生物分子传感怎么做？材料学研究者：测测倾斜角 | NSR

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如何测量溶液中的三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate, ATP）浓度？

在近日发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）的一篇文章中，中国地质大学（武汉）的夏帆、黄羽课题组提出了一种新方法：将处理过的溶液滴在一块特制的平板上，按照特定的方向慢慢倾斜平板，并测量当液滴刚刚开始滑动时平板的倾斜角，就可以反推出ATP浓度。

除检测ATP之外，这种“固相液相正交双调控生物传感策略”也可以超灵敏地检测出miRNA、凝血酶、卡那霉素等多种生物标志物，甚至可以用于多种靶标的辨别分析，如区分不同类型的DNA（包括Lamda DNA、Linear DNA、Fish sperm DNA、M13和PUC119）。

特制的生物溶液样品

用于此种检测的生物溶液样品中含有DNA及其他相应成分，当ATP浓度较高时，可以发生显著的“滚环扩增”反应（rolling circle amplification, RCA），形成长链DNA，而在ATP不存在或浓度较低时，无法触发或仅发生少量的RCA反应，使得溶液中的DNA以小片段单元形式存在。

类似的，通过调整溶液的组分，也可以促使RCA反应在溶液中含有miRNA、凝血酶、卡那霉素等其他生物标志物时发生。

特制的“板子”

检测中使用的“板子”当然也是特制的。研究者首先在固体平板上雕刻出微米尺度的沟槽结构，然后又向平板注入润滑剂正癸烷（n-decane），使其进入沟槽并覆盖于平板表面。 

液滴在板子上的流动性能

① 液相调控：液滴与润滑剂的相互作用

润滑剂正癸烷可以与短DNA片段发生强烈的疏水相互作用，但无法与长链DNA发生相互作用，而这种作用会改变液滴在平板上的运动行为。具体来说：

• 当液滴中ATP含量较低时，液滴中的DNA以短片段形式存在，与润滑剂中的正癸烷发生强烈的相互作用（见下图E、F），使得液滴要在更大的平板倾斜角下，才能开始流动；
• 当液滴中ATP含量较高时，液滴中的DNA以长链形式存在，不与润滑剂中的正癸烷相互作用（下图C、D），所以平板只需要较小的倾斜角，液滴就可以开始流动。

因此，液滴中的ATP浓度与临界滑动角之间存在定量关系。

② 固相调控：微槽带来的各向异性

由于平板上刻有微槽，所以液滴在不同方向上的滑动性能是不同的：当平板倾斜方向与微槽平行时，液滴滑动最容易，而垂直时滑动最困难，也就是需要最大的倾斜角才能开始流动。

③ 固相-液相正交耦合，实现“双调节”

研究者用多种方法证实，上述固相调控与液相调控之间是相互“正交”的，因此，这一系统就可以构成“固相-液相双重调节”策略，实现对液滴运动行为的精确控制，从而对多种生物标志物进行超灵敏的检测与辨别。

从下图可以看出，当液滴滑动方向与凹槽平行时，可以获得最宽的动态测量范围，而液滴滑动方向与凹槽垂直时，可以获得最高的检测灵敏度。

精确控制液滴运动的双重调节策略，及其传感应用。图中红色系为固相调控部分，绿色系为液相调控部分。最下方三个图为不同流动方向（0°、45°、90°）下ATP浓度与开始滑动的平板倾斜角（临界滑动角）之间的依赖关系。

在论文最后，作者指出这种双重调节策略仍有改进空间，在进一步完善之后，将可能为超浸润生物传感器、视觉检测等提供新的方向。

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