以膜蛋白和细胞为靶物质的多孔硅非标记光学传感器构建与应用

膜蛋白和细胞是药物筛选过程中重要的靶物质，检测这两类靶物质与分子间的相互作用对于研究分子的生物功能、毒性及活性具有重要的意义。基于检测传感基质表面折光指数和光学厚度变化的非标记分析技术是研究生物分子间相互作用的主要手段之一。然而试样基体成份往往会影响传感界面层的折光指数，产生非特异信号，不利于靶物质与目标分子相互作用的特异性信号检测。本项目提出了以双层多孔硅作为膜蛋白和细胞的支撑基质及反射干涉光谱（RIFS）传感材料的研究思路。以内层作为参比层，外层作为传感层，通过对内外两层RIFS信号的动态实时处理，可扣除非特异信号的干扰。项目拟通过脂质体融合、细胞培养与固定等技术在双层多孔硅外表面构建靶物质层，并通过反射干涉峰强度与位置等光信号的变化来检测膜蛋白与目标分子的结合、构象变化、离子通道的开启与阻断，以及细胞形态变化、粘附特性变化、胞内物质空间分布变化，细胞溶膜等生物学行为。

本项目的研究目标是构建基于细胞和膜蛋白为靶物质的多孔硅光学传感芯片，并将其应用于生物传感和药物筛选。对照该研究目标，项目的完成情况如下：（1）构建了一种高分子凝胶-多孔硅双层光学传感芯片。其中高分子凝胶是一种对pH刺激具有极高敏感响应的材料。通过傅里叶变换反射干涉光谱（FT-RIS）可实时灵敏地探测溶液pH值得微小变化，结合微流控技术，该芯片可测量纳升级溶液的pH变化。基于该微流控pH传感芯片，我们发现在微通道内可快速测量微生物全生长曲线，实现了抗生素药物的快速筛选和快速药敏试验。2）我们在pH 敏感凝胶-多孔硅双层光学传感芯片表面通过自组装方法修饰了磷脂双分子层（PLBs)，并在该PLBs膜中插入离子通道蛋白Gramicidin A。 用FT-RIS可观察到该离子通道对H+的运输行为，也可观察到离子通道被药物阻断后对离子运输能力的降低趋势。该项研究成果首次展示了光学传感器在离子通道膜蛋白研究中的应用，为药物筛选奠定了基础。(3）为提高多孔硅表面的稳定性和生物相容性，并增大界面的折光指数对比度，我们在多孔硅表面引入了TiO2修饰层。发现了这种新型的复合材料确实能显著提高细胞在其表面的存活率，在生理条件下的稳定性也显著提高，通过反射干射光谱可探测到细胞的贴壁生长，药物刺激后的凋亡及脱附行为。在此基础上构建了一种实时观察细胞凋亡过程的微流控光学传感芯片。(4) 研究了多孔硅-金复合材料（pSi-Au)的光学响应行为，发现了这种结构的多孔材料对分子在孔内壁的吸附及构象变化有较高的灵敏度，通过电容模型解释了特殊的光学响应行为，这种pSi-Au 传感芯片被证实可灵敏地测量寡核苷酸在孔内的杂交。 此外我们还提出了一种基于软物质与刚性孔道相结合的开关型电化学生物传感器，该传感器可灵敏地探测到孔道内DNA的杂交行为，在反义寡核苷酸的筛选中显示良好的应用前景。