光纖SPR傳感器在抗感染中藥作用機理的應用*

張鶴林, 張 康, 張國龍, 陳慶梅

(江西中醫藥大學 計算機學院，江西 南昌 330004)

光纖SPR傳感器在抗感染中藥作用機理的應用*

張鶴林, 張 康, 張國龍, 陳慶梅

(江西中醫藥大學 計算機學院，江西 南昌 330004)

提出一種基于光纖表面等離子體共振(SPR)傳感器的檢測法，檢測抗感染中藥與細胞因子和受體間的相互作用。采用真空熱蒸鍍法鍍雙層金屬膜制作一種雙金屬光纖SPR生物傳感器，應用直接法完成中藥作用機理檢測。該傳感器具有快速、客觀、準確、高效的中藥作用機理檢測功能，獲得了相應數據。光纖SPR生物傳感器的應用使得中藥作用機理過程的檢測具有實時高效的優點，有望在抗感染中藥作用的靶點和分子機理研究中取得新的突破。

表面等離子體共振傳感器；中藥；作用機理

0 引 言

感染性疾病是由病毒、支原體、衣原體、真菌、分支桿菌、寄生蟲等所引起的疾病，嚴重危害著人類的生命與健康,抗生素的出現與應用在預防和治療感染性疾病方面發揮了巨大作用，但同時抗生素的濫用也帶來了更為嚴重的問題[1]。中醫藥是一個偉大的寶庫，許多中藥制劑與抗生素類藥物相比，臨床療效好并且毒副作用小,在臨床治療中取得了確切的療效，但遺憾的是中藥的作用機理和靶點至今不甚明了，成為中藥不能被西方國家認可和接受的重要原因[2]。對于中藥的作用機理的研究，目前較普遍的觀點是調節細胞因子網絡的功能態平衡；而細胞因子的調節作用是通過激活其特異性受體實現的[3]。

本文提出一種基于光纖表面等離子體共振(SPR)傳感器的檢測法，并給出一種較為客觀的抗感染中藥作用機理研究方案，為中醫藥現代化做出貢獻。

1 光纖SPR傳感器的制作

SPR傳感器檢測技術是一種基于物理光學特性的分析技術，其基本原理為當入射光以臨界角入射到2種不同透明介質的界面時將發生全反射，反射光強度在各個角度上都應相同，但若在介質表面鍍上一層金屬薄膜后，由內全反射形成的衰減波會引起金屬中自由電子產生共振，從而導致反射光在一定角度內大大減弱，其中使反射光完全消失的角度稱為SPR共振角[4]。共振角會隨金屬薄膜表面通過的液相的折射率而改變，折射率的改變又與結合在金屬表面的生物分子質量呈正比，因此，可以進行定性、定量分析。

設計的光纖SPR生物傳感器將波長范圍為300 nm左右的紫外光源作為入射光源，傳感部分采用了纖芯25 μm石英光纖作為信號傳輸通道[5]，考慮到銀的SPR特性最好,但是又不如金穩定,較易氧化等原因，本文采用鍍雙層金屬膜的方法制作，內層用厚度為40 nm的銀，外層再鍍一層厚度為10 nm左右的金，對其進行保護與修飾，這樣制作的雙層膜相比單層在同等檢測方式下會使得傳感器具有更高的靈敏度。傳感器結構如圖1所示。

圖1 光纖SPR傳感器結構Fig 1 Optical fiber SPR sensor structure

SPR傳感器是一種親和型光學生物傳感器，具有無標記、實時、在線的檢測生物分子之間的相互作用的特點，抗感染中藥作用機理的研究中，SPR生物傳感器的應用能較好地檢測中藥與細胞因子和受體間的相互作用，從而確定抗感染中藥有效成分對細胞因子及其相應受體結合的影響，有望在抗感染中藥作用的靶點和分子機理研究中取得新的突破。

2 光纖SPR傳感器的應用

2.1 實驗方案

采用直接法進行檢測，為保證抗體與抗原較為充分的作用，將進樣系統設計成U 形試管，光纖SPR傳感器從中通過。采用吸附法將抗感染中藥有效成分與傳感器芯片結合。因此，在U形管中偶聯在傳感器芯片表面的生物識別中藥有效分子與待檢細菌溶液進行作用。最后通過高靈敏度CCD來探測接收光纖末端輸出的光信號，并對該信號進行初級放大進而得到輸出光的強度參數。

采用真空熱蒸鍍法對所使用的ST光纖探針鍍雙層金屬膜[5]。為提高銀膜與光纖襯底之間的粘附力，先在光纖表面鍍上一層大約1 nm左右厚度的鉻層。合適選擇與研究對象作用相關的細胞因子受體體系，以求使實驗過程更接近體內環境。同時還應避免在分離純化過程中破壞了蛋白質的活性和特性，事先將富含相關受體的細胞膜碎片或培養細胞直接結合在傳感器芯片表面，再偶聯抗感染中藥有效成分，檢測相互作用過程，以獲得抗感染中藥藥物反應過程中的吸附和解離常數以及被測對象濃度等相關參數，達到檢測抗感染中藥有效成分對細胞因子及其相應受體結合的影響。

具體技術路線與實驗方案如圖2。

圖2 光纖SPR傳感器應用技術路線框圖Fig 2 Block diagram of application technology roadmap of optical fiber SPR sensor

2.2 抗感染中藥作用實驗

在實驗階段主要需解決以下4個問題：1)選擇具有代表性的細菌和抗感染中藥；2)對受體結合物分子進行分析，改進實驗方案；根據改進方案進行監測實驗，分析實驗結果；3)評估基于光纖SPR傳感器的抗感染中藥作用機理中的可行性，并與其它方法進行對比得出其優勢和未來的應用前景；4)確定抗感染藥物的作用靶點，完成檢測抗感染中藥與細胞因子和受體間的相互作用，微觀的解釋并闡明抗感染中藥的作用機理。

本研究選擇現今分離率較高并且與常見泌尿生殖道疾病有關解脲支原體(Uu)與抗感染中藥尿路清之間的作用過程進行實驗研究，通過設計的光纖SPR傳感器系統對其作用過程進行檢測，結果如表1。

表1 光纖SPR傳感器應用實驗數據結果Tab 1 Experimental data result of optical fiber SPR sensor application

以上數據與采用傳統方法進行檢測結果相符，但本方法具有更加快速與實時的特點。體現了光纖SPR傳感器在抗感染中藥的作用機理研究中的價值,有望為抗感染中藥的作用機理研究提供更合適有效的方案。

3 結束語

本文采用真空熱蒸鍍法對光纖鍍雙層金屬膜的方法制作了光纖SPR生物傳感器，該傳感器具有靈敏度高、實時、在線的特點，通過直接法檢測抗感染中藥與細胞因子和受體間的相互作用，確定抗感染中藥有效成分對細胞因子及其相應受體結合的影響。實驗數據表明：該傳感器較好地完成了抗感染中藥作用過程中的相關必要參數的獲取，從而給出一種較為客觀的抗感染中藥作用機理研究方案，為闡明抗感染中藥作用機理給出依據，也推進了中醫藥現代化的進程。

[1] 賴小美，郭有能，肖黎莉,等.肺炎克雷伯氏菌分布及細菌耐藥性分析[J].江西醫藥，2006，41(11): 888 -889．

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[3] Nienke van de Sande-Bruinsma,Hajo Grundmann,Didier Verloo,et al.Antimicrobial drug use and resistance in Europe[J].Emerging Infectious Disease,2008,14(11):1722-1730.

[4] 隋森芳，肖才德，楊 軍．表面等離子體激元共振生物傳感器[M]．上海: 上海科學技術出版社，2008．

[5] 楊 軍，王 敏，李圓怡，等．一種高精度SPR生物傳感器的設計與實現[J]．傳感器與微系統，2010,29(7):96-98．

[6] Toriyama T，Tanimoto Y，Sugiyama S．Single crystal silicon nano-wire piezoresistors for mechanical sensors[J]．Micro-electro-mechanical Systems，2002，11(5):605-611.

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Application of optical fiber SPR sensor in anti infection mechanism of traditional Chinese medicine*

ZHANG He-lin, ZHANG Kang, ZHANG Guo-long, CHEN Qing-mei

(School of Computer,Jiangxi Traditional Chinese Medicine University,Nanchang 330004,China)

Put forward a detection method based on optical fiber SPR sensor，detect interaction of anti infection traditional Chinese medicine and cytokines and receptors.Vacuum thermal evaporation method is used to plate double layer metal film to fabricate a kind of double metal fiber SPR biosensor,direct method is applied to complete mechanism detection of traditional Chinese medicine.The sensor has working mechanism detection function of traditional Chinese medicine of fast，objective,accurate,and high efficient and corresponding datas are obtained.Application of fiber-optic SPR biosensor makes process detection of working mechanism of traditional Chinese medicine has advantages of high efficient and real time,it is expected to achieve new breakthroughs in target point of anti infection traditional Chinese medicine and molecular mechanism research.

SPR sensor; traditional Chinese medicine; working mechanism

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0155—02

2014—03—06

江西省衛生廳中醫藥科研項目(2013A088)；江西中醫藥大學重點學科資助項目(2013JZZDXK032)

TP 212.3

A

1000—9787(2014)10—0155—02

張鶴林(1979-)，男，湖北黃岡人，碩士,講師，研究方向為醫療電子、傳感器技術。