋白质芯片可以实现的耙蛋白检测最低限为5pg/ml。 实施例8
同实施例7，采用双向微流控通道的蛋白质芯片。
1、 将CA125、 CA19-9和CA15-3等3种蛋白质的单克隆抗体(分别与 实施例4 6所采用单克隆抗体配对；商购自美国FITZGERALD公司)通过 3条同一方向的独立微流控通道固定在芯片反应区，3种抗体的浓度均为 150mg/L， 2小时后进行洗涤和封闭等后处理。
2、 将浓度为10pg/ml、 20pg/ml、 50pg/ml、 100pg/ml、 200pg/ml的CA125、 CA19-9和CA15-3等3种耙蛋白通过与步骤1中微通道方向交叉的另一方向 的微流控通道进入芯片反应区域，流动速度为2微升/小时，5分钟后停止进 样。
3、 芯片经洗涤后，以与步骤2中同样的进样方式将实施例4 6所得纳 米微球单克隆抗体信号探针混合液注入芯片反应区域，5分钟后停止进样。
4、 芯片经洗涤后在荧光检测器(德国ZEISS公司AXIOSKOP2型)下 观察靶蛋白与信号探针的反应情况，采集各空间分离的反应单元内的量子点
信号，应用仪器配套软件进行信号数据处理。
结果如图2所示，基于水溶性CdTe/CdS量子点聚丙烯酰胺纳米微球探 针的双向微流控蛋白质芯片可以实现的靶蛋白检测最低限为lpg/ml。
可见，本发明量子点生物探针作为信号探针的微流控蛋白质芯片，其检 测结果具有较佳的灵敏度。
权利要求
1.一种量子点生物探针，其是量子点纳米微球和靶蛋白配体连接而成的量子点-生物复合探针。
2、 如权利要求1所述的量子点生物探针，其特征在于所述的量子点纳 米微球为包覆有高分子聚合物的量子点，其中所述的高分子聚合物选自聚丙 烯酸和聚丙烯酰胺，所述的量子点选自CdTe和CdTe/CdS。
3、 如权利要求2所述的量子点生物探针，其特征在于所述的量子点为 水溶性量子点。
4、 如权利要求1所述的量子点生物探针，其特征在于所述的靶蛋白配 体选自免疫球蛋白、抗体片断、核酸适体、融合蛋白和蛋白质复合体中的一 种或几种。
5、 一种如权利要求1~4任一项所述的量子点生物探针的制备方法，其 包括将量子点纳米微球和靶蛋白配体进行偶联反应，并将偶联产物进行纯 化，最终偶联产物中1分子量子点能带上10 200个分子的靶蛋白配体。
6、 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的偶联反应中还可 采用偶联剂。
7、 如权利要求6所述的制备方法，其特征在于所述的偶联剂为碳化二 亚胺和N-羟基琥珀酰亚胺。
8、 如权利要求5所述的制备方法，其特征在于所述的纯化采用离心、 超滤或渗滤的方法。
9、 一种微流控蛋白质芯片，其包括靶蛋白、捕获探针和信号探针，其 特征在于所述的信号探针采用如权利要求1~4任一项所述的量子点生物探 针。
10、 如权利要求9所述的微流控蛋白质芯片，其特征在于所述的微流控 蛋白质芯片为双向微流控蛋白质芯片，其中不同靶蛋白所对应的作为信号探 针的生物探针带有相同荧光光谱的量子点纳米微球。
全文摘要
本发明公开了一种量子点生物探针及其制备方法。该生物探针是由高分子聚合物包覆量子点形成的量子点纳米微球和靶蛋白配体通过偶联反应连接而成的量子点-生物复合探针。本发明还提供采用上述量子点-生物复合探针作为信号探针(检测探针)的微流控蛋白质芯片。本发明采用量子点纳米微球，它不仅较单纯的量子点具有更高的量子效率，而且物化性质更加稳定，与生物分子的相容性更佳，非常适合在蛋白质芯片中的应用，大大提高了芯片的灵敏度。
文档编号G01N33/566GK101368943SQ20071004488
公开日2009年2月18日 申请日期2007年8月15日 优先权日2007年8月15日
发明者耀 何, 宋世平, 樊春海, 汪联辉, 娟 颜, 维 黄 申请人:苏州市长三角系统生物交叉科学研究院有限公司