生物傳感器在蛋白質檢測中的應用分析

吳娜

（內蒙古呼和浩特職業學院，010051）

1 蛋白質簡介

1.1 蛋白質簡述

蛋白質（protein）是構成生物體生命的基本物質之一，蛋白質是與生命和各種生命形式的活動緊密聯系在一起的物質。在人的體內蛋白質的種類是非常多的，其性質和功能各有不同，但全部都是由20多種氨基酸按不同的比例組合而構成的，這些氨基酸在體內不斷進行更新與新陳代謝。

蛋白質是由氨基酸以脫水縮合的方式組成的多肽鏈經過盤曲折疊形成的具有一定空間結構的物質。蛋白質是由α—氨基酸按一定順序結合形成一條多肽鏈，再由一條或一條以上的多肽鏈按照其特定方式結合而成的高分子化合物。蛋白質在人們每天的飲食中主要存在于蛋類、瘦肉、豆類及魚類中，在人體生命活動中，蛋白質起著重要的作用，可以說沒有蛋白質的存在就沒有人們生命活動的存在。

1.2 蛋白質分析方法與檢測

由于蛋白質在很多生命體中占有非常重要的地位，因此我們科研人員研究蛋白質、蛋白質與其他物質之間的相互作用以及如何對蛋白質進行檢測就顯得尤為重要。目前研究蛋白質的方法有基于懸臂傳感技術的免疫檢測、表面等離子體共振檢測、蛋白質芯片、基于納米孔洞檢測蛋白質、免疫共沉淀法、電泳法鑒別蛋白質、熒光光譜或成像檢測、氣質聯用、核磁共振技術以及酵母雙雜交技術等，這些方法中每一種方法都有研究蛋白質的優點，而將這些研究方法聯合起來的話就會解釋出蛋白質作用的實質所在了。

2 生物傳感器應用概況

2.1 生物傳感器（biosensor）的概念

在生物體中，很多生物分子之間存在識別與被識別的關系，比如酶一基質識別、核酸適配體一蛋白質識別、抗原一抗體識別，生物傳感器就是利用靶分子之間的分子識別特性與生物活性物質，將整個生物識別事件產生的構象、濃度等變化轉換成可輸出、可見的各種電信號、光信號等，根據這些信號的強弱程度可以非常直觀地探測出待檢物量的多少。生物傳感器主要由信號轉換器和信號識別元件構成。其中，與被檢物相互結合并產生作用的物質被稱為感受器或者是識別元件，由化學探針或者生物活性分子所構成，它們可以直接結合并且能夠識別待檢測物質。被轉化的部分被稱為轉換器，轉換器就是把被檢物與識別元件產生的物理變化或者化學變化轉化成光電信號的裝置，如電化學工作站、熒光光譜儀。生物傳感器區別于化學和物理傳感器的特征是含有生物活性物質（蛋白質、核酸等）的感受器。

簡而言之，生物傳感器就是一種分析裝置，它把物理元素（可轉換識別事件）和生物元素（可導致生物識別事件）巧妙地結合起來，并用于生物分析。

2.2 生物傳感器的工作

生物傳感器由敏感元件或生物感受器（分子識別部分）和換能器（轉換部分）構成，感受器直接作用和感知被測目標，轉換器則把感受器捕捉到信號變化成便于記錄和檢鋇的各種電流大小、熒光強弱等形式的信號。樣品的被檢物可通過酶反應、免疫反應、DNA 雜交這三種分子識別途徑與感受器形成抗原一抗體、DNA 一DNA 雙鏈等的不同復合物，然后再選擇最佳的轉化器將復合物的性質以各種信號的形式表現出來。

2.2.1 生物感受器

生物感受器可概括地分為以下幾種類型，包括：（1）核酸一蛋白質，（2）抗原一抗體，（3）核酸，（4）細胞，（5）酶類。這些物質都可以作為傳感器的感受元件被檢測，通過相互識別的過程可與被測物結合成復合物，蛋白質一核酸適體結合，如抗體一抗原的結合等。

2.2.2 轉換器

生物傳感器的另一重要環節就是選擇換能器，待測物識別過程與敏感元件引起的物化變化（化學物質、熱、光的生成或消耗等）都需要轉化器轉換成可量化、直觀可視的信號。根據轉換器的不同可分為電化學生物傳感器、光學生物傳感器等。

2.3 生物傳感器的特點

生物傳感器是近幾十年發展起來的一種新的傳感技術，作為生物技術領域的一種，它具備不同于傳統檢測方法的優點：

2.3.1 傳統的傳感完全由非生命物質組成。然而，生物傳感器最大的特點就是感受器中含有生物分子，如蛋白質、DNA、RNA等。這些生命物質參與分子識別過程并引起響應信號的產生。

2.3.2 成本低、簡單直接。生物傳感器中的關鍵組成是分子識別元件，它是一類對待測靶分子有很好選擇性的蛋白質、抗體、核酸、抗原適配體等生物大分子，也可以是生物材料或者生物分子及人工合成的生物探針。這些識別元件都是容易獲得并且價格相對便宜的，非常便于推廣應用。

2.3.3 靈敏度高、進樣量少、響應時間短。生物傳感器檢測相對于其它檢測方法，其對象可以是微量的，微量的樣品與識別元件相結合后，可以產生放大的響應信號，并且響應信號所需的時間很短，因此，生物傳感器非常適合于體外監測樣品。

3 生物傳感器在蛋白質檢測中的應用

3.1 生物傳感器在蛋白質檢測中的實驗

圖示1

實驗如圖1所示，實驗在A 情況下，溶液中只是非靶蛋白或者沒有溶菌酶時，Aptamer （核酸適體）優先與SSB （單鏈結合蛋白）結合，這樣，溶液中就沒有游離狀態的SSB 蛋白與加入的MB （分子信標）結合，熒光很低，MB 則處于閉合狀態。實驗在B情況下，溶菌酶能夠與其相應的Aptamer （核酸適體）強特異性結合.隨后加入的SSB 則沒有機會與Aptamer 作用。那么，游離于溶液中的SSB 隨即“捕捉”到加入的MB，被SSB 打開的MB 將產生非常高的熒光信號。這樣，MB 熒光信號的強弱或者有無間接地反映了溶菌酶的存在與否。

3.2 生物傳感器在蛋白質檢測中的優勢分析

本文建立的生物傳感器檢測蛋白質的方法克服了一些傳統方法的缺陷，體現了簡易、高靈敏度、成本較低、快速的優點。本實驗涉及到Aptamer、MB、SSB 等新元素。我們選擇的蛋白是溶菌酶，溶菌酶能夠與其相應的Aptamer 強特異性結合，隨后加入的SSB則沒有機會與Aptamer 作用。那么，游離于溶液中的SSB 隨即“捕捉”到加入的MB 被SSB 打開的MB 將產生較高的熒光信號。反之，當溶液中沒有非靶蛋白或者只是溶菌酶時，Aptamer 優先與SSB結合，這樣，溶液中就沒有游離的SSB 蛋白與加入的MB 結合。

3.3 基于納米孔洞傳感技術檢測protein（蛋白質）簡述

納米孔洞傳感技術的工作實質是測試流過孔洞的protein的電流脈沖。根據實驗脈沖電就判斷出protein的結構、性質等信息。所以通過測試protein 通過孔洞的一系列變化，分析protein的結構是否發生變化，這樣我們就可以在臨床上診斷出該protein 對某種疾病治療的重要性。

4 小結

綜上所述，利用生物傳感器來定量分析protein，這個方法在實際操作中還有一些未知的不足或者是缺陷，還需要更加深入的探討和研究對于生物傳感器來定量分析protein 來滿足生物檢測需要理論，所以還需要后人的努力來進一步完善生物傳感器在蛋白質檢測中的實驗與理論。

[1]戴嘉駿，光敏黃蛋白脈沖升溫開折疊過程的時間分辨紅外光譜研究，[學位論文]，南開大學，2010年。

[2]李文軍，基于過濾的肽段PTM 鑒定算法研究，[學位論文]，中國科學技術大學，2011年。