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白话胶体金系列——第二话<标记>中篇

2021.7.01
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

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(二)操作


上面大篇幅都围绕Ph展开,因此不难想象Ph是标记优化的一个关键点,总结起来就4个字——高效、稳定。很多流程里,摸索最佳Ph都是优化标记的第一步,但是如果大家对第一话《烧金》的内容还有印象的话,那么标记的第一步首先应该是找到合适的容器,因为胶体金有洁癖。


1.容器:

推荐用清洗过的西林瓶(玻璃瓶)。因为两点原因,不推荐用ep管,一是不干净,你可以做个实验,拿十几个离心管,装好胶体金,其他什么都不加,用力摇晃,会发现金子颜色变化,严重的情况是金子直接变深紫、甚至变黑,轻微的情况是金子稍微偏紫一些,这是因为离心管不干净导至的死金,如果其随机发生在标记过程中,结果会难以分析。二是容易产生吸附,尤其是在用高倍金(比常用的1/万浓度高的金)标记重组抗原的时候。

万一你图省事,用离心管随便做做,至少要用超纯水多洗几次,包括与胶体金接触的枪头。说到枪,在少量标记时,如果用枪混匀,一定要慢吸慢放,快了的话,金子从枪头上行接触到枪末端,一个是对枪不好,再一个金子会死的很难看。


2.最适Ph:

1)取6个玻璃瓶,每个加1ml胶体金(1/万浓度,也可以做个10个8个的梯度)。

2)分别加入0.2M碳酸钾0、2、4、6、8、10ul,加入之后马上、充分混匀。(注意:加进去碳酸钾要马上混匀,不然的话,碳酸钾会自然沉降到底部,导至局部离子强度过大,严重的情况会导至底部的金子直接死掉,变成黑色,而上面的金子是正常的红色,出现明显的分层现象。)

3)分别加入10ug待标记原料,混匀,反应30min,观察颜色变化。(标记时间后续需要优化,分析颜色变化有利于了解原理和解决问题)

4)分别加入10%的BSA 100ul,混匀,反应30min。观察颜色变化。

5)离心,4℃,9000rpm,15min,上清尽量取干净。(机器不同,金子大小不同会有差异,具体根据离心效果看,上清干净即可。正常情况下,离心后沉淀蓬松,管壁无沉淀)

6)1/10体积复溶(注意复溶表现,有无不溶颗粒物),喷金6-9ul/cm,与划好的膜一起组装检测,符合性能要求的前提下(或者性能相差不太大的情况下),尽量选择远离变色临界点的条件为最适Ph。


3.讨论:


1)一个最佳Ph实验,需要一个完整的生产、检验过程,不要奢望看个颜色,加个NaCl就出结果了,想想我们优化Ph的初衷——稳定、高效,首先是获得一个稳定的标记物和稳定的生产过程,也就是从头到尾不死金,再一个就是产品的性能符合要求。


标记物再稳定,产品性能不合格,也是枉然;性能合格,操作重复性或产品稳定性差,也是白瞎。


我们来看一下NaCl滴定为什么不适用(NaCl滴定的原理在第一话中讲过,是基于盐离子对疏水胶体稳定性的破坏作用)。

首先,低标记ph下,蛋白会带更多的正电荷,金标物之间的斥力会比较小,但这时标记的效率较高,而高标记效率往往是我们追求性能时所需要的,这时我们如果加NaCl进去,会很破坏本就脆弱的斥力,进而出现死金现象,但是在正常操作时我们会用BSA进行封闭,这个封闭不仅能封闭金子表面,更重要的是,他使金标复合物带了更多的负电荷,使标记物更加稳定。所以,NaCl法没有考虑到封闭的稳定作用,NaCl滴定不稳定,不代表封闭后也不稳定;再一个,NaCl滴定会误导我们选择性能较低的条件(ph偏高一些),当然这也有一点好处,就是选择高的标记ph条件对放大生产的稳定有利。

上面这种情况是NaCl滴定能够得以顺利实施的情况下表现出的缺陷,在其他一些特殊情况下,NaCl滴定法可能没办法实施,比如,标记后的复合物本身斥力足够大,你又过量标记,加NaCl进去都不变色;又或者金子质量太差,或原料特殊,加进去NaCl所有条件都变色,甚至不加NaCl大部分条件都变色,这时你如果跟随NaCl的脚步,不一定带到哪条沟里去了,纠结于此往往不能发现背后真正的原因和解决方法。


对于部分IgG1型的抗体,NaCl滴定选择的条件会接近性能实验结果,但即使都是IgG1型抗体,标记、离心时的表现也会有很大差异,所以优化标记应以稳定高效的性能目标为指导,抛弃文献中的NaCl滴定法。


2)关于调节金子Ph:

常用的是碳酸钾梯度调节,Ph随着加入体积的增加而升高,这是一个相对连续的调节方法。有些公司使用缓冲液调节Ph,方法是加入相同体积、不同Ph的缓冲液,比如加入1/20的7.2的PB、8.0的BB、9.6的CB等等,这是一种跨步式的调节方式。两种方式调节均以加入量为参数,不必纠结具体的Ph数值,当选出最合适条件后,可以想办法检测一下这个点的Ph数值,在生产中作为一个质控点。


碳酸钾调节的优点是可以细化很多Ph梯度,从而利于追求性能,缺点是过于追求性能情况下,在临界状态附近放大标记,容易出现死金。


等比例放大,标记的整体Ph环境相同(1ml和几百ml,操作无错误,最终的胶体金Ph是一样的),那为什么小量标记没事,放大会死金呢,这是一个比较困惑的问题,可以从两方面理解(这只是我的推论,有助于理解现象):


一是“狼多肉少”,胶体金是狼,蛋白是肉,少量标记时,假设在反应中心,1个金子标记上了蛋白,这时在反应区域外有9个等待标记的金子虎视眈眈,他抱着蛋白往外突围,走一步撞上1个金子,对方说“队长,别开枪,是我”,原来他走的同时,对方也标记上了蛋白,这时竞争比例变成了2:8,再走一步,比例变成了5:5,他最终突围出包围圈后,所有金子都标记好蛋白了,突围过程很从容,大家谁也不会抢谁的,相安无事。但是放大标记后,他突围了一层包围圈,遇到的是新的一批未标记的金子,再次勉强突围后,迎接他的又是新的一批没标记的金子,谁也别废话了,动手吧,最终抢来抢去,一个蛋白连上了多个金子就死金了。也就是放大标记中,整体Ph环境一致,蛋白的结合倾向是一致的,但是从反应中心扩散到整个区域的过程中,一个蛋白需要面对更多的金子的争抢,所以放大标记比小量标记容易死金。


另一个原因是局部ph降低,加入蛋白意味着引入了缓冲液(蛋白保存液),一般蛋白的保存液是PB,会拉低局部的Ph,放大标记,加入的蛋白保存液量明显增加,在这个局部反应区域内,蛋白是在低Ph环境下标记,更容易死金。


以上通用的解决办法就是要把标记Ph提高一些,在临界状态之后,性能满足要求的前提下,尽量往高提,能提高多少视蛋白结构和金子浓度而异。高倍金放大死金的风险远远高于常用的1/万金。


而缓冲液标记放大死金的风险相对较低,可能有两方面原因,一是本身缓冲对的缓冲能力大于单纯的碳酸钾,二是已经人为的加大了Ph的跨度(相当于碳酸钾梯度做大了,你选择的最优点已经是远离临界状态的安全点了)。


3)最适蛋白量:

过程类似,在最适Ph点上,把标记蛋白量做个梯度优化,梯度范围1ml金子加5-20ug蛋白。

优化标记量是因为免疫反应有比例性,夹心法一般标记量增加,一个金子上面标记上的蛋白就越多,与待测物反应越充分,整个复合物被T线捕获的机率也越高,灵敏度就越高,这个前提是上清游离原料去除干净,而这其实并不容易,所以标记浓度高了,游离抗体去除不干净引起的竞争效应会越明显,灵敏度反而降低,另外过饱和标记Fc相对隐蔽,对C线显色也有影响(参照下图,涛哥形象的画风)。

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而竞争法相反,标记量越低,金子上的抗体越少,与阳性样本反应后,金子上留给T线的未反应抗体就越少,越利于消线,灵敏度越高。


优化蛋白标记量的主要筛选标准是产品性能,标记多少对金标物稳定的影响不是主要考虑项,所以更用不到NaCl滴定法。


4)封闭:

一般的文献都会说封闭是为了封闭金子表面的活跃位点,避免层析中出假阳,慢慢会发现除了这点,还有两个重要作用,一是稳定标记物,二是提供离心环境,这两个作用出镜率不及“封闭位点”,但是随着了解的更加深入,你会发现封闭表面的作用太肤浅了,“稳定标记物”和“提供离心环境”才是最重要的,解决死金的思路都在这里。


首推的封闭剂是BSA,质量很关键,涛哥有过长篇论述,不同厂家的BSA,在封闭时会有很大差异,所以,一开始选择一种好的BSA很重要(好在有人专门卖胶体金产品用的BSA,可以排除BSA厂家的因素,让你专注其他问题)。


如果操作过程中出现异常,观察每一步的实验现象会有助于发现和解决问题,与BSA相关的比如:

质量很好的BSA能够胜任绝大部分封闭工作,封闭离心复溶一切正常,而质量一般的BSA只能用于一部分标记单抗的封闭,如果标记特殊亚型单抗或者重组抗原,封闭没问题,但是离心会死金。


另外一些情况是,有些BSA溶解后是酸性的,用他封闭会导至标记蛋白带正电从而引起死金(可以尝试用Tris溶解BSA,整体呈碱性),有些BSA含杂质盐,用他封闭会破坏金标物的斥力从而引起死金。这两点基本上在封闭时就表现出异常了。


如果你常用的BSA没有换,标记的抗体也没有换,离心出现异常,多半是标记Ph和胶体金本身的质量问题。


在这里我想说一下我对BSA封闭机理的推论,我认为其主要作用力就是金硫键。BSA等电点4.7,我们标记时的Ph远大于其等电点,为什么一般情况下,我们标记抗体或抗原时,别说远远高于了,就是一般的高于等电点,标记后活性都大打折扣(标记效率极低),但是这个BSA封闭,无论什么Ph都能很好封闭胶体金裸露位点,而且还是人家抗体不愿意(难)结合的剩余位点,虽然BSA过量是一个因素,但是如果是很高的标记Ph,过量的蛋白进行标记也是浪费。不否认BSA浑身负电,仍有正电基团,但是Ph远远高于等电点,正电基团数量少得可怜,所以正负电荷引力难堪重任,甚至相互吸引接触都成问题。如果说主要靠疏水,在强大斥力存在时,疏水基团碰撞结合的几率也很低,那为什么其他蛋白远离等电点时,疏水结合很难起作用,但BSA却能很好结合?


所以最后只有一种可能,就是金硫键,BSA有581(也有说583)个氨基酸残基组成,分子量66.4KD,其中有35个半胱氨酸,组成了17个二硫键,在肽链的第34位还有一自由巯基。这个自由巯基很容易与胶体金形成共价结合,而且共价结合力远远强于静电和疏水,同时他不受Ph条件的影响,并且共价键具有饱和性,所以一个BSA只能通过一个自由巯基结合一个胶体金,不会引起金子的聚集,但是一个胶体金可以结合多个BSA,所以封闭后的金标物带有更多负电荷,能够更稳定、更分散。


实验现象表明BSA的加入,会让某些轻微变紫色的金子回复成红色,这是本已聚集的胶体金颗粒重新分散的表现,这说明BSA在封闭时有很强的负电斥力,并且很高效的结合到了胶体金上,与上面的推论相吻合。


所以我认为,金硫键是BSA封闭胶体金时的主要作用力。关于BSA的封闭机理,每个人会有各自的看法,至少目前没有统一的定论,这只是我根据几种作用力的原理及实验现象得出的推论,大家看看就行,反正不知道原理,直接用也不会有问题。


另外一个常用的封闭剂是酪蛋白,比BSA保护作用更强,甚至标记时已经死了的金都能安全离心,这是一件好事,也是一件头疼的事,可以慢慢体会。但是刚接触一个项目的时候,不建议用酪蛋白封闭,如果对反应体系不了解,酪蛋白封闭容易筛选出有缺陷的原料,从而引发一系列意想不到的问题。常见的降低灵敏度、产品特异性缺陷,罕见的金子释放异常等。


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