太赫兹光谱检测用样品池、评估抗体效价的方法及应用与流程

1.本发明属于太赫兹波技术领域，涉及一种微量液体样品高通量检测装置，及基于太赫兹技术的抗原-抗体结合前后构象分析的方法，具体的说是一种太赫兹光谱检测用样品池、评估抗体效价的方法及应用。


背景技术：

2.thz波(太赫兹波)包含了频率为0.1到10thz的电磁波。该术语适用于从电磁辐射的毫米波波段的高频边缘(300ghz)和低频率的远红外光谱带边缘(3000ghz)之间的频率，对应的波长的辐射在该频带范围从0.03mm到3mm(或30～3000μm)，其光子的能量约为1
–
10mev，正好与分子振动及转动能级之间跃迁的能量大致相当。大多数极性分子，如水分子等对thz辐射有强烈的吸收，许多有机大分子，如蛋白质等的振动能级和转动能级之间的跃迁也正好在thz波段范围。因此，生物分子的thz光谱，如透射谱等包含有丰富的物理和化学信息，其吸收和色散特征可用来做生物样品的探测和识别，在生物医学等领域有着重要的应用价值。
3.由于太赫兹波长较长，根据瑞利判定，目前远场太赫兹成像分辨率通常为百微米至毫米量级，不能完全匹配生物医学检测的需求，具体地，远场太赫兹光斑大小决定了样品使用量不适用于高价值生物样品检测；传统远场检测只能单次顺序检测不同样品，不同样品通常使用不同样品池，不同批次样品池存在差异造成检测误差，即使采用同一样品池，也存在药品残留问题；因此，为了提高检测分辨率，发展了近场太赫兹光谱检测技术。发射端与远场类似，接收端采用光导微探针，在贴近样品表面的空间耦合近场信号；基于光导微探针的近场太赫兹成像分辨率理论上可达微米级。
4.基于远场太赫兹光谱检测样品用量多，效率低等问题，本发明开发了一种适用于近场太赫兹光谱检测的样品池，并提供了该样品池检测抗体效价的方法。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种太赫兹光谱检测用样品池、评估抗体效价的方法及应用，以解决上述技术背景中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
7.一种太赫兹光谱检测用样品池，包含阵列通孔结构，所述阵列通孔结构包含加样板，在所述加样板上布置有若干个呈阵列分布的通孔，相邻通孔之间的距离r大于太赫兹光斑直径。
8.上述技术方案中，所述阵列通孔结构采用高太赫兹波透过率及高可见光透过率材质制造。上述技术方案中，所述通孔的高度h为0.5～1.2mm，所述通孔的直径d为0.4～0.8mm。
9.上述技术方案中，在阵列通孔结构的下方设有支撑结构，所述支撑结构为中空的圆环；所述圆环的中空部分正对加样板上分布的所有通孔。
10.上述技术方案中，所述圆环通过连杆固定在三轴电控平移台上，所述三轴电控平移台用于调节阵列通孔结构在三维方向上的位置。
11.上述技术方案中，所述圆环上设有限位机构，所述限位结构用于将阵列通孔结构固定在圆环上。
12.本发明还提供了一种使用上述所述样品池评估抗体效价的方法，包括以下步骤：
13.s1、确定待检测样品，待检测样品包括：a)待测抗体溶液；b)待测抗体对应的抗原溶液；b)待测抗体溶液和对应抗原混合溶液；
14.s2、配置待检测样品不同浓度溶液；
15.s3、加样，根据通孔直径及高度确定用量，移液器吸取相应量的不同浓度溶液置于所述样品池的相应通孔中，形成阵列；其中，每个通孔进行加样时，移液器的液滴置于所述样品池上相应通孔的上方或下方，所述样品池的加样板上的相应通孔由上至下或由下至上接触液滴、并利用虹吸将待捡测样品液滴吸入通孔内；
16.s4、对每个通孔内待捡测样品液滴进行太赫兹近场光谱检测，获得所有待捡测样品的太赫兹信号；
17.s5、采集待捡测样品的太赫兹信号并进行处理，计算每个待捡测样品溶液体系太赫兹损耗角正切值；
18.s6、分析待检测样品的太赫兹损耗角正切值(即太赫兹光谱特征)随浓度变化的特征，推导抗原抗体结合效率。
19.上述技术方案中，步骤s4中，对每个通孔内待捡测样品液滴进行太赫兹近场光谱检测的具体过程为：
20.4.1、调节太赫兹近场光谱检测系统的太赫兹空白背景信号至最优；
21.4.2、调节样品池的空间位置，使得太赫兹光谱光源能够沿通孔上下面进入及传出；
22.4.3、调节太赫兹近场光谱检测系统的光导微探针的空间位置至空白通道上方1～2微米处，检测空白通孔信号，作为对照；
23.4.4、抬起光导微探针的针尖，保证针尖不会碰到样品池的任何位置，移动样品池至其中一个盛放有待捡测样品的通孔的圆心上方，落针，调节光导微探针空间位置至液体上方1～2微米处，检测获得该待捡测样品的太赫兹光谱信号；
24.4.5、重复以上步骤，依次获得所有待捡测样品的的太赫兹信号。
25.本发明还提供了基于上述所述一种评估抗体效价的方法在抗体厂家筛选、抗体批次生产质控及特定种类抗体质控上的应用。
26.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
27.1、本发明样品池的优点如下：单个样品单次检测所需样品量不足5μl，极大地降低了检测成本；样品池适应高密度加样，不同加样孔重复性高，提高检测效率及稳定性；本发明中待检测样品液体利用虹吸现象悬垂样品池中，收集的光谱仅包含样品，计算分析模型简便可靠。
28.2、本发明提供的评估抗体效价方法，与远场太赫兹光谱检测相比：用量少、效率高；与elisa等基于抗原抗体反应及显色标记的方法相比：无标记、无损耗，检测准确率更高。
附图说明
29.图1为本发明中样品池的结构示意图；
30.图2为样品池的正视图；
31.图3为样品池的侧视图；
32.图4为样品池与支撑结构的连接示意图；
33.图5为本发明中使用样品池评估抗体效价的检测示意图；
34.图6为实施例1中组蛋白h3抗原、抗体及抗原-抗体的太赫兹耗角正切值与其对应的浓度的曲线图，图中，a表示反应体系中抗原过多，b表示抗原-抗体反应平衡期，c表示反应体系中抗体过多；
35.图7a～7f分别为实施例2中abbkine、cell signaling technology(cst)、abcam、cusabio、novus和cloud-clone的抗体结合抗原的太赫兹耗角正切值与浓度的曲线图；
36.图中，100、阵列通孔结构；101、加样板；102、通孔；r表示相邻通孔之间的距离；h表示通孔的高度；d表示通孔的直径；200、支撑结构；300、连杆；400、三轴电控平移台；500、限位机构；601、太赫兹光谱光源；602、光导微探针。
具体实施方式
37.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
38.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
39.参阅图1至图3，本发明提供了一种太赫兹光谱检测用样品池，包含阵列通孔结构100，所述阵列通孔结构100采用高太赫兹波透过率及高可见光透过率材质制造。目前常见的高太赫兹波透过率及高可见光透过率材质包括：高阻硅，pe，石英，蓝宝石，特氟龙等。随着研究的深入，不排除有更多的材质被发现具有类似的性质并采用。
40.所述阵列通孔结构100包含加样板101，在所述加样板101上布置有若干个呈阵列分布的通孔102，相邻通孔102之间的距离r大于太赫兹光斑直径。例如r为1.5～5mm；为保证互不干扰，相邻两通孔之间的距离r应该大于太赫兹光斑直径；为了增加通量，距离r应该紧缩，但距离r应该不影响相邻两个通孔加样，这个距离r是考虑以上二者的妥协。
41.另外，不同的设备，由于光源、光路的质量及调试，太赫兹光斑直径有所区别，因此相邻两通孔之间的距离r应该也有所改变。
42.样品池具有通孔数目可根据需要定制，通孔尺寸可根据需要设定，每个通孔的液体盛放量在微升级。液体样品中水对太赫兹具有强吸收，厚度太厚，信号信噪比降低；水溶液太薄，相互作用距离较短，也不利于样品间信号差异的收集及对比，在考虑加工工艺和成本，所述通孔的高度h为0.5～1.2mm，所述通孔的直径d为0.4～0.8mm，优选的，通孔的高度h
为0.8mm，通孔的直径d为0.5mm。液体样品装载孔洞尺寸设计：根据蛋白溶液黏性特征，满足虹吸效应产生的要求，同时满足太赫兹检测的厚度要求。
43.另外，不同系统的产生的信号强弱是具有差异的，这也会影响最佳尺寸的选择。
44.参阅图4，在阵列通孔结构100的下方设有支撑结构200，所述支撑结构200为中空的圆环；所述圆环的中空部分正对加样板101上分布的所有通孔102。
45.所述圆环通过连杆300固定在三轴电控平移台400上，所述三轴电控平移台400用于调节阵列通孔结构100在三维方向上的位置。具体的，连杆300包含水平横杆和垂直连杆，圆环通过水平横杆连接在垂直连杆上，垂直连杆置于三轴电控平移台400上；其中，三轴电控平移台400为市场现有产品，如型号为m403.6pd(physik instrumente)；通过三轴电动平移台控制整个上部结构(阵列通孔结构100和支撑机构200)的空间移动。
46.作为支撑结构200进一步的实施例，所述圆环上设有限位机构500，所述限位结构500用于将阵列通孔结构100固定在圆环上。进一步的，所述限位结构500包含多个橡胶块，多个橡胶块对称分别在圆环上，每个橡胶块均与圆弧固定连接(粘胶或螺钉连接)；当进行试验时，阵列通孔结构100的加样板101放置在圆环上时，多个橡胶块对加样板101进行限位；太赫兹(太赫兹波检测采用的是垂直方向的透射光路)直接垂直方向通过加样板101上的通孔102。
47.需要说明的是，阵列通孔结构100、支撑结构200、连杆300和三轴电控平移台400构成一个检测模块整合到太赫兹近场光谱检测系统(透射式太赫兹近场系统是基于menlo systems公司tera k15远场太赫兹扫描成像系统改进而来的。目前还是开放式系统。检测模块可以整合到系统中)中，来采用本发明的样品池进行评估抗体效价。
48.本发明还提供了一种使用上述所述样品池评估抗体效价的方法，包括以下步骤：
49.s1、确定检测对象，检测对象包括：a)不同浓度的待测抗体溶液及对应不同浓度抗原溶液；b)不同结合比例待测抗体溶液及对应抗原混合溶液；
50.s2、配置检测对象不同浓度溶液；
51.s3、加样，根据通孔直径及高度确定用量，移液器吸取相应量的不同浓度溶液置于所述样品池的相应通孔中，形成阵列；每个通孔进行加样时，移液器的液滴置于所述样品池上相应通孔的上方或下方，所述样品池的加样板上的相应通孔由上至下或由下至上接触液滴、并利用虹吸将待捡测样品液滴吸入通孔内；
52.加样时从通孔的上部或者下部都实际上都可以。需要注意的是计算好通孔能够容纳的体积。过少不好确定液柱高度d，影响后续计算精度；过多可能会残留在通孔周围，影响检测精度。
53.s4、对每个通孔内待捡测样品液滴进行太赫兹近场光谱检测，参阅图5，获得所有待捡测样品的太赫兹信号；其中，对每个通孔内待捡测样品液滴进行太赫兹近场光谱检测的具体过程为：
54.4.1、调节太赫兹近场光谱检测系统的太赫兹空白背景信号至最优；
55.4.2、调节样品池的空间位置，使得太赫兹光谱光源601能够沿通孔102上下面进入及传出；
56.4.3、调节太赫兹近场光谱检测系统的光导微探针602的空间位置至空白通道(空白样品池通孔)上方1～2微米处，检测空白通孔信号，作为对照；
57.4.4、抬起光导微探针602的针尖，保证针尖不会碰到样品池的任何位置，移动样品池至其中一个盛放有待捡测样品的通孔的圆心上方，落针，调节光导微探针空间位置至液体上方1～2微米处，检测获得该待捡测样品的太赫兹光谱信号；
58.s5、重复以上步骤，依次获得所有待捡测样品的的太赫兹信号。
59.s5、采集待捡测样品的太赫兹信号并进行处理：通过采集到待捡测样品的太赫兹信号计算每个待捡测样品溶液体系太赫兹损耗角正切值；(该步骤信号处理参考ziyi zang#,shihan yan#,xiaohui han,dongshanwei,hong-liang cui*and chunlei du,temperature-and ph-dependent protein conformational changes investigated by terahertz dielectric spectroscopy,infrared physics&technology,2019,98:260-265)
60.目前使用的系统是太赫兹时域光谱系统，收集到的是太赫兹时域光谱信号，对应的是is和i
ref
的原始信号。通过傅里叶变化后，其中有一项为is或i
ref
，通过运算得到振幅和相位，进而计算得到太赫兹损耗角正切等参数。目前我们使用的是这一计算参数，但不排除有其他推导结果可供使用。
61.s6、分析待检测样品(包含抗原、抗体及抗原抗体混合溶液)的太赫兹损耗角正切值(即太赫兹光谱特征)随浓度变化的特征，推导抗原抗体结合效率。
62.本发明采用太赫兹近场光谱检测原理为：抗原抗体混合后，配对则形成复合体，不配对则依然以单体形式存在；相同数目的抗体，质量越高，结合抗原的能力越强，形成的复合体的数目越多。溶液体系中，单体间相互配对形成复合体，引起太赫兹光谱特征的变化。
63.本发明中，太赫兹监测溶剂水化动力学是进行抗体质量检测的原理；太赫兹光谱检测样品池是进行微量液体高通量检测的前提；太赫兹近场检测结合样品池是一种实现以上原理的可行方案。
64.实施例1(使用该样品池评估组蛋白h3抗体效价的方法)
65.s1、确定检测对象，检测对象包括：a)待测抗体(组蛋白h3抗体，anti-histone h3)溶液及对应抗原(组蛋白h3，histone h3)溶液；b)待测抗体溶液-抗原混合溶液；
66.s2、配置检测对象溶液，如表1所示，具体为：
67.配置7份浓度为20微克/毫升的抗原溶液；
68.由高浓度向低浓度稀释1、2、5、10、20、50、100微克/毫升的待测抗体溶液；
69.以及不同结合比例的待测抗体溶液-抗原混合溶液；
70.表1
71.序号抗原(μg/ml)抗体(μg/ml)抗原-抗体结合比例120120:12/210:13/54:14/102:15/201:16/501:2.57/1001:5
72.s3、加样，根据通孔直径及高度确定用量，移液器吸取相应量的不同浓度溶液对应
置于所述样品池的相应通孔中，形成阵列；每个通孔进行加样时，移液器的液滴置于所述样品池上相应通孔的上方或下方，所述样品池的加样板上的相应通孔由上至下或由下至上接触液滴、并利用虹吸将待捡测样品液滴吸入通孔内；
73.s4、对每个通孔内待捡测样品液滴进行太赫兹近场光谱检测，获得所有待捡测样品的太赫兹信号；其中，对每个通孔内待捡测样品液滴进行太赫兹近场光谱检测的具体过程为：
74.4.1、调节太赫兹近场光谱检测系统的太赫兹空白背景信号至最优；
75.4.2、调节样品池的空间位置，使得太赫兹光谱能够沿通孔上下面进入及传出；
76.4.3、调节太赫兹近场光谱检测系统的光导微探针空间位置至空白通道上方1～2微米处，检测空白通孔信号，作为对照；
77.4.4、抬起光导微探针的针尖，保证针尖不会碰到样品池的任何位置，移动样品池至盛放有抗原样本1号的通孔的圆心上方，落针，调节光导微探针空间位置至液体上方1～2微米处，检测获得抗原样本1号太赫兹光谱信号；
78.s5、重复以上步骤，依次获得所有待捡测样品的的太赫兹信号(包含抗原样本1号，抗体样本1-7号，抗原-抗体结合样本1-7号)。
79.s5、采集待捡测样品的太赫兹信号并进行处理：计算每个待捡测样品溶液体系太赫兹损耗角正切值；
80.其中，计算太赫兹损耗角正切tanδ的具体过程为：
81.一、根据beer-lambert定律导出了溶液的吸收系数α(ω)，该系数定量表征了太赫兹光束在介质中传播时的能量损失，α(ω)通过下式获得：
[0082][0083]
其中d是样品的厚度(即对应通孔中液体的高度或通孔的高度h)，a(ω)是溶液样品和参考(空白样品池通孔)功率传输的傅里叶变换is和i
ref
的振幅比(也就是说，每个通孔对应测得的太赫兹时域信号傅里叶变化后得到傅里叶变换is和i
ref
，再通过傅里叶变换is和i
ref
得到振幅，a(ω)为溶液样品和参考(空白样品池通孔)的振幅比，总的来说，a(ω)是通过步骤s5采集待捡测样品的太赫兹时域信号傅里叶变化后得到的)；ω表示角频率。
[0084]
二、折射率n(ω)决定了太赫兹光束在进入材料时的路径弯曲或折射程度，该折射率n(ω)通过以下公式可以获得：
[0085][0086]
其中是溶液样品和参考(空白样品池通孔)功率传输的傅里叶变换is和i
ref
之间的相位差(也就是说，每个通孔对应测得的太赫兹时域信号傅里叶变化后得到傅里叶变换is和i
ref
，再通过傅里叶变换is和i
ref
得到相位，为溶液样品和参考(空白样品池通孔)的相位差，总的来说，是通过步骤s5采集待捡测样品的太赫兹时域信号傅里叶变化后得到的)，c是光速。
[0087]
三、损耗角正切tanδ，量化材料的固有电磁能量耗散，定义为
[0088][0089]
其中，ε
′
、ε
″
分别为复介电常数的实部和虚部，且ε
′
＝[n(ω)]
2-[k(ω)]2，ε
″
＝2
·
n(ω)
·
k(ω)；k(ω)是消光系数，且
[0090]
根据公式(1)-(3)，计算得到每个样品的太赫兹损耗角正切tanδ的数值(每个样品进行多次测量，得到太赫兹损耗角正切平均值)，统计详见表2所示；
[0091]
表2待捡测样品的太赫兹损耗角正切平均值
[0092]
序号1234567抗原0.10915//////抗体0.014940.015010.014670.014370.015410.01320.01427抗原-抗体结合0.088540.072840.074070.064650.033590.01660.01738
[0093]
s6、分析待捡测样品(包含抗原、抗体及抗原抗体混合溶液)的太赫兹损耗角正切平均值随浓度变化的特征，推导抗原抗体结合效率。具体为：
[0094]
首先、利用抗原、抗体及抗原-抗体太赫兹耗角正切平均值与其对应的浓度作图，如图6所示；
[0095]
其次、确定抗原-抗体耗角正切数值平台(即横向虚线)，确定平台浓度范围及不同的变化时期(a，b，c)(理论上，设置足够多的测试点，可以得到一条曲线，通过曲线上不同阶段的曲率变化，推断不同的阶段。现阶段，我们还是参考了检测对象的结合位点数量，结合效率等进行的正反验证推测)。在阶段(a)，在固定浓度抗原下增加抗体含量使tanδ值急剧下降。这是因为抗原溶液具有较高的介电损耗角正切，并且和抗体反应后有剩余。一个相对稳定的阶段(b)，意味着抗原-抗体的能量平衡相互作用开始，之后tanδ的大小再次降低并接近抗体溶液的值，即阶段(c)，意味着抗体过多。从图6可以推断抗原与其特异性抗体的结合状态为当介电损耗正切达到稳定值时。因此，平台期的开始可以认为是最低检测限，即抗原-抗体耗角正切数值平台(横向虚线)所对应的太赫兹损耗角正切tanδ值即为最低检测限(一般可以认为检测限越低，抗原抗体结合度更高)。
[0096]
本发明提供的使用上述所述样品池评估抗体效价的方法中，检测浓度设置地越密集，更容易得到有规律的结果。
[0097]
实施例2
[0098]
作为本发明评估抗体效价其中一种应用实施例，本实施例采用本发明提供的方法用于检测结合某一抗原的抗体效价。通过检测结合同一抗原的不同品牌抗体，可以定性分析不同品牌抗体的效价。具体为：
[0099]
检测6个品牌(abbkine、cell signaling technology(cst)、abcam、cusabio、novus和cloud-clone)同一抗体的效价，例如，采用本发明提供的评估抗体效价的方法检测上述6个品牌的组蛋白h3抗体的效价，其结果如图7a至7f所示，abbkine、cell signaling technology(cst)、abcam、cusabio、novus和cloud-clone的抗体结合抗原的检测限分别为0.075、0.08、0.073、0.045、0.070、0.055；在这六种品牌的抗体中，cusabio的抗体的检测限最低，其抗原抗体结合度最好。
[0100]
此外，作为本发明评估抗体效价其中一种应用实施例，对于通过elisa技术已经得
知结合效率的抗体，可以对比太赫兹法结果和elisa结果，将太赫兹光谱数值定量化，用于特定种类抗体质控。
[0101]
作为本发明评估抗体效价其中一种应用实施例，本实施例通过设置已知结合效率的抗体作为对照组，与待测抗体进行同一批次检测，根据太赫兹光谱特征，来定性判断结合效率
[0102]
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。