專利名稱：一種基于納米材料表面催化發(fā)光識別蛋白質(zhì)的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器陣列技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及一種利用納米材料表面催化發(fā)光識別 常見蛋白質(zhì)的方法及其專用傳感器陣列。
背景技術(shù)：
目前，模仿動物嗅覺或味覺器官而開發(fā)的交互響應(yīng)傳感器陣列在氣體檢測和溶液 識別的應(yīng)用都得到了不同程度的研究和開發(fā)。不過，用于溶液樣品識別特別是蛋白等生物 大分子識別的傳感器陣列的種類并不是很多，而且絕大多數(shù)都基于顯色反應(yīng)、熒光淬滅、指 示劑置換等分子間強相互作用，信號響應(yīng)很難回復(fù)，致使傳感器陣列只能做一次性使用，不 符合“電子鼻(舌)”技術(shù)的發(fā)展趨勢。另外，很多傳感器陣列單元都用到了顯色指示劑、有 機熒光染料、高分子受體等穩(wěn)定性較差的物質(zhì)，限制了這類傳感器的實際應(yīng)用。近年來，我 們發(fā)展了基于待測物分子在具有催化活性的納米材料表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生化學(xué) 發(fā)光的原理的納米催化發(fā)光氣敏傳感器，具有選擇性好、響應(yīng)速度快、恢復(fù)快、傳感材料無 損耗、使用壽命長的特點，并且利用發(fā)光成像的方法構(gòu)建了納米材料的陣列能對乙醇、三甲 胺、苯甲醛等揮發(fā)性有機物進(jìn)行識別檢測，然而還不能應(yīng)用到一些生物大分子等不易揮發(fā) 物質(zhì)例如蛋白質(zhì)的識別檢測中去。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能夠識別蛋白質(zhì)溶液種類的傳感器裝置。基于納米材料表面催化發(fā)光識別蛋白質(zhì)的裝置，其特征在于，含有石英封裝組件， 在石英封裝組件上設(shè)置有進(jìn)氣口、出氣口和密封蓋，在所述石英封裝組件的上方設(shè)置光電 倍增管，所述光電倍增管連接信號處理電路；在所述石英封裝組件內(nèi)放置表面涂敷或燒結(jié) 有不同納米材料的六塊或六塊以上電熱陶瓷片構(gòu)成的熱電傳感元件陣列；所述電熱陶瓷片 之間在電氣上并聯(lián)，電熱陶瓷片連接的引線穿過所述石英封裝組件，連接外部直流電源。所述納米材料是Pt-Ba-Al、Mg0、Zr02、y -A 1203>MgCO3> SrCO3>BaO, CaO, Sr0 和 Lei2O3 中的任意六種或以上。在所述石英封裝組件上方，位于光電倍增管下方放置一個單色器。基于納米材料表面催化發(fā)光識別蛋白質(zhì)的方法，其特征在于，含有以下步驟1)配制待測蛋白質(zhì)溶液，濃度為5-50 μ g/mL ；2)將六種或六種以上納米材料以粉體或燒結(jié)方式分別涂敷在至于石英封裝組件 內(nèi)的電熱陶瓷片陣列表面；3)將電熱陶瓷片陣列升溫至500°C 士50°C度，使得電熱陶瓷片活化；4)向石英封裝組件內(nèi)通入反應(yīng)氣體；5)將配制好的蛋白質(zhì)溶液滴加到所述電熱陶瓷片陣列表面，待蛋白質(zhì)溶液中的 水分揮發(fā)干，再將電熱陶瓷片陣列依次通電，電壓在65V士5V，使得電熱陶瓷片表面升溫至 2000C 士20°C，蛋白質(zhì)在納米材料的催化下與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的產(chǎn)物或中間態(tài)，激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時能量以發(fā)光的方式發(fā)出；6)光電倍增管將發(fā)出的光放大后，將光信號傳輸?shù)叫盘柼幚硌b置進(jìn)行處理，完成 蛋白質(zhì)的檢測。所述反應(yīng)氣體是潔凈空氣或隊與A以任意比例混合的混合氣體。所述納米材料是Pt-Ba-Al、Mg0、Zr02、y -A 1203>MgCO3> SrCO3>BaO, CaO, Sr0 和 Lei2O3 中的任意六種或以上。有益效果，本發(fā)明提供的基于納米材料表面催化發(fā)光識別蛋白質(zhì)的裝置及方法， 能夠來有效的識別不同蛋白質(zhì)，達(dá)到了預(yù)期的目的。


圖1為基于納米材料表面化學(xué)發(fā)光的裝置結(jié)構(gòu)正視圖和傳感器陣列俯視圖。圖2為8種蛋白質(zhì)水溶液的催化發(fā)光信號圖，每張圖的六個峰分別代表該蛋白依 次在Pt-Ba-Al，MgO, ZrO2, y -Al2O3, MgCO3, SrCO3這六種納米材料上的催化發(fā)光信號。圖3為8種蛋白質(zhì)水溶液在六種納米材料上的催化發(fā)光強度柱形圖。圖4為經(jīng)過線性判別分析(LDA)得到的各蛋白典型性評分散點圖。圖5為8種蛋白質(zhì)水溶液在不同濃度條件下在Pt-Ba-Al上的催化發(fā)光信號圖，每 張圖的六個峰分別代表該蛋白濃度為5、10、20、30、40、50yg/mL時的催化發(fā)光信號。
具體實施例方式本發(fā)明提供的識別蛋白傳感器陣列，包括帶有進(jìn)氣口、出氣口和密封蓋的石英封 裝陣列組件；其中，所述石英封裝陣列組件的內(nèi)腔中，設(shè)有表面涂敷或燒結(jié)有納米材料的6 塊以上電熱陶瓷片構(gòu)成的傳感元件陣列；每個傳感單元的電熱陶瓷片的兩端分別固定于電 極上；所述各電極用引線穿出所述密封蓋，連接到暗室外控制加熱順序和加熱溫度的電路 上。該傳感器中，各種對蛋白質(zhì)具有催化發(fā)光特性的納米材料均適用于該傳感器，如 Pt-Ba-Al, MgO, ZrO2, Y-Al2O3，MgCO3, SrCO3等；各種常見的發(fā)熱溫度較高的電熱陶瓷片均 適用于該傳感器。該傳感器還包括設(shè)于所述石英封裝組件上方的光信號接收器，該光信號 接收器可由單色器和光電倍增管組成。電熱陶瓷片的功率和大小、兩電極之間的最大電壓 及最大電流均可根據(jù)實際需要選取。本發(fā)明提供的識別蛋白的方法，是將蛋白質(zhì)水溶液(5_50μ g/ml)滴加到每個陣 列單元(涂敷有不同納米材料的電熱陶瓷片)上，待溶液中水分揮發(fā)干，再將加熱片通電， 蛋白質(zhì)就在納米材料的催化下與從進(jìn)氣口進(jìn)來的空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的產(chǎn)物 或中間態(tài)，激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時能量以發(fā)光的方式發(fā)出，通過檢測這一化學(xué)發(fā)光信號，完成 蛋白質(zhì)的檢測。同時，通過順序加熱6個陣列單元，順序采集發(fā)光信號的方式，我們能得 到蛋白質(zhì)在陣列上的催化發(fā)光響應(yīng)信號模式圖，再利用計算機進(jìn)行線性判別分析(Linear Discriminant Analysis，LDA)或主成分分析(Principal Component Analysis，PCA)，得到 各蛋白質(zhì)水溶液的區(qū)分分類結(jié)果，實現(xiàn)多種蛋白質(zhì)的識別檢測。該方法是利用納米材料催化水溶液中的蛋白質(zhì)產(chǎn)生發(fā)光的特性，按陣列識別的模 式，對各蛋白質(zhì)水溶液進(jìn)行鑒別。催化反應(yīng)的反應(yīng)溫度由發(fā)熱的電熱陶瓷片提供，具體反應(yīng)溫度為蛋白在納米材料催化下與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)的溫度，如150-300°C，優(yōu)選205°C。通 入空氣的流速為75-375mL/min，優(yōu)選200mL/min，空氣也可由隊與仏以任意比例混合的混 合氣來替代。本發(fā)明利用納米材料表面對蛋白質(zhì)有催化發(fā)光的特點，并且不同材料對同種蛋白 的催化發(fā)光強度有所差別，不同蛋白在同種材料上的催化發(fā)光強度也不同，可以形成“指紋 信息”作為識別蛋白質(zhì)的依據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建了納米材料陣列，實現(xiàn)對不同蛋白質(zhì)的識別檢測。 該陣列傳感器結(jié)構(gòu)簡單，同時還具有能耗和熱背景低、無試劑損耗、重復(fù)性好、壽命長的特 點，可作為“電子舌”對蛋白質(zhì)水溶液進(jìn)行識別。下面結(jié)合

本發(fā)明的具體實施方式
。圖1為本發(fā)明提供的納米材料表面化學(xué)發(fā)光的傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖。該傳感器 陣列的構(gòu)成如下六組電熱陶瓷片5及在其表面涂敷納米材料6構(gòu)成的傳感元件固定電路 板上(電路板的設(shè)計使得六組電熱陶瓷片并聯(lián)，并分別安有電壓控制系統(tǒng))，兩根引線7、8 穿過密封蓋3，置于帶有進(jìn)氣口 1和出氣口 2的石英封裝組件4。其中，電路連接使得六組 電熱陶瓷片可以依次加熱。另外，此裝置還包括石英封裝組件上部的光信號接收器單色器 9和光電倍增管10。下述實施例中所用傳感器的電熱陶瓷片大小為IOX IOmm2/片，也可根據(jù)實際需要 將陶瓷片面積調(diào)大，但不要超過300mm2/片，施加在每片電熱陶瓷片之間的電壓在適當(dāng)范圍 內(nèi)。本發(fā)明提供的識別蛋白質(zhì)水溶液的具體檢測過程如下將納米材料6以粉體或薄膜的形式按照常規(guī)方法涂敷或燒結(jié)在電熱陶瓷片5的表 面，加熱至500°C或以上，保持溫度IOmin以上，以消除吸附物的干擾。先在各傳感單元的納 米材料表面上滴加10 μ L(也可以是5-20 μ L)蛋白質(zhì)水溶液，待溶液中水分揮發(fā)干，再將加 熱片通電，蛋白質(zhì)就在納米材料的催化下與從進(jìn)氣口 1進(jìn)來的空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生激 發(fā)態(tài)的產(chǎn)物或中間態(tài)，激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時能量以發(fā)光的方式發(fā)出，通過光電倍增管放大后 電腦自動記錄這一化學(xué)發(fā)光信號，完成蛋白質(zhì)的檢測。對要測試的各種蛋白質(zhì)水溶液以相 同的方法重復(fù)測試5-7次，最后將每種蛋白質(zhì)水溶液在納米材料陣列表面的催化發(fā)光模式 圖輸送至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，經(jīng)LDA或PCA運算處理，成功將蛋白質(zhì)區(qū)分和識別。下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。實施例1將六種納米材料Pt-Ba-Al，MgO，ZrO2, y -Al2O3, MgCO3, SrCO3以粉體的形式分別涂 敷在六塊加熱陶瓷片表面，升溫至500°C，保持lOmin，以消除吸附物的干擾。流通氣氣體為 潔凈空氣(由空氣泵發(fā)生)，流速在lOOmL/min左右。取10 μ L蛋白質(zhì)水溶液，如10 μ L牛 血清白蛋白(BSA)水溶液(濃度可在5-50 μ g/mL)，滴加到每個納米材料的表面，待溶液中 水分揮發(fā)干，再將六個加熱片依次通電，電壓在65V士5V，此時納米材料表面會產(chǎn)生205°C 左右的高溫，蛋白質(zhì)就在納米材料的催化下與從進(jìn)氣口進(jìn)來的空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生激 發(fā)態(tài)的產(chǎn)物或中間態(tài)，激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時能量以發(fā)光的方式發(fā)出，通過光電倍增管放大后 電腦自動記錄這一化學(xué)發(fā)光信號，完成蛋白質(zhì)的檢測。(得到6種不同的？？)實施例2將六種納米材料Pt-Ba-Al，MgO，ZrO2, y -Al2O3, MgCO3, SrCO3以粉體的形式分別涂敷在六塊加熱陶瓷片表面，升溫至500°C，保持lOmin，以消除吸附物的干擾。流通氣氣體為 潔凈空氣(由空氣泵發(fā)生)，流速在lOOmL/min左右。配制牛血清白蛋白，人血清白蛋白，卵 清白蛋白，溶菌酶，核糖核酸酶，胰蛋白酶，胃蛋白酶，木瓜蛋白酶這八種蛋白的水溶液，濃 度均控制在10yg/mL。對每一種蛋白質(zhì)的水溶液均先行滴加到每個陣列單元表面，待溶液 中水分揮發(fā)干，再將加熱片通電，65V士5V，蛋白質(zhì)就在納米材料的催化下與從進(jìn)氣口進(jìn)來 的空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的產(chǎn)物或中間態(tài)，激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時能量以發(fā)光的方式 發(fā)出，通過檢測這一化學(xué)發(fā)光信號，完成蛋白質(zhì)的檢測。同時，通過順序加熱6個陣列單元， 對每種蛋白質(zhì)在6種納米材料上產(chǎn)生的發(fā)光信號進(jìn)行順序采集，我們能得到蛋白質(zhì)在陣列 上的催化發(fā)光響應(yīng)信號模式圖(圖幻。對這8種蛋白質(zhì)均進(jìn)行上述操作和測試。實施例3將實施例2中的實驗重復(fù)若干次(一般為5-7次)，得到8種蛋白質(zhì)的指紋譜圖， 從圖3我們可以很清楚地看到不同材料對同種蛋白的催化發(fā)光強度有所差別，不同蛋白在 同種材料上的催化發(fā)光強度也不同，各個蛋白之間的差別一目了然。再將各個蛋白質(zhì)水溶 液在傳感器陣列上的催化發(fā)光強度原始數(shù)據(jù)輸入電腦，用SPSS vl6. 0(也可使用SYSTAT等 其它統(tǒng)計軟件)進(jìn)行LDA分析，得到如圖4的各蛋白典型性評分散點圖，由此圖可以看出對 于同種蛋白，五次重復(fù)實驗得到5個典型性評分點都聚集到一個較小的空間區(qū)域里，而不 同蛋白之間的典型性評分點空間距離相對分開，即對于我們測試的8種蛋白來講典型性評 分點分布在了空間八個區(qū)域，準(zhǔn)確完成了這八種蛋白質(zhì)水溶液的識別。實施例4 配制牛血清白蛋白，人血清白蛋白，卵清白蛋白，溶菌酶，核糖核酸酶，胰蛋白酶， 胃蛋白酶，木瓜蛋白酶這八種蛋白的水溶液，對于每種蛋白都配制六例濃度分分別為5、10、 20、30、40、50 μ g/mL的水溶液。然后按照實施例2所述的方法在Pt-Ba-Al單種納米材料上 對這8種蛋白分別從低濃度樣品測到高濃度樣品，得到如圖5的信號結(jié)果。從該結(jié)果可以 看出，對于這八種蛋白來說濃度從低到高變化時在納米材料上的催化發(fā)光強度也從低到高 變化，說明該成果可對不同濃度蛋白進(jìn)行區(qū)分。
權(quán)利要求
1.基于納米材料表面催化發(fā)光識別蛋白質(zhì)的裝置，其特征在于，含有石英封裝組件，在 石英封裝組件上設(shè)置有進(jìn)氣口、出氣口和密封蓋，在所述石英封裝組件的上方設(shè)置光電倍 增管，所述光電倍增管連接信號處理電路；在所述石英封裝組件內(nèi)放置表面涂敷或燒結(jié)有 不同納米材料的六塊或六塊以上電熱陶瓷片構(gòu)成的熱電傳感元件陣列；所述電熱陶瓷片之 間在電氣上并聯(lián)，電熱陶瓷片連接的引線穿過所述石英封裝組件，連接外部直流電源。
2.如權(quán)利要求1所述的基于納米材料表面催化發(fā)光識別蛋白質(zhì)的裝置，其特征在于， 所述納米材料是 Pt-Ba-Al、MgO、ZrO2、γ _A1203、MgC03、SrC03、BaO、CaO、SrO 和 Lei2O3 中的任 意六種或以上。
3.如權(quán)利要求1所述的基于納米材料表面催化發(fā)光識別蛋白質(zhì)的裝置，其特征在于， 在所述石英封裝組件上方，位于光電倍增管下方放置一個單色器。
4.基于納米材料表面催化發(fā)光識別蛋白質(zhì)的方法，其特征在于，含有以下步驟1)配制待測蛋白質(zhì)溶液，濃度為5-50μg/mL ；2)將六種或六種以上納米材料以粉體或燒結(jié)方式分別涂敷在至于石英封裝組件內(nèi)的 電熱陶瓷片陣列表面；3)將電熱陶瓷片陣列升溫至500°C士50°C度，使得電熱陶瓷片活化；4)向石英封裝組件內(nèi)通入反應(yīng)氣體；5)將配制好的蛋白質(zhì)溶液滴加到所述電熱陶瓷片陣列表面，待蛋白質(zhì)溶液中的水 分揮發(fā)干，再將電熱陶瓷片陣列依次通電，電壓在65V士5V，使得電熱陶瓷片表面升溫至 2000C 士20°C，蛋白質(zhì)在納米材料的催化下與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的產(chǎn)物或中間 態(tài)，激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時能量以發(fā)光的方式發(fā)出；6)光電倍增管將發(fā)出的光放大后，將光信號傳輸?shù)叫盘柼幚硌b置進(jìn)行處理，完成蛋白 質(zhì)的檢測。
5.如權(quán)利要求4所述的基于納米材料表面催化發(fā)光識別蛋白質(zhì)的方法，其特征在于， 所述反應(yīng)氣體是潔凈空氣或隊與A以任意比例混合的混合氣體。
6.如權(quán)利要求4所述的基于納米材料表面催化發(fā)光識別蛋白質(zhì)的方法，其特征在于， 所述納米材料是 Pt-Ba-Al、Mg0、Zr02、γ _A1203、MgC03、SrC03、BaO、CaO、SrO 和 Lei2O3 中的任 意六種或以上。
全文摘要
本發(fā)明屬于傳感器陣列技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于，是將蛋白質(zhì)水溶液滴加到涂敷有不同納米材料的多個電熱陶瓷片上，順序通電加熱，蛋白質(zhì)在納米材料的催化下與從進(jìn)氣口進(jìn)來的空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生激發(fā)態(tài)的產(chǎn)物或中間態(tài)，激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時能量以發(fā)光的方式發(fā)出，通過檢測化學(xué)發(fā)光信號，完成蛋白質(zhì)的檢測。本發(fā)明還提出了實現(xiàn)該方法的裝置，含有石英封裝組件，在其上設(shè)置進(jìn)氣口、出氣口和密封蓋，在其上方設(shè)置光電倍增管，光電倍增管連接信號處理電路；在組件內(nèi)放置表面涂敷或燒結(jié)有不同納米材料的電熱陶瓷片；電熱陶瓷片之間電氣上并聯(lián)，并連接外部直流電源。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單，能耗和熱背景低、無試劑損耗、重復(fù)性好、壽命長等特點。
文檔編號G01N21/71GK102072896SQ201010530958
公開日2011年5月25日 申請日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者孔浩, 張四純, 張新榮 申請人:清華大學(xué)