一种用于检测肿瘤标志物的双波长毛细管电泳检测系统

摘要

本发明公开了一种于检测肿瘤标志物的双波长毛细管电泳检测系统。包括双波长光源、凸透镜、光纤、毛细管、凹面镜、光电倍增管以及终端接收器；光纤位于毛细管两侧，使不同波长的光源穿过毛细管外壁的检测窗口激发待检样品；凹面镜汇聚并反射激发光以及增强样品的发射光；光电倍增管接收凹面镜反射的发射光，并将其转化为电信号传输至终端接收器。本发明在设计并自组装了双波长LEDIF毛细管电泳检测系统的基础上，建立了同时检测两种类型肿瘤标志物的分析方法，能在8min内检测到四种目标物且试剂消耗量低，在临床肝癌诊断和高通量检测方面显示出广阔的前景。

说明书

技术领域

本发明属于肿瘤标志物检测技术领域，具体涉及一种用于检测肿瘤标志物的双波长毛细管电泳检测系统。

背景技术

由于高性能毛细管电泳(HPCE)的独特特性，它已成为检测高度复杂样品的不断发展的分析方法，例如样品和试剂消耗少，分析时间短以及分离效率高。 HPCE可用于各个研究领域的常规分析，它也是高效液相色谱(HPLC)的替代和补充技术。在几种与CE结合的检测技术中，激光诱导荧光(LIF)检测器具有更高的检测灵敏度。但是，大多数LIF都具有背景噪声高和激光设备昂贵的缺点，据文献所知，目前大多数商用激光难以满足多波长荧光检测的要求。这通常会使CE检测的吞吐量受到限制。目前，CCD，UV-VIS-NIR，Microchip和AOTF可以显着提高CE的通量，并且可以检测和区分从具有相同波长的光源激发的多种荧光团。但是，这些方法带来了一些缺点，例如价格昂贵，检出限低以及需要独立的检测器等。近年来，发光二极管(LED)在CE中已被用作新的激发源。由于其体积小，成本低以及从近紫外线区域到可见光区域的广泛覆盖， LED作为荧光检测的激发源越来越有吸引力。更重要的是，使用具有不同波长的LED作为激发源来实现多种化合物的同时检测是可行的，这有助于高通量测定复杂样品中的多种目标目标物。因此，作为独立光源，毫无疑问，廉价且波长不同的LED将成为更好的发展前景。

在这项工作中，选择了两个不同波长的LED与位于检测窗口的毛细管两侧的光纤耦合。在之前的基础上，通过自主搭建的CE开发了双波长LED诱导荧光增强检测系统。通过CE的分离，在优化条件下，当两类目标物依次移动到与凹面镜耦合的检测窗口的焦点时，对于其中一类目标物，除了本身激发波长LED 发挥激发作用外，另一波长LED激发光辅助激发样品，使其灵敏度较单波长增加；对于另一类目标物亦是如此。然后，每一类目标物发射的光依次被凹面镜收集，然后通过PMT进行检测，从而在同一样品中实现检测两类目标物的检测。近年来，癌症已成为最重要的死亡原因之一。早期诊断可以降低死亡率并延长患者寿命。在这种情况下，确定癌症患者生物学样品中的多种肿瘤标记非常重要。特别是，越来越多的人认识到，多种标记物的组合可以显着提高诊断和预后的准确性，并最大程度地避免“假阳性”，而单个标记物不足以提供可靠的预测信息。一些方法已用于检测肿瘤标志物，包括电化学方法，荧光分析和化学发光免疫测定等。尽管通过上述方法检测肿瘤标志物是在某种程度上有效，还存在诸如耗时，成本高和灵敏度较低的问题。因此，使用开发的双波长LEDIF 系统用于同时检测实际血清中两种类型的肿瘤标志物。预期该研究将克服传统LEDIF单波长激发模式的缺点和较低的灵敏度。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种用于检测肿瘤标志物的双波长毛细管电泳检测系统，能快速准确的对肿瘤标志物进行相应检测。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于检测肿瘤标志物的双波长毛细管电泳检测系统，包括双波长光源、凸透镜、光纤、毛细管、凹面镜、光电倍增管以及终端接收器；

光纤位于毛细管两侧，使不同波长的光源穿过毛细管外壁的检测窗口激发待检样品；

凹面镜汇聚并反射激发光以及增强样品的发射光；

光电倍增管接收凹面镜反射的发射光，并将其转化为电信号传输至终端接收器。

进一步地，双波长光源为能同时发射两种波长不同的平行光的LED光源；或为两个发射平行光的LED光源，每个LED光源单独发射一种波长的光源。

进一步地，双波长光源为发射450nm波长和480nm波长的光源。

进一步地，光纤与毛细管之间的夹角为45°～90°。

进一步地，光纤与毛细管之间的夹角为45°。

进一步地，凹面镜为凹面银镜，即在凹面镜的圆弧面上涂覆有一层银介质层。

具有镀银膜的凹面镜的反射率受入射角的影响较小，因此在远紫外和可见光区域的范围内，银膜具有最高的反射率。为了获得凹面镜的最佳反射效率，对凹面镜内膜进行镀银。

进一步地，银介质层厚度为1～5μm。

进一步地，凹面镜中圆弧的曲率半径为2～5mm，焦距为1～3mm。

进一步地，凹面镜中圆弧的曲率半径为2.46mm，焦距为1.23mm。

进一步地，凹面镜的宽度为4mm。

进一步地，光电倍增管为光电倍增管PMT，其与终端接收器之间通过有线传输的方式进行电连接。

进一步地，终端接收器为PC终端。

本发明的有益效果为：

本申请在设计并自组装了双波长毛细管电泳检测系统的基础上，建立了同时检测两种类型肿瘤标志物的分析方法。在优化的条件下，该方法获得了高灵敏度和低检测限(两种目标物，氨基酸LOD低于8.8nM，GSH的LOD为1.5 μM)。峰高的日内和日间RSD均<2.9％，迁移时间<2.0％。在三个浓度水平下四个目标物的回收率(90.74％-101.25％)和肝癌患者实际样品中GSH的加标回收率(98.95％-110.67％)令人满意。此外，该方法能在8min内检测到四种目标物且试剂消耗量低，在临床肝癌诊断和高通量检测方面显示出广阔的前景。

附图说明

图1为双波长毛细管电泳检测系统的工作流程图；

图2为FITC在不同溶剂中的紫外可见光谱和荧光光谱；

图3为NDA在不同溶剂中的激发和发射光谱；

图4为不同缓冲液浓度下FITC标记的混合物的电泳谱图；其中，(1)表示FITC；(2)表示FITC水解产物；(3)表示L-leu；(4)表示L-ile；(5)表示L-val；

图5为不同缓冲液pH下FITC标记的混合物的电泳谱图；其中，(1)表示 FITC；(2)表示FITC水解产物；(3)表示L-leu；(4)表示L-ile；(5)表示L-val；

图6为不同乙腈含量下FITC标记的混合物的电泳谱图；其中，(1)表示 FITC；(2)表示FITC水解产物；(3)表示L-leu；(4)表示L-ile；(5)表示L-val；

图7为不同β-CD浓度下FITC标记的混合物的电泳谱图；其中，(1)表示 FITC；(2)表示FITC水解产物；(3)表示L-leu；(4)表示L-ile；(5)表示L-val；

图8为优化条件下双波长LEDIF毛细管电泳系统检测两类目标物的电泳谱图；其中，(1)表示GSH；(2)表示FITC；(3)表示FITC水解产物；(4)表示L-leu；(5)表示L-ile；(6)表示L-val；

图9为单-双波长LEDIF系统检测两类化合物的对比电泳谱图；其中，(1) 表示GSH；(2)表示FITC；(3)表示FITC水解产物；(4)表示L-leu；(5)表示L-ile；(6)表示L-val；

图10为四个不同肝癌患者的血清样品的电泳图谱；其中，(A)表示GSH 加标浓度为8.34μM；(B)表示GSH加标浓度为16.68μM；(C)表示GSH加标浓度为33.36μM；(D)表示GSH加标浓度为66.72μM；图中a表示四个不同肝癌患者的血清样品的电泳图谱；b表示在相应血清样品中加标的不同浓度的 GSH。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1

如图1所示，该用于检测肿瘤标志物的双波长毛细管电泳检测系统，包括双波长光源c、凸透镜d、光纤e、毛细管f、凹面镜a、光电倍增管g以及终端接收器h；b为a汇聚激发光、反射样品发光放大示意图。

其中，双波长光源c为两个LED光源，分别发射波长为450nm和480nm的平行光。

凸透镜d采用普通的凸透镜即可，无需使用诸如自聚焦透镜之类的精密耦合来紧密汇聚双波长光源c发射的光源。

光纤e位于毛细管两侧，其与毛细管f的夹角为45°，使不同波长的光源穿过毛细管外壁的检测窗口激发待检样品。且毛细管f为涂覆聚酰亚胺熔融石英毛细管，其内径为75μm，外径为375μm。

凹面镜a宽度为4mm，在其圆弧面涂覆有一层厚度为1～5μm的因介质层，以汇聚并反射样品激发光；

光电倍增管g为光电倍增管PMT，用于接收并增强凹面镜反射的激发光，并将其转化为电信号，然后通过有线传输的方式将电信号传输至终端接收器h。终端接收器h为电脑。

实施例2条件优化

1、试剂与溶剂

目标物L-亮氨酸(L-leu，99％)，L-异亮氨酸(L-ile，99％)，L-缬氨酸(L-val，99％)和谷胱甘肽(GSH，99％)购自华夏试剂(中国成都)。β-环糊精(β-CD， 98％)和无水四硼酸钠购自源叶生物科技有限公司(中国上海)。2，3-萘二甲醛 (NDA，99％)和FITC(>98％)购自百灵威有限公司(中国北京)。乙腈(ACN， 99.9％)，乙醇(EtOH，99.9％)等有机溶剂购自阿拉丁试剂(中国上海)。本工作中使用的所有其他化学药品和有机溶剂均为分析纯或以上。用盐酸(1M HCl)或氢氧化钠(1M NaOH)将制备的硼酸盐缓冲溶液(25mM)调节至pH 9.2。用超纯水配制的50mM的硼酸盐储备溶液每周新配制。所有溶液在注入分离毛细管之前均通过0.45μm膜滤器过滤。

2、样品的制备

将来自四位肝癌患者(重庆医科大学附属永川医院)的0.5mL血浆与0.5mL ACN混合，均匀摇动15min去蛋白，置于冰浴中1h，然后在14000r·min

3、衍生化

(1)FITC对目标物的衍生化

在0.1M HCl中制备L-leu、L-ile和L-val(9.6mM)储备液，并在ACN中制备FITC(4.3mM)。衍生化之前，将FITC稀释在20mM硼酸盐缓冲液(pH 9.2) 中，以获得2.15mM溶液。将上述溶液和10μL L-leu，10μL L-ile和10μL L-val 或10μL血清样品的标准储备液混合至1mL溶液体积。将该反应混合物在室温下在黑暗中孵育15h。即将标准溶液分别稀释100倍。小瓶中FITC溶液(在ACN 中)的浓度是目标物的20倍，以便获得完全和彻底的反应，并产生较少的副产物。接下来，使用前将标记的肿瘤标记物在4℃下保持黑暗。进样前用运行缓冲液稀释工作溶液，并每天新鲜配制。

(2)NDA对目标物的衍生化

在超纯水中制备GSH(5mM)的储备溶液，并在乙醇溶液中制备NDA (5mM)。将它们保存在4℃的冰箱中，并在使用前用运行缓冲液进一步稀释至所需浓度。将100μL的5mM GSH溶液或100μL的血清样品，100μL的20mM KCN，100μL的50mM硼酸盐溶液和100μL的5mM NDA溶液添加至1.5mL棕色小瓶中，涡旋1min使其混合均匀，通过在室温黑暗中摇动30min获得标记的样品。最后，将其在4℃的黑暗环境中保存。直接通过0.45μm过滤器或用运行缓冲液稀释后，进行CE分析。

4、毛细管电泳步骤

在首次使用前依次用1.0M NaOH冲洗30min，0.1M NaOH冲洗30min，去离子水冲洗30min，最后冲洗运行缓冲液10min来调节新的毛细管。每天开始时，将毛细管用1M NaOH预处理30min，用去离子水预处理30min，然后将运行缓冲液预处理10min。在两次连续进样之间，将毛细管依次用1M NaOH，水和运行缓冲液各冲洗5min。在20cm的高度通过重力将样品注入毛细管7s。使用运行缓冲液在17.5kV电压下进行分离，运行缓冲液由25mM，pH 9.2硼酸盐含有12％ACN(v/v)和20mMβ-CD组成。所有CE程序均在室温下进行。

实施例3

1、目标物的选择

氨基酸(AAs)是两性离子，在维持正常的生理功能中起重要作用。特别地，某些氨基酸可以用作诊断恶性肿瘤的生物标记。例如，支链氨基酸(亮氨酸，异亮氨酸和缬氨酸)的异常含量可以用作诊断肝细胞癌的标志物之一。此外， GSH也是包括肝细胞癌在内的癌症生物标志物之一，监测GSH浓度的变化对癌症的早期诊断具有重要意义。因此，选择都能作为肝癌肿瘤标志物的L-leu，L-ile 和L-val以及GSH作为两类目标物进行分析。通常，本身不发荧光的两类目标物分别使用FITC和NDA标记便于荧光检测。

2、荧光物质基质的选择

为了同时确保较强的荧光强度并避免两种类型的样品的激发和发射之间的相互作用，必须选择准确的LED和滤光片波长。通常，样品的激发波长和荧光强度将随溶剂而变化。因此，探索不同溶剂对样品的激发波长和荧光强度的影响尤为重要。

FITC易于在水中分解，但可以溶于某些有机溶剂中。因此，研究了ACN， Acetone，EtOH和MeOH作为FITC溶剂对紫外吸收波长和荧光强度的影响。如图所示，四种溶剂中FITC的最大紫外线吸收波长在495-500nm(图2中附图A)。其相应的发射波长为525至540nm(图2中附图B)。但是，将FITC溶解在 ACN中后，在激发波长498nm的条件下获得了样品最强的荧光发射。

NDA需要在CN

根据图2和图3的检测结果可知，FITC和NDA的最佳激发波长分别为498 nm和450nm，分别对应于528nm和500nm的最佳发射。考虑到激发光和样品本身的发射光的重叠以及两个样品的激发光和发射光的相互影响，使用两个 LED光源(NDA标记样品的激发为450nm，FITC标记样品激发的为480nm，并选择了长通滤光片(500nm)，致力于确保较强的荧光强度和较小的背景干扰。

实施例4

1、分离条件的优化

高分辨率和高灵敏度以及短分离时间对于定性确定样品特别重要。在此实验中，NDA标记的GSH的迁移时间与FITC及其标记物的迁移时间隔较远，它们的电泳峰信号不会相互干扰，因此，在探究分离条件时GSH不参与优化。FITC 水解产物，L-leu、L-ile和L-val的迁移时间相似，因此需要优化四种化合物的分离条件。因此，使用上述优化光路和单变量方法研究了缓冲液浓度、pH、施加电压、添加剂及其浓度对分离的影响。

2、缓冲液溶度的优化

通常，硼酸盐缓冲液用于检测和分离FTIC标记物。因此，该实验考察了硼酸盐浓度10-30mM对分离的影响，如图4所示。从图中可以看出，FITC水解产物和标记物的分离度随着缓冲溶液浓度的增加而增加。原因可能是毛细管内壁上的ζ电位随着缓冲溶液浓度的增加而降低。此外，电渗的下降导致迁移速度较慢，从而提高了分离度。但是，当缓冲溶液的浓度大于25mM时，由于过大的电流，焦耳热会升高得太高，导致毛细管的外壁变热并导致峰变宽，分析时间过长，不适合分离。因此，选择25mM的缓冲液浓度作为最佳浓度。但是，在这种条件下，FITC衍生的副产物和标签仍未完全分离，需要进一步优化。

3、缓冲液pH的优化

在CE分离过程中，缓冲液的不同pH值可能会导致目标物电荷的变化，这将导致分离选择性的变化。此外，在熔融石英毛细管中，随着运行缓冲液pH值的增加，表面硅烷醇基团的解离和毛细管壁上的负电荷也会增加，导致电渗流量增加，从而影响了目标物的分离。在这项研究中，使用25mM硼酸盐缓冲液研究了pH 8.5-10对分离的影响。如图5所示，随着pH值的增加，FITC水解产物和标记物的分离度和灵敏度先增加，然后降低。同时，迁移时间逐渐减少。可能的原因：一方面，pH的变化会影响目标物的质荷比，这会增大目标物之间电泳速度的差异。另一方面，pH值太大会导致电渗流量过高，从而导致分辨率下降。因此，选择pH9.2用于接下来的探究。

4、添加剂的考察

通过上述研究未能很好地分离FITC的水解产物和目标物。通常，有机溶剂可以促进有效分离并提高选择性。以上实验表明，FITC在ACN中的发光强度较强。因此，研究了运行缓冲液中添加5-20％ACN分离的影响。如图6所示，添加的ACN确实改善了分离。在ACN含量为12％时，可以实现FITC水解产物和标记物良好的基线分离，并且其峰形也显示令人满意。这可以解释为ACN 含量的增加，降低了离子强度，然后导致扩散层变薄，ζ电位下降，电渗流变小和分辨率提高。但是，如果电渗流量太小，则会引起一些问题，例如峰拖尾和峰展宽。因此，选择合适的ACN含量为12％。

加入ACN后，即使FITC水解产-物和目标物之间的分离发生了很大变化，但目标物之间仍然没有完全的基线分离，尤其是对于L-leu和L-ile。因此，通过向运行缓冲液中添加不同浓度的β-CD来探索目标物的分离。如图7所示，通过添加β-CD逐渐分离出三种目标物。此外，β-CD的浓度越大，分离度越大，当β-CD的浓度达到20mM时，变化趋于平缓。由于几种目标物占据不同程度的β-CD疏水腔，导致空间结构，静电相互作用和范德华力之间的差异，从而促进了它们的分离。此外，β-CD浓度的增加可能会影响每种目标物的质荷比，从而延长迁移时间。考虑到分离度和迁移时间，选择20mMβ-CD作为最佳浓度添加。

5、其他电泳条件的优化

此外，还考察了施加电压(13-17.5kV)对分离的影响，电泳条件：25mM 硼酸盐缓冲溶液包含20mM的β-CD和12％ACN(v/v)，pH为9.2，应用电压17.5kV，在20cm处重力进样7s。结果表明，施加的电压对几种目标物之间的分离度没有明显影响，但可以显着影响迁移时间。也就是说，施加的电压越高，每种目标物的迁移时间越短。当施加的电压为17.5kV时，迁移时间仍在缩短，同时电流达到可控电流上限。为避免过高的电压引起过大的电流，更高的焦耳热，分离效率下降和毛细管损坏，选择了施加的电压17.5kV用于进一步的实验。优化后，得到分离的所有优化条件是25mM硼酸盐缓冲液，包括12％ACN 和20mMβ-CD，pH 9.2，施加电压17.5kV。使用该优化条件，所有目标物在8 min内可以很好地分离和检测，如图8。

实施例5单-双波长灵敏度探究

在上述优化条件下，分别使用单波长和同时使用两个波长的LEDIF系统对两类目标物进行检测以探究其灵敏度的情况，电泳条件同实施例4优化后的条件，结果如图9所示。首先使用480nm LED灯激发混合样品，发现FITC标记的三个目标物均得到较高信号，同时，在该波长下检测到高浓度的NDA标记的 GSH。当同时使用两个LED(480nm和450nm)测试同一样品时，实验结果表明，用NDA标记的GSH峰在合适的激发波长处在预料之中变高，而用FITC标记的三个目标物的峰也有所增加。这验证了激发单元的增加能使激发光强度增加，从而提高了检测灵敏度。这个结果有利于两类样品的高灵敏检测。

实施例6

1、线性、检出限和定量限检测

在上述最佳条件下，双波长系统同时检测了两种类型的肿瘤标志物标准品。首先，制备了一系列标准溶液L-leu、L-ile、L-val和GSH以测试线性响应参数，结果列于表1所示。该方法显示了对不同目标物的不同灵敏度。GSH、L-leu、 L-ile和L-val分别在208-5.2μM、3.84μM-30nM、1.92μM-15nM和3.84μM-30 nM的范围内表现出良好的线性，并且检出限和定量限分别低至4.5nM和15nM。该结果得到，在系统优化条件下，双波长检测系统得到的检出限比之前使用单波长时低很多，表明双波长系统对检测灵敏度的提高有很大助益。

表1本申请测定两类肿瘤标志物的线性、检出限和定量限

2、精密度检测

该方法的重现性和精密度通过在相同条件下一天和三天内测量混合标准液来进行评估。主要根据目标物的峰高信号和迁移时间的相对标准偏差(RSD)，每天重复进行六组实验，以进行日内精度测试，并连续三天重复实验以进行日间精度测试，每组实验均平行测定三次。结果如表2所示，日内迁移时间和峰高的相对标准偏差分别小于0.66％和2.3％，日间迁移时间和峰高的相对标准偏差分别小于2.0％和2.9％。结果表明，该方法的精密度令人满意。

表2本申请测定两类肿瘤标志物的精密度

3、准确度

在同一天分析了三种不同浓度的目标物(在线性范围内)，每个样品进样3 次。该方法的准确性表示为发现值与参考值之间一致性的接近程度。在这项工作中，通过计算相对标准偏差和回收率评估了该方法的准确性。如表3-3所示，在三个浓度水平下的相对标准偏差和相对回收率分别在0.70％-2.70％和 90.74％-101.25％的范围内。

表3本申请测定两类肿瘤标志物的准确度

实施例7

将本申请用于在最佳条件下同时检测肝癌患者血清中两种类型的肿瘤标志物，电泳条件同实施例4优化后的条件。样品取自四名肝癌患者的血浆，这些样品经过脱蛋白和衍生化处理。然后，在进行CE分析之前，将其稀释成已知倍数，以将其浓度控制在线性范围内，并减少由过量FITC浓度引起的噪音。如图10(曲线a)所示，四名患者的测定结果表明，该方法可以直接检测出L-leu、 L-ile和L-val。平行测量每个样品三次，并通过线性回归方程计算其浓度。四名患者血清中L-Leu、L-ile和L-Val的平均浓度和标准偏差分别为160±15.48、 65±1.89和207±16.0。Leu、Ile和Val的正常范围分别是113-205mM、46-90mM 和179-335mM。血清中的GSH以不同的浓度加标，如图10所示(曲线b)。表 4显示了四名患者的标记物的加标回收率和精确度。获得的回收率高于98.95％，低于110.67％，RSD低于4.51％。通过检测肝癌患者血清中两种类型的肿瘤标志物，充分证明了该系统同时检测两种类型目标物的可行性。

表4本申请测定不同肝癌患者血清中GSH的精密度和回收率

综上所述，本申请在设计并自组装了双波长LEDIF毛细管电泳检测系统的基础上，建立了同时检测两种类型肿瘤标志物的分析方法。在优化的条件下，该方法获得了高灵敏度和低检测限(两种目标物，氨基酸LOD低于8.8nM，GSH 的LOD为1.5μM)。峰高的日内和日间RSD均<2.9％，迁移时间<2.0％。在三个浓度水平下四个目标物的回收率(90.74％-101.25％)和肝癌患者实际样品中 GSH的加标回收率(98.95％-110.67％)令人满意。此外，该方法能在8min内检测到四种目标物且试剂消耗量低，在临床肝癌诊断和高通量检测方面显示出广阔的前景。