技术分享｜原位检测与过程分析技术及应用（一）

Paal-Knorr 反应机理研究

原位检测与过程分析

01 技术平台

原位检测与过程分析（以下简称ICPA）技术平台是以RC HP-1000A型反应量热仪为基础，并搭载在线分子光谱仪、在线粘度计、在线pH计、在线颗粒度检测仪等探头式原位检测仪器的高技术多参量测控平台。通过对上述仪器组件在硬件与软件层面的集成，可实现化学反应工艺过程模拟、多参量测控、数据分析与联用等功能。

其中，ICPA技术平台的多参量测控功能可原位采集化学反应过程中体系温度、压力、反应热、组分、pH值、粘度和颗粒度等参量的实时数据，从而GX获取化学反应特征信息。由于无须进行取样、样品前处理等操作，与传统的离线分析手段相比，ICPA技术具有不破坏样品、不引入干扰因素、不丢失过程信息等优势，可用于反应机理研究、反应风险评估、工艺参数快速优化等。另外，由于具备高自动化、高数据通量的特点，该技术是未来实现全自动化实验室、智能工厂的重要基础。

图1  原位检测与过程分析技术平台组成

图2  原位检测与过程分析技术平台拓扑结构

02 应用实例

有机化学中从1,4-二羰基化合物产生吡咯、呋喃或噻吩的反应称为Paal-Knorr反应。取代的吡咯、呋喃和噻吩是许多具有生物活性的天然产物和药物活性成分（APIs）的基本结构单元，因此Paal-Knorr反应是一类比较有价值的合成方法。对于利用胺类与1,4-二羰基衍生物合成吡咯的Paal-Knorr反应，一般认为半缩醛胺中间体的环化是反应的决速步骤，因此测定该中间体的生成与变化是研究反应机理的关键。

图3  Paal-Knorr吡咯合成反应机理

本实验以2,5-己二酮为底料、滴加乙醇胺的方式进行Paal-Knorr吡咯合成。利用ICPA技术平台分子光谱（中红外）原位检测功能，可表征反应过程中体系红外吸收光谱随时间变化。通过对全谱图进行基线校正和特征峰趋势分析，可以识别出反应体系各组分浓度的变化，其中波数1110 cm^-1处的吸收峰呈现先上升后下降的趋势，且符合仲胺基上C-N键的伸缩振动峰位置，可初步识别为半缩醛胺中间体的特征峰。

图4  (a) Paal-Knorr吡咯合成反应红外光谱随时间变化；(b) 关键特征峰变化趋势

利用特征峰强度变化可对反应物、产物和中间体的浓度及相对浓度变化过程进行半定量分析。可以发现，反应物和产物的相对浓度之和在1110 cm^-1吸收峰出现前后恒等于1，且在反应过程中出现的下降趋势与1110 cm^-1吸收峰的变化趋势相吻合。由此可以确认1110 cm^-1是半缩醛胺中间体的特征峰。

图5  反应物、产物、中间体相对浓度变化趋势

确认中间体的特征峰之后，可以通过原位采集红外数据GX研究工艺条件对反应过程的影响。如图6所示，提高反应温度会YZ中间体的生成，验证了半缩醛胺中间体脱水是Paal-Knorr反应的决速步骤，温度对这一步反应速率的影响更显著；另外，投料顺序也影响反应过程，以乙醇胺为底料、滴加2,5-己二酮的反应方式没有明显的中间体生成。

图6  (a)反应温度与(b)投料顺序对中间体生成的影响

03 结语

ICPA技术是现代测控技术、仪器科学和现代计量学的结合体，是研究化学反应机理与工艺开发的新兴手段。后续我们将介绍更多ICPA检测方法以及该技术在医药、农药、聚合物、新能源等行业研发与生产中的应用实例。

应用分享|描绘信息显示技术演变进程

显示技术已成为我们生活中不可或缺的部分，将清晰的文字、生动的图片和精彩的视频透过我们每天浏览的屏幕进行呈现。对显示设备制造商而言，这带来了重要的机遇和挑战。

机遇存在于越来越多的应用中，从我们手腕上的智能手表，到互联网汽车的互动屏幕，再到quan球各地的体育场馆的动态标识和屏幕。

在确保更好的图像质量的细节增强方面出现了挑战：如分辨率、刷新率、色域、亮度、对比度等。实现下一代性能需要在背板技术和光转换效率等领域进行创新。

搭建市场空间模型

简单地说，显示技术市场涵盖了三个基本类别：行业、应用和外观性能。除了消费电子产品，其他值得关注的领域还有汽车、医疗健康和零售行业。显示技术在这些以及更多行业领域中，主要应用于移动设备、可穿戴设备、数字标牌、高清电视以及台式电脑和笔记本电脑的显示屏（图1）。

图1. 对于显示设备制造商而言，这种市场空间模型只是机会的冰山一角。

对于制造商和终端用户而言，外观性能是创新的关键领域。围绕可弯曲、可折叠、可伸缩或透明显示的新材料的持续研究正取得巨大的进展。在移动设备、可穿戴设备和互联网汽车领域的下一代应用备受瞩目。

勾勒显示技术的发展路线图

在显示技术行业中，发展路径将经过主流的，近期新兴的和未来将探索的技术。目前的主流技术是液晶显示屏（LCD）和有机发光二极管（OLED）技术，且越来越多的应用正从LCD向OLED技术转变。为了与OLED制造商竞争，许多LCD制造商正在开发如量子点发光二极管（QLED）和迷你发光二极管等新技术。

展望未来，显示设备制造商正积极投资如有源矩阵有机发光二极管（AMOLED）、微型有机发光二极管和下一代量子点技术（例如：量子点彩色光转换膜）。他们还投资如微型发光二极管和电致发光量子点等下一代技术，这两项技术都需要更严格的设计和生产参数。

面临的挑战

对于主流显示技术而言，加工工艺控制（例如：测量）和失效分析（FA）是提高良率和质量的关键。zui新的显示屏结构需要对背板和发光单元的关键尺寸（横向和纵向）进行精确控制（图2）。而这就需要高度jing准的测量。由于颗粒、污染或工艺偏差造成的缺陷会严重影响良率和质量，因此在产品生命周期的早期阶段，越来越详细的失效分析是必不可少的。

图2：该示例图展示了移动设备显示屏中影响良率和质量的堆叠层。

在针对材料工程的研发中，关键的研究主题包括用于创新外观的新背板技术和例如OLED薄膜封装（TFE）技术等新领域，还有量子点发光和纳米级封装，以及微型发光二极管的量子效率。

满足行业的需求

在半导体器件的研发、测量和失效分析方面，赛默飞世尔科技（TFS）提供一套独特而全面的工作流程，来满足显示设备制造商的需求。我们的测量解决方案提供zhuo越的可复现性和高质量的纳米级分析能力。对于缺陷的隔离和分析，我们的扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）和透射电子显微镜（TEM）的解决方案可提供自动化、高精度的样品制备和行业领先的成像技术。

      荧光原位杂交（Fluorescence in situ hybridization，FISH）是应用荧光染料标记探针DNA，以荧光标记取代同位素标记组织、细胞核或染色体DNA进行杂交的一种研究DNA序列在染色体上位置的新的原位杂交方法，常被称为是生命科学的“钓鱼”技术。利用这一技术可对待测核酸定性、定位或相对定量的分析。

      传统的原位杂交方法是将标记的核酸探针与细胞或组织中的核酸进行杂交后采用放射自显影进行检测，这种检测限制了杂交技术的广泛应用，20世纪末由于人类基因组计划的启动，FISH技术得到了迅速的发展和广泛的应用。

      FISH技术是一种非放射性原位杂交技术，结合了生物学和细胞遗传学，将真核生物细胞的染色体区带与特定DNA片段联系起来的一种快速而直接的检测手段，广泛应用于生物学研究中，可作为免疫组化表达初步筛查的shou选方法，提高了基因定位的准确性。

通过荧光显微镜观察杂交信号。FISH在荧光显微镜下可以确认出肿瘤所在的位置。

      因其安全性高、特异性好、快速准确，可以同时检测多种序列、使用周期长，在基因定位、染色体结构分析与数目测定、人类产前诊断、病毒感染分析、肿瘤遗传学等方面都发挥了不容小觑的作用。 今后在研究细胞核骨架与基因表达的关系、基因扩增，基因组结构与哺乳动物的染色体调控等领域将会起到积极的作用。

（来源：广州市明美光电技术有限公司）

随着超快激光器的发展，有关超快激光与物质相互作用的研究越来越受到人们的关注。由于超快光脉冲具有短脉冲和高光强两个主要特性，超快光与物质的相互作用就形成了超快光谱学和强场物理两个分支。其中，超快光谱学研究物理的超快光学特性以及超快光与物质的相互作用，主要利用超快光的窄脉冲特性来研究物质随时间演化的特性，时间分辨和实现相干态等是其主要特色。

超快光谱学可以应用于物理、化学、生物、材料、YL、能源及环境等众多领域。在物理领域，超快光谱还可以应用于半导体磁性材料、超导体、绝缘体、复杂材料、量子结构、纳米和表面体系等等。

超快光谱与物质相互作用的本质是电磁波与物质的相互作用。超快光能够与物质中的电荷、晶格、自旋、轨道角动量等多个自由度相互作用，由于超快光可与这些自由度单独相互作用，因此，某些时候可以通过这些相互作用来感知、探测和解释凝聚态物质内部的自身的量子激发态之间的相互作用，例如改变外部物理条件（如温度、磁场、电压、压力等）时，通过感受某一种或两种元激发的动力学特性的改变来感知内部的相互作用的改变，从而探测物质内部相变的发生。相互作用大多伴随着能量的转移，也即非弹性光散射过程。

在凝聚态物质中，由电磁相互作用的强度和原子间距的尺度所决定的凝聚态物质内部的物理过程，大多数发生在fs、ps甚至是ns的时间尺度上即所谓的超快物理过程，例如吸收光子后处于激发态的载流子的弛豫过程，自旋相干性的消失，晶格的周期振动和衰减等。在凝聚态物质中，每个原子与大量其他原子相连接着，这提供了大量的衰减渠道，使得处于激发态的单个和集体元激发会很快地衰减到基态，从而表现为超快物理过程。

研究超快物理过程，目前大多采用超快激光器所发射的超短激光脉冲串来实现。激光器分为两类：一是连续波激光器；二是超快激光器。

目前，超快光谱学的一个重要特色是时间分辨。时间分辨是指物理事件随时间的演化过程在时间维度上展示出来，其是相对于时间积分而言的；由于物质总是不能脱离开时间而存在，一个可探测物理量如果不是时间分辨信号，那么它通常是时间积分或时间平均的信号。通常时间分辨信号涉及的时间尺度比较大，可以从ns到as尺度。

对应于不同时间尺度上发生的物理过程，时间分辨的探测技术也会有所不同。
（1）在>0.01 s的时间尺度上发生的物理事件

       用摄像机记录下来

（2）在ms - ns量级的尺度上发生的物理过程

      用示波器等进行记录，也可以用计算机控制的电子学或光电子学器件来进行记录，不过，这些方法往往Z终受限于微观上电路的RC响应时间常数。
（3）在几十ps - ns之间的时间分辨过程
       用专门开发的电子学方法进行探测比如时间相关单光子计数（TCSPC技术）
（4）在fs - ps之间发生的物理事件
       用超快光谱学的方法来探测时间分辨信号

从时间分辨信号可以直接获得物理体系随时间演化的超快过程信息，对于揭示物理机制起着重要的作用，故时间分辨对于超快动力学研究几乎是不可或缺的。

目前，常见的超快光谱技术主要有如下几种：
1、泵浦/抽运-探测超快光谱（pump-probe detection）
2、相干态的产生和探测
3、时间分辨发光光谱
4、瞬态吸收光谱
5、时间分辨四波混频技术
6、时间分辨红外光谱
7、THz时域超快光谱
8、X射线超快光谱

近几年来，随着固体超快激光器和高速探测器的发展，超快光谱技术得到了飞速的发展，同时也加快了与其他技术的结合，促进了学科交叉融合。目前，较为常见的结合技术有与电子衍射、原子力显微镜（AFM）、近场光学扫描显微镜（SNOM）、微波技术、角分辨光电子能谱、扫描隧道显微镜（STM）、电子光束成像等技术的结合。这些融合技术带来了Z新的研究结果，拓展了超快光谱技术的应用领域。同时，这些融合技术往往也是其他单一实验技术所无法替代的。

补充：
1、原子分子中发生的大多数光物理过程都具有一定的时间尺度，比如原子核的运动，化学键的扭转等发生在fs - ps时间范围内；电荷分离和转移、能量传递等发生在fs - ns时间尺度；发光材料的荧光寿命一般发生在ns量级等。
2、超短脉冲激光激发物质后可以产生丰富的瞬态产物比如激发态分子、中性自由基、正或负离子型自由基等，稳态测试方法只能反映整个过程的一个积分效应，而不能体现过程是如何随时间变化的。时间分辨的研究则可以深入认识分子本身的性质。
3、光脉冲的脉宽在约10 fs以上，其可用于研究涉及外层电子的特性，可以很好地研究涉及固态物质的物理内容，这主要是由于固态物质的丰富的物性多由外层电子与体系的相互作用决定；脉宽低于1 fs的光脉冲，称作阿秒技术，此时的每个光脉冲只含有约单个左右的光波周期。阿秒技术有助于揭示内层电子的量子跃迁动力学过程，适合于研究原子分子体系。短于10 fs脉冲的光脉冲可用于研究电子的运动，适用于原子体系的研究，比如观测原子的外层电子的电离过程。
4、激光脉冲宽度决定了时间分辨探测的时间分辨率，随着超短激光脉冲技术的发展，激光脉冲的脉宽已经缩短到了ps、fs甚至是as量级。对于ns和更长时间的分辨光谱探测，一般的电子设备产生的延时精度及分辨率就可以满足需要，不过在ps - fs时间尺度上，除了条纹相机能分辨到ps量级外，其他电子设备只能分辨到ns量级，要达到fs量级的分辨率，只能通过其他方法来完成，比如光学延时方法，将时间尺度的问题转化为空间尺度的问题，使一束光经过电动延时线来实现时间分辨，1 μm的空间精度对应3.3 fs的时间精度（t=s/c，s是位移台的空间精度比如1 μm，c是光速）。

1 兆声清洗技术背景

Schwartzman等人，1993在SC1、SC2清洗时使用了兆频超声技术，获得前所未有的清洗效果，使得该方法在清洗工艺中被广泛采用，也引发了对超声波增强清洗效果的规律与机理的研究。1995年Busnaina的研究表明，兆频超声波去除粒子的能力与溶液的组成、粒子的大小、超声波的功率及处理时间有关。1997年Olim发现兆频超声去除粒子的效率与粒子直径的立方成正比，并由此推断兆频超声无法去除0.1μm以下的粒子。但是，兆声波清洗抛光片可去掉晶片表面上＜0.2μm的粒子，起到超声波起不到的作用。这种方法能同时起到机械擦片和化学清洗两种方法的作用。兆声波清洗方法已成为抛光片清洗的一种有效方法。但是，随着频率升高，声传播的效率会降低，所以兆声波清洗技术效果并不是频率越高越好。目前，一般用的频率范围是（700～1000）kHz。

2 兆声波清洗原理简介

声能在液体内传播时，液体会沿声传播的方向运动，形成声学流（Acousticstreaming），声学流是由声波生产的力和液体的声学阻力以及其他的气泡阻力形成的液体的流动的效果，兆声波清洗就是利用声能产生的液体流动来去除硅片表面的污染物，其原理见图1。

兆声波清洗是由高频（700～1000kHz）的波长短（1.5μm左右）的高能声波推动溶液做加速运动，使溶液以加速的流体形式连续冲击硅片表面，使硅片表面的颗粒等污染物离开硅片进入溶液中，达到去除污染物的目的。随着声能的增高，表面张力会下降，这可改善浸润效果及小颗粒的浸润。而且，能量越高，声学流的速度越快，硅片表面被带走的颗粒也随之增多反应速率也会升高，这可降低反应时间，同时，也可以降低化学液的浓度。随着频率升高，空洞现象的阀值会升高，所以兆声不会像超声一样会产生气泡而损伤硅片表面。

而根据超声频率的高低对应的去除污染物颗粒大小的能力，选用的频率见表1。

3 兆声波清洗技术的特点

（1）美国VEＲTEQ公司的M.Olesen.Y.Fan等人研究发现，兆声技术有如下特点。

能大大降低边界层的厚度，使其具有清除深亚微米颗粒的能力，可满足现行工艺以及0.1μm（线宽）技术对清洗工艺的需求。有兆声时边界厚度的对比（见图2）。

（2）可以极大的提高清洗效率，从图3有无兆声时的清洗效率对比图中可以看到，当兆声关闭时，用30s的时间清洗效率只能达到20%，有兆声时，只需10s的时间清洗效率就可达到99.99%。

（3）由于兆声波清洗可以使用稀释倍数大的化学液，从而大大减少了化学药品的用量和消耗，降低了清洗工序的工艺成本，有效减少了化学液的污染，保护环境。图3是在极低浓度的化学液中有无兆声的清洗效果对比图。

由于兆声波清洗具备以上诸多优点，因此使得兆声波清洗很快成为硅片清洗行业中广泛应用于去除微细颗粒的重要手段。

4 兆声波清洗技术在清洗设备中的应用

结合常规的湿法清洗工艺开发出适合相关工艺阶段的兆声清洗设备，按照这些设备的不同结构，大体可分为两类，一类是融汇在湿法清洗机兆声清洗槽或兆声漂洗槽，它们作为设备的一部分，只完成单个的清洗或漂洗过程。另一类则是以独立的设备形式出现。这就是兆声清洗机，该种设备通常配备两个槽体，一个清洗槽和一个冲洗槽，清洗槽是在兆声环境下用化学液来去除硅片表面的微细颗粒及化学污染物等，冲洗槽则是对清洗完的硅片用去离子水进行冲洗，从而达到生产需要的洁净度。

但是由于兆声传播是一种介质传播，声音传播中的能量会转化成介质的动能，因此在使用兆声清洗的同时会产生兆声能量的衰减。导致能量衰减的因素，首先是兆波的反射，如图4所示。

兆声能量的衰减可通过以下公式计算：

衰减系数γ可表示为：γ=γ吸收+γ分散；γ分散在液体中，不在计算内。在水液体中，γ吸收系数（dB/m）=0.2F2（MHz）。

由此计算可得，在频率为950kHz时，衰减度约为0.002dB/m；在频率为40kHz时，衰减度约为0.000003dB/m，在水液体中，兆声波衰减约为低频超声波衰减的1000倍，如图5所示。因此，在兆声清洗中，液位不能超过500mm。而在低频超声波中，超声波能量可传至（1.5～2）m高。

安装时，石英缸底部有一定倾斜角度更利于高频兆声波的传播，由图7中角度与声压的关系可知，当θ=2°时，最有利于兆声波的传播。

由于声波传播时一种介质传播，因此在不同的频率下石英缸作为传递介质，它的厚度也对兆声的传播有一定影响。

通过下面公式可以计算出不同介质中声波的传播率D：

从图8可见，当厚度t=3mm时，兆声波在石英中具备更好的传播率。

兆声发生器在石英循环溢流槽中的安装原理见图9。

5 兆声清洗技术应用领域

由于兆声波能去除硅片表面的微小颗粒，并且不会对硅片表面造成损伤，近几年兆声波清洗被大量的应用在清洗工艺中。兆声波用在SC－1中，可提高去除颗粒尤其是小颗粒的效果；用在DHF，臭氧水、纯水中都能起到增强清洗效果的作用。目前兆声清洗技术被广泛应用于液晶、手机镜片、光学器件照相机镜头制造业，汽车、摩托车制造业，电子、微电子、电子电器元器件制造业，五金业、机械的零件业，航天、航空清洗精密零部件业，钟表、眼境、珠宝制造业，家电产品制造业，电镀业，铁路机车造业等各个行业。（转）

具体应用涉及：

• 带图案或不带图案的掩模版和晶圆片

• Ge, GaAs以及InP晶圆片清洗

• CMP处理后的晶圆片清洗

• 晶圆框架上的切粒芯片清洗

• 等离子刻蚀或光刻胶剥离后的清洗

• 带保护膜的分划版清洗

• 掩模版空白部位或接触部位清洗

• X射线及极紫外掩模版清洗

• 光学镜头清洗

• ITO涂覆的显示面板清洗

• 兆声辅助的剥离工艺

石油化工是国民经济重要的支柱性基础产业，涉及行业多、产业关联度高，石化相关分析检测技术作为石化全产业链的重要质量支撑，阿美特克将于2022年11月24日开展 “石油化工分析检测技术与应用” 为主题的网络研讨会。

本次会议对大家免费开放，只需报名即可参会。扫描以下二维码提前报名，阿美特克期待与您线上相聚！

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本次研讨会活动将于2022年11月24日14：00 正式开始，我们邀请了阿美特克集团旗下 5 大部门，5 位深耕石化分析检测领域的专家，在阿美特克直播间分享技术干货，敬请期待！

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ACQUITY APC自2013年推出以来，以其速度、分离度和应用灵活性的提高，更清晰地展示低分子量段化合物的情况，更精细把控样品状态，更快速递交可供决策的数据，解决了不少高分子分析遇到的难题。沃特世战略合作伙伴“禾川化学”展示了他们在材料分析中的应用案例，快来一睹为快吧！

高分子与低分子同时测定

APC(GPC)可以同时分析而不必进行预先分离，一般来说从高分子材料的分子量分布可以同时看到三个区域：

• 高分子 　

• 添加剂和齐聚物　

• 未反应的单体和低分子的污染物

案例一

某热熔胶样：THF溶解后做APC测试(XT450、XT200、XT125)。

图1.  热熔胶的APC测试结果（THF流动相）。

高分子材料中小分子的鉴别

和其他色谱方法一样，APC(GPC)也可以用保留体积来鉴别中小分子物质。

案例二

聚酯多元醇聚合反应监控，尤其小分子副产物部分。流动相：THF、XT200、XT125、XT45。

选择己二酸、丁二醇为单体合成的聚酯多元醇，将不同反应时间，投料比微调整的3批次产品，选用APC做分子量分布测试。

图2.  聚酯多元醇不同批次产品的APC测试结果（THF流动相）。

在塑炼时分子量分布的变化（检测橡胶）

在塑炼过程中定时取样分析，结果如图，随时间的增加，高分子量组分裂解增加，GPC曲线向低分子量方向移动，经过25 min以后，高分子量组分几乎完全消失。如果塑炼的目的就是消除该组分，那么25 min足够了。通过GPC数据可以帮助工作人员确定塑炼时间。

控制聚合反应的终点

用GPC对聚合物进行中间反应分析，使生产人员能在达到预定的单体/聚合物比后即时中止反应。

案例三

TDI三聚体的合成，用APC表征其聚合程度，测试条件(XT45、XT45、XT125，流动相THF，流速0.4 mL/min)。

市售的TDI三聚体，一般的NCO含量为22.0%，理想产物的分子量600 - 700。客户自己合成的三聚体，NCO值18.5%，以五聚体为主（部分是5个TDI聚合生成两个三元环），有少量七聚体，三聚体并不占主体。

图3. 不同反应时间取样的APC测试图（反应未淬灭）。

图4. 反应6小时后GPC的测试结果。

图5. 6小时后APC测试的分子量分布。

高分子材料老化过程研究

用APC(GPC)可以研究高分子材料在使用过程中的老化；多数聚合物加工时，必须加适量抗氧剂。

案例四

太阳能背板EVA胶老化前后分子量测试。流动相：THF，0.5 mL/min, XT450+XT125+XT45。

老化前后对比，老化后出现一些中、低分子量的分布，说明EVA发生降解。

讲座预告

近两年，APC在各个行业领域的应用不断更新。2月22日（周三）19:30 - 20:30，沃特世将基于目前热点分析的可降解材料、再生塑料的分析领域，分享APC最 新应用案例。欢迎扫描下方二维码预约直播间， 报名成功后，您将收到会前提醒和会后回放。

扫描上方二维码报名讲座

12月5日，由TA仪器与沃特世主办、材料人承办的OLED技术发展与应用线上研讨会取得圆满成功。会议从OLED材料与柔性技术的研究进展、制造工艺、表征技术及市场趋势等方面进行了深入探讨。

会议直播部分概览如下：

报告人：孟鸿

北京大学深圳研究生院讲席教授，

博士生导师，特聘专家

报告人：李润明

TA仪器技术专家，上海交通大学材料学博士

报告人：蔡麒

沃特世大中华区材料科学市场高级经理

报告人：段羽

吉林大学电子科学与工程学院教授,博士生导师

全程录像回看请扫描下方图片二维码

概念

蛋白质芯片技术是在ＤＮＡ芯片技术基础上发展的一项蛋白质组学技术。其原理是将大量不同的蛋白质分子（如酶、抗原、抗体、受体、配体、细胞因子等）通过微阵列的形式有序排列在固相载体表面，利用蛋白质与蛋白质或者蛋白质与其他分子之间的特异性结合，获得与之特异性结合的待测蛋白（如血清、血浆、淋巴、间质液、尿液、渗出液、细胞溶解液、分泌液等）的相关信息，便于我们分析未知蛋白的组分、序列，体内表达水平、生物学功能、与其他分子的相互调控关系、药物筛选、药物靶位的选择等。

蛋白质芯片技术的出现，为我们提供了一种比传统的凝胶电泳、Western blot和Elisa更为方便和快速研究蛋白质的方法。该方法具有高通量，微型化和快速平行分析等优点，不仅对基础分子生物学的研究产生重要影响，也在临床诊断、疗 效分析、药物筛选及新药研发等领域有着广泛应用。

特点

①蛋白芯片具有高特异性、重复性、准确性。这是由抗原抗体之间、蛋白与配体之间的特异性结合决定的。

②蛋白芯片具有高通量和操作自动化的特点，在一次实验中可对上千种目标蛋白同时进行检测，效率极高。

③可发现低丰度、小分子量蛋白质，并能测定疏水蛋白质，特别是膜蛋白质。

④蛋白芯片具有高灵敏性，只需0.5-5μL样品，或2000个细胞即可检测。

蛋白芯片技术在分子生物学及生物化学基础研究中的应用

01 在蛋白质水平上检测基因的表达

由于基因转录产物mRNA数量并不能准确反映基因的翻译产物蛋白质的质与量，因此在蛋白质水平上检测基因的表达对于了解基因的功能非常重要。蛋白质芯片技术产生前，蛋白质双向电泳技术是蛋白质组规模上进行蛋白质表达研究的仅有方法，但这种技术操作繁琐而且难以快速检测样品中成百上千种蛋白质的表达变化。蛋白质芯片的特异性、灵敏性和高通量等特点，在检测基因表达终产物蛋白质谱的构成及变化中发挥着不可替代的作用。

02 高通量筛选抗原/抗体相互作用

目前蛋白质芯片检测利用最广泛的生物分子相互作用是抗原抗体的特异性识别和结合，单克隆抗体是蛋白质芯片检测中使用最广泛的生物分子。运用蛋白质芯片可以研究不同抗原/抗体的特异性作用，而且对于检测样品中极微量的抗原/抗体分子作用非常有利。

03 蛋白质/蛋白质相互作用分析

酵母双杂交系统是近年来基因组规模上研究蛋白质相互作用的主要方法，但存在体内操作、假阳性、假阴性和外源蛋白质折叠、修饰等局限。蛋白质芯片技术不依靠任何生物有机体而在体外直接检测目标蛋白质，实验条件可随意控制，同时实验步骤自动化程度高，一次分析的蛋白质数量巨大，因而成为目前除酵母双杂交系统外进行大规模研究蛋白质相互作用的主要方法。

04 酶/底物作用分析

耶鲁大学的Snyder小组用蛋白芯片对酵母基因组编码的119种蛋白激酶的底物专一性进行了研究。实验中将蛋白激酶表达为谷胱甘肽转移酶（GST）融合蛋白，针对17种不同的底物，平行测定了119种GST2蛋白激酶融合蛋白的底物专一性，发现了许多新的酶活性，大量蛋白激酶可以对酪氨酸进行磷酸化，而这些激酶在催化区域附近有共同的氨基酸残基。也证明了蛋白质芯片可作为高通量筛选酶-底物作用的良好平台。

蛋白芯片的检测目前蛋白芯片的检测主要有两种方式。一种是以质谱技术为基础的直接检测法，采用表面增强激光解析离子化-飞行时间质谱技术，用激光解析电离的方法将保留在芯片上的蛋白质解离出来。具体过程为：芯片经室温干燥后，加能量吸附因子如芥子酸，使其与蛋白质结合成混合晶体，以促进蛋白质在飞行时间质谱检测中的解析和离子化，利用激光脉冲辐射使芯池中的分析物解析成荷电粒子，根据不同质荷比离子在仪器场中的飞行时间长短不一，通过飞行时间质谱来精确地测定出蛋白质的质量，并由此绘制出一张质谱来，以分析蛋白质的分子量和相对含量。另一种为蛋白质标记法，样品中的蛋白质预先用荧光染料或同位素等标记，结合到芯片上的蛋白质就会发出特定的信号，用CCD照相技术及荧光扫描系统等对激发的荧光信号进行检测。与飞行时间质谱相比，该方法定量更加准确，操作也更加简便。与DNA芯片一样，蛋白质芯片同样蕴含着丰富的信息量，必须利用专门的计算机软件进行图像分析、结果定量和解释。其中应用最广的是荧光染料标记法，原理较为简单、使用安全、灵敏度高，且有很好的分辨率。可直接用广州博鹭腾 GelView 6000Plus进行拍摄。

GelView 6000Plus智能图像工作站

GelView 6000Plus 配备600万像素科学级制冷CCD相机，制冷温度为环境温度下 55℃，极低的暗电流，很大程度降低背景干扰。而且独有的红外感应开关，自动控制样品台的开启与关闭，同时也减少了实验时对仪器的污染。