如何测量溶液中的三磷酸腺苷(Adenosine Triphosphate, ATP)浓度? 在近日发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)的一篇文章中,中国地质大学(武汉)的夏帆、黄羽课题组提出了一种新方法:将处理过的溶液滴在一块特制的平板上,按照特定的方向慢慢倾斜平板,并测量当液滴刚刚开始滑动时平板的倾斜角,就可以反推出ATP浓度。
除检测ATP之外,这种“固相液相正交双调控生物传感策略”也可以超灵敏地检测出miRNA、凝血酶、卡那霉素等多种生物标志物,甚至可以用于多种靶标的辨别分析,如区分不同类型的DNA(包括Lamda DNA、Linear DNA、Fish sperm DNA、M13和PUC119)。
特制的生物溶液样品
用于此种检测的生物溶液样品中含有DNA及其他相应成分,当ATP浓度较高时,可以发生显著的“滚环扩增”反应(rolling circle amplification, RCA),形成长链DNA,而在ATP不存在或浓度较低时,无法触发或仅发生少量的RCA反应,使得溶液中的DNA以小片段单元形式存在。
类似的,通过调整溶液的组分,也可以促使RCA反应在溶液中含有miRNA、凝血酶、卡那霉素等其他生物标志物时发生。
特制的“板子”
检测中使用的“板子”当然也是特制的。研究者首先在固体平板上雕刻出微米尺度的沟槽结构,然后又向平板注入润滑剂正癸烷(n-decane),使其进入沟槽并覆盖于平板表面。
液滴在板子上的流动性能① 液相调控:液滴与润滑剂的相互作用润滑剂正癸烷可以与短DNA片段发生强烈的疏水相互作用,但无法与长链DNA发生相互作用,而这种作用会改变液滴在平板上的运动行为。具体来说:
当液滴中ATP含量较低时,液滴中的DNA以短片段形式存在,与润滑剂中的正癸烷发生强烈的相互作用(见下图E、F),使得液滴要在更大的平板倾斜角下,才能开始流动;
当液滴中ATP含量较高时,液滴中的DNA以长链形式存在,不与润滑剂中的正癸烷相互作用(下图C、D),所以平板只需要较小的倾斜角,液滴就可以开始流动。
因此,液滴中的ATP浓度与临界滑动角之间存在定量关系。② 固相调控:微槽带来的各向异性由于平板上刻有微槽,所以液滴在不同方向上的滑动性能是不同的:当平板倾斜方向与微槽平行时,液滴滑动最容易,而垂直时滑动最困难,也就是需要最大的倾斜角才能开始流动。③ 固相-液相正交耦合,实现“双调节”研究者用多种方法证实,上述固相调控与液相调控之间是相互“正交”的,因此,这一系统就可以构成“固相-液相双重调节”策略,实现对液滴运动行为的精确控制,从而对多种生物标志物进行超灵敏的检测与辨别。从下图可以看出,当液滴滑动方向与凹槽平行时,可以获得最宽的动态测量范围,而液滴滑动方向与凹槽垂直时,可以获得最高的检测灵敏度。
精确控制液滴运动的双重调节策略,及其传感应用。图中红色系为固相调控部分,绿色系为液相调控部分。最下方三个图为不同流动方向(0°、45°、90°)下ATP浓度与开始滑动的平板倾斜角(临界滑动角)之间的依赖关系。 在论文最后,作者指出这种双重调节策略仍有改进空间,在进一步完善之后,将可能为超浸润生物传感器、视觉检测等提供新的方向。
审核编辑 :李倩
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原文标题:生物分子传感怎么做?材料学研究者:测测倾斜角 | NSR
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