[发明专利]表面引发的化学反应速率的实时监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面引发的化学反应速率的实时监测方法。以石英晶体微天平（QCM）为平台，实时监测基于表面引发的化学反应的速率，能够细致的观测反应的发生过程。本发明属于生物化学领域。 

背景技术

许多生化反应发生在固液界面，尤其是在生物芯片和纳米材料领域，远远要多于发生在液相中的反应。总之，分子在界面上的反应不能简单的等同于在溶液中的反应，其力学性质和反应动力学皆有不同。首先，分子修饰在表面减少了它们的分子运动的自由度，这导致了溶液中其他分子的方向性的不同以及相互之间作用力的不同；其次，分子在界面处旋转的速度以及扩散速率都远远小于在溶液中。 

本发明采用了一种杂交链式反应（hybridization chain reaction, HCR）来说明这一监测方法。DNA链取代是由称为“DNA 燃料片段”的DNA 链来完成的。典型情况下，DNA 链在刚刚混合的情况下就开始配对。但是这种燃料DNA由于事前形成的发夹结构，有潜在能量蕴藏在这种发夹 结构中，只有当催化链也就是引发链存在的情况下，才会将发夹结构打开，形成杂交双链。这一系统可以成为链引发的DNA自组装纳米结构。a*b*链为引发链，固定于晶体表面，H1链的ab段与其为配对片段，当溶液中含有H1时，a*b*段与ab段杂交，从而将H1分子的发夹结构打开，因此，H1中的cb*段又称为H2分子中c*b段的引发链，从而打开H2的发夹结构，最终，H2段中a*b*段又与H1链的ab段杂交，从而将溶液中所有的H1，H2分子反应，链接为一个长的杂交链。 

石英晶体微天平是一种用于研究表面的技术，主要是通过测量石英晶体的共振频率f 以及耗散因子D 来将晶体表面发生的反应或者变化转化为可读信号。石英晶体的频率和耗散因子会受到晶体表面吸附层质量或者粘弹性等的变化的影响。根据Sauerbrey方程，关于晶体谐振频率与晶体上吸附的物质质量存在线性的关系： 

△f = C·△m   (1)

 △f 是晶体谐振频率的变化，C 为敏感系数，△m为晶体上的质量变化。根据表面引发反应在晶体表面的质量增加，可以推算出反应进程，从而得知反应的速率。如果我们简单的将HCR描述为如下反应时： ，那么这个反应的反应动力学如下式（2）所示，同时也得到H1，H2质量与频率变化的直接关系，如式（3）：

（2）

 （3）

式中表示HCR的反应时间， 为的反应浓度，V是测量池的体积。由于反应自始至终V和的值基本保持不变，因此可以得到以下关系式：k~△f~△m。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种表面引发的化学反应速率的实时监测方法。 

一种表面引发的化学反应速率的实时监测方法，其特征在于，借助杂交链式反应，采用石英晶体振荡器技术研究表面引发链在固液界面处的反应速率，具体步骤如下： 

使用的石英晶体为镀金的5MHz 晶片，晶片经过预先处理，即先用H₂SO₄ : H₂O₂=3:1的Piranha溶液超声3分钟，然后使用Million-Q水超声3 次，每次3分钟，然后用氮气吹干；

取DNA 引发链溶液100μl 滴在晶片表面，4℃冰箱过夜，然后用Q水冲洗晶片表面，将没有吸附的引发链溶液冲掉；接着将该晶片浸于1mM巯基乙醇溶液中30分钟，Q水再次冲洗，氮气吹干；液体池开始时充满了空气，然后充入Q水，比较空气中和水中频率和耗散值的差，与标准值比较用于确定仪器运行良好；然后冲入缓冲溶液，之后加入H1/H2 溶液，其中包含2种DNA 发夹结构，即H1 发夹结构和H2 发夹结构的分子；当测量池中反应终止，测量曲线达到平衡状态后，再次冲入缓冲溶液，同时观察HCR反应所形成的DNA分子膜是否被缓冲溶液冲掉，也就是观察反应曲线是否有所变化，这也证实了HCR 反应生成的薄膜是否牢固的以化学键吸附在石英晶体表面，反应温度24摄氏度。

本发明的优点在于：可以实时监测反应发生的过程，观察反应的进程；操作简便，快捷，稳定；可以获得众多参数，尤其是通过不同的模型推导的界面处性质可以提供多方面的理论支持。 

附图说明

图1为实施例1界面处已发生反应的反应物质量随反应物浓度的变化图。 

图2为实施例2界面处已发生反应的反应物质量随反应物浓度的变化图。 

具体实施方式