一种利用超声波监测小分子与生命大分子相互作用的装置及方法

摘要

一种利用超声波监测小分子与生命大分子相互作用的装置和方法，它包括分子反应器上的超声波发射和接收装置、功率放大装置、信号采集装置、信号处理装置，发射并接收通过反应器的超声波信号，选取超声波信号的频率f、振幅A、能量E、声速V或者四者之间的组合参数作为超声波特征值，由特征值的变化分析反应过程中小分子在生命大分子上的聚集过程、构象转变和聚集程度，并根据分析结果进行生命大分子的定量测定、作用机理的研究。

说明书

技术领域

本发明涉及一种小分子与生命大分子相互作用过程中的超声波监测装置和相关监测方法，尤其药物分子与核酸和蛋白质相互作用过程中的超声波监测。

背景技术

以核酸和蛋白质为代表的生命大分子的分析测定，以及研究小分子特别是药物分子与核酸和蛋白质相互作用的机理是生命科学研究中最重要的技术之一。目前主要是应用核酸和蛋白质内源紫外吸收光谱的紫外分光光度法、基于荧光探针分子与核酸和蛋白质相互作用的荧光分光光度法，以及近年来兴起的共振光散射技术。紫外分光光度法灵敏度低，荧光分光光度法试剂昂贵，有毒性，共振光散射技术的适用体系有限。而且这三种主要的方法都存在基体干扰大、定量测定的线性范围窄、光谱精细结构信号不足、不适用于光稳定性差的物质和大浓度条件下的监测等缺点。

小分子与生命大分子的相互作用过程当中，一种比较常见的方式是大量小分子在核酸和蛋白质大分子上不同部位的聚集，进而引起大分子构象的转变以及大颗粒聚集体的形成。当这种相互作用很强烈、形成很大的颗粒和超分子体系、浓度很大、小分子是光不稳定性物质、以及直接研究小分子与以病毒、细菌、细胞为代表的生命大分子聚集体相互作用的时候，会导致紫外光谱反映不出真实的相互作用、荧光的强烈淬灭、共振光散射过于强烈无法透过的问题。换句话说，这三种光谱分析法只适合于光稳定性小分子、小粒子、稀溶液的情形，而且只能用于静态分析。

超声波跟踪是近年来发展起来的一种新的非接触性探测技术，它具有方便快捷、安全环保、适应性强、灵敏度高和成本低廉的特点，目前已经被用于某些化工过程的在线监控等。但是未见在小分子与生命大分子相互作用过程中进行超声波监测应用。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题是针对现有背景技术而提供一种利用超声波监测小分子与生命大分子相互作用的装置，其使用方便快捷，安全环保，适应性强，灵敏度高和成本低廉优点，可以在线监测小分子与生命大分子相互作用的过程，通过超声波在介质传播中发生的超声波信号参数的变化规律，实现小分子与生命大分子相互作用过程的在线监测。

本发明所要解决的另一个技术问题是针对现有背景技术而提供一种利用超声波监测小分子与生命大分子相互作用的方法，其方便快捷，安全环保，适应性强，灵敏度高和成本低廉优点，可以在线监测小分子与生命大分子相互作用的过程，通过超声波在介质传播中发生的超声波信号参数的变化规律，实现小分子与生命大分子相互作用过程的在线监测。

本发明解决上述首要技术问题所采用的技术方案为：一种利用超声波监测小分子与生命大分子相互作用的装置，其特征在于它包括超声波发射装置、超声波接收装置、信号采集装置、信号处理装置，其中超声波发射装置和超声波接收装置至少位于分子反应器的附近并相互配合，使超声波接收装置接收到超声波发射装置发出的并透过分子反应器的超声波信号，超声波接收装置将信号输出连接到信号采集装置，信号采集装置输出相关信号输送连接到信号处理装置。

作为改进，所述的超声波接收装置将信号输出经过功率放大装置进行放大，再连接到信号采集装置，以提高信号处理灵敏性，扩大应用范围。

再改进，所述的超声波发射装置、超声波接收装置设置在分子反应器壁面处，并做成收发一体式的，以方便使用。

再改进，所述的超声波发射装置和超声波接收装置带有一个或多个超声波传感器，以扩大使用范围。

优选，所述的超声波发射装置和超声波接收装置其超声波信号的发射和接收频率范围为20kHz～20MHz；超声波信号的发射和接收频率最佳范围为100kHz～5MHz。

本发明解决上述另一个技术问题所采用的技术方案为：一种利用超声波监测小分子与生命大分子相互作用的方法，其特征在于：

装置为包括超声波发射装置、超声波接收装置、信号采集装置、信号处理装置，其中超声波发射装置和超声波接收装置至少位于分子反应器的附近并相互配合，使超声波接收装置接收到超声波发射装置发出的并透过分子反应器的超声波信号，超声波接收装置将信号输出连接到信号采集装置，信号采集装置输出相关信号输送连接到信号处理装置；

测试步骤依次为：

(1)通过调节超声波发射装置，向分子反应器内部发射频率为f，功率为w的超声波；

(2)超声波接收装置接收透过分子反应器反应过程中超声波信号的变化；

(3)信号处理装置分析接收到的超声波信号，选取超声波信号的频率f、振幅A、能量E、声速V或者四者之间的组合参数作为超声波特征值；

(4)通过超声波特征值的变化在线监测小分子与生命大分子的相互作用过程。

所述的小分子与生命大分子的相互作用过程是指小分子在生命大分子上的聚集过程。

非常有益的是，所述的监测是通过小分子与生命大分子相互作用过程中超声波信号的频率f、振幅A、能量E、声速V的变化以及四者之间的组合特征值的变化规律定量分析小分子在生命大分子上的聚集程度，并根据分析结果进行体系中生命大分子含量的测定。

非常有益的是，所述的监测是通过小分子与生命大分子相互作用过程中超声波信号的频率f、振幅A、能量E、声速V的变化定性分析反应过程中小分子在生命大分子上的聚集过程和作用机理、生命大分子的构象翻转等。

最后，所述的小分子与生命大分子的相互作用过程是指先将核酸或蛋白质用去离子水配制成一定浓度的溶液，取定量体积的溶液加入到使用磁力搅拌的分子反应器中，然后用自动滴定仪控制滴加速度，将事先配好的一定浓度的小分子水溶液加入，随着小分子的加入量不断增加，小分子在生命大分子上不断聚集，到达一定程度时会引起核酸或蛋白质的构象翻转，并进一步增大聚集程度，最终可以形成足够大的颗粒聚集体。

与现有技术相比，本发明的优点在于：提出了一种超声波监测小分子与生命大分子相互作用的装置和方法，首次尝试应用现代高速声波跟踪的方法原位在线监测小分子与生命大分子相互作用的过程，通过超声波在介质传播中发生的超声波信号的频率f、振幅A、能量E、声速V的变化以及四者之间的组合特征值的变化规律，实现小分子与生命大分子相互作用过程的在线监测。实际使用情况证明本发明具有敏感、安全环保、简易快捷等特点，在实践中对小分子在生命大分子上的聚集过程能及时准确的在线分析，并通过分析结果去研究小分子与生命大分子上的作用机理和聚集程度、生命大分子的构象转变、进行生命大分子的定量测定，具有重要的实用价值。

具体地阐述，本发明的装置和技术与现有的装置技术相比有如下一些优点：

1)超声波对小分子与生命大分子相互作用过程的监测非常灵敏，能够随着反应系统的变化在特征量出现较大变化甚至突变，并且对这些变化存在空间或时间上的高敏感性。特别是对小分子在生命大分子上的聚集，引起大分子构象的翻转，并进一步形成大颗粒聚集体的情形，提供了一种快速的、动态的方法深入研究相互作用机理；而常规的光谱分析法一般只用于静态研究。

2)超声波监测装置是非插入式的，安装时候只要直接固定于分子反应器壁面上就可以了，简易方便，因此不会影响分子反应器内部的流场，对系统内部的流动和反应不会造成影响。

3)检测用超声波是一种能量非常低的机械波，其对分子的电子能级以及分子之间的相互作用不会产生任何影响，因此在原位跟踪小分子与生命大分子相互作用的过程中不会对其产生任何干扰；而常规的光谱分析法虽然产生的干扰通常可以忽略，但是对于光敏感性很强的物质的干扰往往不能忽略，且又很难加以克服。

4)超声波信号能很好地替代现有的光散射监测方法，特别是用于高浓度、大颗粒、小分子与细胞、细菌、病毒的相互作用、光不稳定性物质的情形，此时，常规的紫外、荧光、共振光散射三种光谱法均不适用。

5)在超声波监测小分子与生命大分子相互作用的过程中，能够同时完成生命大分子的定量测定。虽然不如光谱法灵敏、准确、检测下限极低，但因其只对形成的大颗粒聚集体敏感，而对于分子级分散的物质不敏感，所以比常规光谱法具有更宽的线性范围、更大的检测上限、更强的抗干扰能力，对于定量要求不高的场合可以省去样品的预分离、处理过程，允许溶液中大量电解质或小分子溶质的存在，对于快速、原位、在线监测具有无比的优越性。

6)本发明的成功完全可以推广应用到高分子溶液体系、胶体体系、表面活性剂体系、纳米悬浮体系、超分子体系等的研究当中，例如跟踪高分子的絮凝过程、胶束的形成和聚集过程、纳米粒子的团聚过程、超分子的自组装过程，等等。

7)超声波监测是一种安全、绿色环保的方法，对人体无害；能够提供丰富的信号，是对光谱法的一个有效补充。

附图说明

图1是本发明使用的小分子与生命大分子相互作用过程的反应装置；

图2a是本发明使用的小分子与生命大分子相互作用过程的超声波监测装置；

图2b是本发明使用的小分子与生命大分子相互作用过程的超声波监测装置；

图3是运用本发明小分子与生命大分子相互作用过程声速随反应的变化图；

图4是运用本发明小分子与生命大分子相互作用过程超声衰减比随反应的变化图；

图5是运用本发明小分子与生命大分子相互作用过程超声衰减比随加入量的变化图；

图6是运用本发明小分子与生命大分子相互作用过程最大声速随浓度的变化图；

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图2a、b所示意，一种利用超声波监测小分子与生命大分子相互作用的装置，其包括超声波发射装置1、超声波接收装置2、功率放大装置3、信号采集装置4、信号处理装置5，其中超声波发射装置1和超声波接收装置2至少位于分子反应器的附近并相互配合，使超声波接收装置2接收到超声波发射装置1发出的并透过分子反应器的超声波信号，超声波接收装置2将信号输出，经过功率放大装置3进行放大，再将信号输出连接到信号采集装置4，信号采集装置4输出相关信号输送连接到信号处理装置5。本实施例子中，信号采集装置4主要是实现A/D信号转换装置，而信号处理装置5是计算机进行数据分析和处理、存储。并且超声波发射装置1和超声波接收装置2可以带有一个或多个超声波传感器。超声波发射装置1、超声波接收装置2设置在分子反应器壁面处，并做成收发一体式的。

其方法包括以下步骤：

a、通过调节超声波发射装置中发射源，向分子反应器内部发射频率为f，功率为w的超声波；

b、超声波接收装置接收分子反应器反应过程中超声波信号的变化；

c、信号处理装置分析接收到的声发射信号，选取超声波信号的频率f、振幅A、能量E、声速V或者四者之间的组合参数作为超声波特征值；

d、通过超声波特征值的变化在线监测小分子与生命大分子相互作用的过程，特别是大颗粒聚集体的形成过程。

其超声波发射和接收装置为一个或多个超声波传感器，并包括一个或多个发射源、功率放大装置和信号采集装置。超声波信号的发射和接收频率范围为20kHz～20MHz，其中超声波信号的发射和接收频率范围在100kHz～5MHz为佳。超声波接收和发射装置位置为分子反应器外壁的任何位置。小分子与生命大分子相互作用过程超声波监测的方法通过小分子与生命大分子相互作用过程中超声波信号的频率f、振幅A、能量E、声速V的变化定性分析反应过程中小分子在生命大分子上的聚集过程和作用机理、生命大分子的构象翻转等。通过小分子与生命大分子相互作用过程中超声波信号的频率f、振幅A、能量E、声速V的变化以及四者之间的组合特征值的变化规律定量分析小分子在生命大分子上的聚集程度，并根据分析结果进行体系中生命大分子含量的测定。

先将核酸或蛋白质用去离子水配制成一定浓度的溶液，取定量体积的溶液加入到使用磁力搅拌的分子反应器中，然后用自动滴定仪控制滴加速度，将事先配好的一定浓度的小分子水溶液加入，随着小分子的加入量不断增加，小分子在生命大分子上不断聚集，到达一定程度时会引起核酸或蛋白质的构象翻转，并进一步增大聚集程度，最终可以形成足够大的颗粒聚集体。

在如图1所示的环氧树脂基分子反应器装置中，通过设置在分子反应器壁面处的超声波发射装置(传感器)发射超声波信号，并通过收发一体式的超声波接收装置接收通过分子反应器后的超声波信号，进入如图2a、b所示的超声波监测装置，在超声波监测装置中，通过传感器接受功率放大装置进行信号的放大以保证在长距离内信号不衰减，然后进入超声信号采集装置进行信号的A/D转换，最后进入声波信号处理装置(计算机)进行处理和分析。

经典的超声波理论认为：超声波信号的频率f、振幅A、能量E、声速V在不同的相态中差别很大，即使是同一相态，由于物质组成的不同，上述的参数也有所不同。例如：在常温常压下，甲醇、乙醇、正丙醇、正丁醇内的声速分别为1121m/s、1162m/s、1223m/s、1258m/s。而在常温常压下，有机玻璃、聚苯乙烯、聚乙烯内的声速分别为2680m/s、2350m/s、1950m/s。一般超声在固液混合物中传播时，声速是介于在液体中传播和固体中传播的速度。

通过上述原理，采用超声波信号的频率f、振幅A、能量E、声速V的变化以及四者之间的组合特征值的变化规律可定量分析小分子在生命大分子上的聚集程度，并根据分析结果进行体系中生命大分子含量的测定。

应用实施例1

分子反应器中加入20毫升DNA贮备液(100微克/毫升)，恒温控制在20度，使用多头自动滴定仪滴加5毫升的pH 6.0的缓冲溶液，然后控制滴加速度2.0毫升/分钟加入浓度为300微克/毫升的柔红霉素水溶液。

采用超声速度的方法进行在线监测，如图3所示，发现随着加入量的增加，超声速度先基本保持不变，当加入量到达10毫升开始明显上升，颗粒聚集体开始形成，当加入量到达20毫升，超声速度开始急剧上升，大量颗粒聚集体形成，当加入量超过30毫升，颗粒聚集体全部形成，超声速度达到最大，并保持基本不变。

应用实施例2

分子反应器中加入20毫升牛血清白蛋白贮备液(1毫克/毫升)，恒温控制在20度，使用多头自动滴定仪滴加5毫升的pH5.0的缓冲溶液，然后控制滴加速度2.0毫升/分钟加入浓度为0.5毫克/毫升的槲皮素水溶液。

采用超声速度的方法进行在线监测，如图4所示，发现随着加入量的增加，超声的衰减比α/f²(衰减与频率的平方的比值)先保持不变，当加入量在20-50毫升之间，大的颗粒聚集体开始形成并逐渐增加，超声的衰减比开始急剧上升后急剧下降，当大的颗粒聚集体全部形成以后，超声的衰减比达到最小，并保持基本不变。

应用实施例3

分子反应器中加入20毫升酵母RNA贮备液(30微克/毫升)，恒温控制在20度，使用多头自动滴定仪滴加5毫升的pH 2.0的缓冲溶液，然后控制滴加速度2.0毫升/分钟加入浓度为20微克/毫升的大黄素水溶液。

采用超声振幅的方法进行在线监测，如图5所示，发现随着加入量的增加，超声的振幅衰减比α/f²(衰减与频率的平方的比值)先保持不变，当加入量在10-30毫升之间，大的颗粒聚集体开始形成并逐渐增加，超声的衰减比开始急剧上升后急剧下降，当大的颗粒聚集体全部形成以后，超声的衰减比达到最小，并保持基本不变。

应用实施例4

分子反应器中加入20毫升卵白蛋白贮备液(1毫克/毫升)，恒温控制在20度，使用多头自动滴定仪滴加5毫升的pH 1.8的缓冲溶液和10毫升0.05％十二烷基磺酸钠水溶液，然后控制滴加速度2.0毫升/分钟加入浓度为0.005％的考马斯亮蓝水溶液。采用超声声速的方法进行在线监测，记录到声速最大值。

改变初始加入的卵白蛋白的体积分别为10、50、100、150、200毫升，重复上述操作步骤，分别记录声速最大值。将声速最大值对蛋白质总量作图，如图6所示，二者具有线性关系，据此可以进行定量测定。