石英晶體微天平在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

 生物醫(yī)學(xué)方面，在QCM探頭電極上修飾具有生物活性的特異選擇功能膜即作了壓電晶體生物傳感器,因其對質(zhì)量變化的高敏感性，傳感器具有特異性好、靈敏度高、成本低廉和操作簡便等優(yōu)點。現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于分子生物學(xué)、病理學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷學(xué)、細菌學(xué)等研究領(lǐng)域,今年來在研究和檢測蛋白質(zhì)、微生物、核酸、酶、細胞等方面都發(fā)揮了重要的作用，具有廣闊的發(fā)展前景。
1、蛋白質(zhì)檢測：
QCM法檢測蛋白質(zhì)是基于免疫反應(yīng)原理建立,在石英電極表面固定抗原/抗體,與待測溶液中的特異性抗體/抗原發(fā)生免疫結(jié)合,形成的復(fù)合物沉積在電極表面,引起石英晶體振蕩頻率下降利用抗原-抗體免疫結(jié)合反應(yīng)引起質(zhì)量變化而制成的石英晶體微天平。目前QCM技術(shù)已應(yīng)用于免疫球蛋白、白蛋白、纖維蛋白(原)及降解產(chǎn)物、補體、酶蛋白、甲狀腺素、人絨毛膜促性腺激素及皮質(zhì)醇等檢測。基于壓電石英晶體液相振蕩的實現(xiàn)，對反應(yīng)體系實施采樣、進行連續(xù)監(jiān)測，1996年的時候，我國有科研人員研究了IgM免疫放映中IgM 抗原在固體抗體表面吸附過程，推導(dǎo)了抗原過量情況下的反應(yīng)動力學(xué)方程，首次計算了免疫反應(yīng)的Arrhenius活化能，理論推導(dǎo)與實驗結(jié)果相吻合。近年來，瑞典Q-sense AB 公司開發(fā)了QCM-D技術(shù)，此技術(shù)的核心是石英晶體傳感器。在電極兩端加入一個交流電壓，在石英晶體傳感器的共振頻率處引發(fā)一個小的剪切振動，當(dāng)交流電壓關(guān)閉后，振動呈指數(shù)衰減，這個衰減被記錄下來，得到共振頻率(f)和耗散因子(D)兩個參數(shù)。每秒鐘獲得多個頻率和耗散因子數(shù)據(jù)，可方便用于反應(yīng)動力學(xué)的計算。與放射免疫法、酶聯(lián)免疫法相比，具有更好的選擇性、更寬的線性范圍，且不需要生物分子標(biāo)記。
2、微生物：
利用細菌抗原-目標(biāo)細菌抗體相結(jié)合的原理，對細菌進行檢測。1992 年，Plomer等人首次用這種方法檢測到了腸球菌，現(xiàn)已大規(guī)模發(fā)展，掌握了對白色念珠菌、大腸桿菌、沙門氏菌、霍亂弧菌等多種細菌的檢測手段。Fung等人改進了抗體在奠基表面的吸附過程，使其凝聚，工作范圍達到了102 ～105 cells/L,檢測限1. 7 ×102cells/L。應(yīng)用廣的病毒檢測法是將病毒抗原固定在電極表面的QCM技術(shù)檢測待測溶液中的病毒抗體。有學(xué)者經(jīng)葡萄球菌蛋白A將病毒的單克隆抗體固定在QCM電極上，直接檢測病毒顆粒(5*104~1*109/石英晶體表面)。與酶標(biāo)免疫反應(yīng)檢測法相比，除了無分子標(biāo)記外，假陽性反應(yīng)也可以降低很多。目前用于檢測柯薩奇病毒、肝炎病毒、皰疹病毒、登革熱病毒及HIV等感染性疾病。石英晶體微天平對粘度和密度的響應(yīng)，利用涂有固體培養(yǎng)基薄膜的QCM，通過對加入菌液后明膠培養(yǎng)基薄膜溶解后凝固過程的測定而間接測定微生物。
3、核酸：
1988 年Fawcett 等首次采用QCM 技術(shù)測定RNA /DNA分子雜交反應(yīng),從而開創(chuàng)了DNA 壓電傳感器研究酶的先例。DNA壓電傳感器工作原理就是將ssDNA探針固定在電極表面,然后浸入含有目標(biāo)ssDNA 分子的溶液中。當(dāng)電極上的核酸探針與溶液中目標(biāo)ssDNA分子雜交后,晶體表面質(zhì)量增加而引起振蕩頻率的降低。QCM法檢測核酸技術(shù)的大優(yōu)點是操作簡便、快速,特別在人工培養(yǎng)難度大、鑒定過程復(fù)雜的病原微生物的實驗診斷中發(fā)揮了重要作用。此外，石英晶體微天平還用于基因突變的檢測。在QCM電極表面涂抹MutS，一種與dsDNA 分子中錯配堿基對結(jié)合的蛋白，如果目標(biāo)dsDNA分子存在錯配，就會發(fā)生結(jié)合反應(yīng)，產(chǎn)生復(fù)合物沉積，可以檢測單堿基突變和1~4 個堿基對的插入突變。
4.凝血因子：
常規(guī)的方法是以血漿凝固反應(yīng)為基礎(chǔ)，觀測反映體系中黏度、光密度的變化判定反應(yīng)的終點，由于實驗者肉眼觀察、手工操作的不一致性，存在著很多的不利。而利用QCM檢測凝血因子活性，使用10MHz 鍍銀石英晶體，通過實時變化判斷起點和終點，此法快速、準(zhǔn)確、低成本。
5. 細胞檢測：
目前主要兩個應(yīng)用，一是通基于受體-配體的親和反應(yīng)，建立QCM系統(tǒng)檢測多種血液中細胞含量。另一是腫瘤細胞的檢測，把胞外基質(zhì)蛋白固定在壓電石英電極上,在整合素介導(dǎo)下,待測的人卵巢癌細胞與胞外基質(zhì)蛋白發(fā)生粘附作用。形成胞外基質(zhì)蛋白-整合素—癌細胞的三明治樣結(jié)構(gòu),電極質(zhì)量的增加與電極振蕩頻率的下降改變符合Sauerbrey 方程。