微悬臂梁传感器对固液界面上核酸适配体-配体间反应动力学与热力学的研究

来源：ACS美国化学会

使用生物传感器检测溶液中待测物时，无论反应进行、能量传递还是信号转换过程，其发生场所都是固液界面。因此定量研究固液界面上生化反应的动力学和热力学有助于理解生物传感机理、完善传感器性能、评估界面设计与材料优化、最终指导生物传感器的设计与制造。核酸适配体(Nucleic Acid Aptamer)作为一种常用的生物传感器识别元件，它在生物传感界面上与其配体的反应动力学与热力学值得深入研究。微悬臂梁传感器可以连续、实时地将谐振频率转换为界面上所捕获分子的质量，且无需任何标记，是研究固液界面上动力学与热力学的高效有力工具。

图1. 平面谐振微悬臂梁传感器在溶液中的工作原理示意图

作者团队利用MEMS技术制备了一种新型谐振微悬臂梁传感器，在其液相环境接触面上构建了疏水的Parylene保护壳和环形疏水狭缝，仅使悬臂梁的传感微区域暴露于水溶液中，当反应进行时，悬臂梁主体部分仍处于在气态环境中进行谐振。此微悬臂梁传感器能够有效克服水溶液阻尼效应，实现了液态环境中的高Q值谐振测量，并且能够在多个温度条件下保证检测信号的稳定性，非常适合在多种条件下对固液界面上的反应动力学与热力学进行连续、在线数据采集。

图2.利用谐振微悬臂梁传感器提取动力学参数路线图

本工作将液相谐振式微悬臂梁应用于同一反应体系中，连续记录界面上的核酸适配体与ATP的结合(association)与解离(dissociation)过程，得到了频率变化信号与时间响应曲线。通过分析微悬臂梁传感器输出的频率-时间曲线，利用经典物理化学理论计算得出了固液界面上核酸适配体与ATP的一系列动力学及热力学参数(结合/解离平衡常数KA/KD，吉布斯自由能△G°，表面覆盖度θ，结合/解离速率常数ka/kd，反应活化能Ea)，与经典方法测得的参数高度吻合。此外，本工作还首次检测出了ATP与其核酸适配体的反应活化能Ea。

图3.以ATP的核酸适配体传感器为模型，利用谐振微悬臂梁传感器提取其固液界面反应的动力学与热力学参数

本方法基于微悬臂梁传感器的微称重检测模式，无需对溶液中的配体进行标记即可进行直接检测，再根据频率-时间曲线简便快捷地获取固液界面上的反应动力学及热力学参数。通过一个微悬臂梁传感器采集到的数据可以一次性提取多个动力学与热力学参数，同时避免多次试验、多种仪器引入的系统误差，且无需对微悬臂梁传感器进行质量灵敏度标定，简化了实验步骤，提高了测定效率。此工作所开发的谐振微悬臂梁传感器具有极高的灵敏度，克服了其他方法只能检测大分子的局限，适用于研究分子量低的小分子与其核酸适配体在固液界面上的相互作用机理。