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高通量生化筛选的多孔拉曼酶标仪

    

尽管拉曼光谱已被用于许多领域的样品定量分析,包括材料科学、生物医学和药物研究,但其低灵敏度阻碍了分析能力在高通量筛选中的应用。在这里,我们开发了一种高通量拉曼筛选系统,可以同时分析多孔板中的数百个样本。多孔板中的每个孔下都安装了多个高数值孔径 (NA) 透镜,以高灵敏度同时检测拉曼散射。可以同时分析加载在标准 384 孔板上的 192 个样品的拉曼光谱。随着开发的系统,与基于单点测量的传统拉曼仪器相比,拉曼测量的吞吐量显着提高(约 100 倍)。通过使用开发的系统,我们展示了高通量拉曼筛选来研究药物多态性并确定蛋白质中的小分子结合位点。此外,该系统还用于演示厘米大小的猪肉切片的高速化学映射。

高通量筛选 (HTS) 已成为近期药物和生物学研究中的一项关键技术。在 HTS 中,孔板和读板器的结合使我们能够快速、全面地分析数十至数百个样品。例如,在制药行业,HTS 已被用于从大量化合物库1、2 中有效识别用于新药发现的先导化合物。在化学和生物学研究中,HTS 提供了在实际实验期间研究药物分子和细胞之间生化相互作用的巨大组合的机会3 , 4. 在当前的 HTS 中,光学方法由于具有无损和高速分析能力而广泛采用。特别是,荧光和发光测定法通常是由于用于根据其现有记者变化2,3,5。

拉曼光谱可以成为一种强大的筛选工具,因为拉曼光谱反映了分子振动,可利用分子结构、分子种类、结晶度、蛋白质构象等信息来研究样品6 , 7 , 8 , 9 , 10. 由于拉曼散射是在几乎所有类型的分子中都能看到的一般光学效应,因此它不需要样品制备,这与可能改变生物系统中样品条件和反应的荧光分析不同。此外,拉曼光谱可以应用于任何相(固体、液体和气体)的样品,允许广泛的应用,包括活细胞分析和药物分析,如之前报告中的成功演示所示8、9、10 .

为了在筛选应用中充分利用拉曼光谱样品分析的强大能力,提高光谱检测的通量是不可避免的。传统拉曼筛选系统的吞吐量受到可在单次曝光时测量的观察区域的限制。由于拉曼散射是一种弱光学现象,因此希望使用高数值孔径 (NA) 透镜尽可能多地收集拉曼散射光子。但是,高NA镜头只能观察到很小的区域,这与镜头的NA成反比。例如,当使用 NA 大约为 1.0 的物镜时(相应的放大倍数通常为 20-100),观察区域被限制在小于 1 mm 2. 有限的观察区域需要对分析物的数量进行重复的拉曼测量,导致筛选时间相当长。事实上,以前的拉曼筛选通过拉曼显微镜进行所需的很长的测量时间超过几十分钟至几十样品小时11,12,13,14。已经开发出采用低数值孔径透镜的拉曼成像仪器来观察大观察区域15. 然而,低数值孔径透镜的低检测效率以及光谱分析需要在不同检测波段进行多次测量限制了测量的吞吐量。因此,实际上很难实现高通量的拉曼筛选。

在这项研究中,我们开发了一种多孔拉曼读板器,可以同时检测标准孔板中多种分析物的拉曼光谱。为了证明拉曼酶标仪在高通量筛选中的实用性,我们使用不同类型的样品进行了实验。作为拉曼光谱在制药行业的典型应用之一,我们进行了药物多晶型的检测,并成功证明了重结晶后晶型的识别。我们还展示了使用表面增强拉曼散射 (SERS) 光谱的高通量拉曼筛选16 , 17. SERS与多孔拉曼酶标仪的结合可以进一步提高拉曼筛选的通量。作为 SERS 筛选的演示,我们提高了炔标记拉曼筛选 (ATRaS) 的通量,这是一种在蛋白质中寻找小分子结合位点的有效技术18. 该实验还证实了对由金属纳米颗粒和小分子聚集体组成的复杂样品进行高通量 SERS 筛选的可行性。除了使用多孔板的应用之外,拉曼读板器的光学设计使我们能够将拉曼光谱应用于分析相对较大的样品。特别是在食品行业,需要检查各种尺寸的食品的质量、化学成分和污染。我们已经展示了对一片猪肉中多个点的拉曼光谱的测量,以验证使用拉曼读板器进行食品分析的能力。

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