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蛋白发光染液:蛋白质检测的关键技术工具

更新时间:2025-06-20      点击次数:36
在生命科学研究、生物技术产业以及医学诊断等众多领域,蛋白质的准确检测与分析至关重要。蛋白质作为生命活动的主要执行者,其表达水平、修饰状态以及相互作用等信息,为揭示生命过程的奥秘、疾病的发生机制以及开发新型治疗方法提供了关键线索。蛋白发光染液作为一种强大的蛋白质检测工具,通过与蛋白质特异性结合并产生可检测的发光信号,实现了对蛋白质的高灵敏度、高特异性检测,在现代生物学研究中占据着地位。
一、工作原理
蛋白发光染液的工作原理基于多种化学反应和物理现象,不同类型的发光染液具有各自作用机制。目前,应用较为广泛的蛋白发光染液主要包括基于化学发光和荧光发光两种类型。
(一)化学发光染液
以常用于免疫印迹(Western Blot)实验的增强化学发光(ECL)染液为例,其核心反应体系涉及辣根过氧化物酶(HRP)和鲁米诺。在该体系中,当 HRP 标记的抗体与膜上的目标蛋白特异性结合后,加入含有鲁米诺和过氧化氢的 ECL 工作液。在 HRP 的催化作用下,过氧化氢分解产生氧自由基,氧自由基将鲁米诺氧化为激发态的 3 -
氨基邻二甲酸,当激发态的 3 - 氨基邻苯二甲酸回到基态时,会以光的形式释放能量,从而产生化学发光信号。通过检测这种发光信号的强度和位置,即可确定目标蛋白的存在和含量。一些 ECL 发光染液中还添加了特殊的增强剂,能够显著增强发光信号并延长发光时间,使其检测灵敏度可达到飞克(fg,10⁻¹⁵g)级别,极大地提高了对低丰度蛋白质的检测能力。
(二)荧光发光染液
荧光蛋白发光染液则利用了荧光染料与蛋白质结合后在特定波长光激发下发出荧光的特性。例如,DyLight 系列荧光染料,其具有良好的水溶性、pH 不敏感性、高亮度、光稳定性以及较长的图像采集时间等优点。这些染料可以通过与蛋白质的氨基或巯基等活性基团共价结合,实现对蛋白质的标记。在合适的激发光照射下,被标记的蛋白质会发出特定波长的荧光,通过荧光成像设备检测荧光信号的强度和分布,从而对蛋白质进行定性和定量分析。不同荧光染料具有不同的激发和发射光谱,科研人员可以根据实验需求选择合适的荧光染料,实现对多种蛋白质的同时检测,即所谓的多重检测技术。
二、类型与特点
(一)ECL 超敏发光液
ECL 超敏发光液在免疫印迹实验中应用极为广泛。如美仑生物的飞克特超敏 ECL 发光液,其对抗原的检测限可达飞克级,具有灵敏度。在实验中,一抗(1 mg/mL)储存液可稀释 1:1,000 至 1:50,000 倍,二抗(1mg/mL)储存液可稀释 1:50,000 至 1:200,000 倍,大大节省了抗体的使用量。该发光液的发光信号持久,结果可通过 X 光胶片曝光或其他荧光成像设备进行检测。此外,像 EnlightTM 这种超灵敏的 ECL 发光液,含有发光增强剂和稳定剂,不仅灵敏度高,能检测到微弱信号,而且在 4℃储存 1 年以上,信号强度不变。同时,其含有的精准发光底物可提高信噪比 110 倍以上,在灵敏度更高的同时背景却更低,发光时间长达几小时以上,便于实验人员进行曝光操作 。
(二)荧光染料类发光染液
  1. DyLight 系列:DyLight 系列荧光染料涵盖了从可见光到红外光区域的多种产品,如 DyLight 488、DyLight 549、DyLight 649、DyLight 680 和 DyLight 800 等。这些染料的激发和发射光谱与常见的激光和滤光片组兼容,在免疫分析、蛋白质印迹、微阵列、细胞染色、流式细胞术和免疫荧光等多种应用中表现出色。例如,在免疫荧光实验中,DyLight 染料标记的抗体能够清晰地显示细胞内目标蛋白的定位和分布,为研究蛋白质的功能和细胞内信号传导途径提供了有力工具。苯Pro - Q Diamond 荧光染料:该染料专门用于磷酸化蛋白质的染色。其具有方便、快速、高灵敏度的特点,线性范围超过 3 个数量级,并且与质谱鉴定兼容。在 2003 年由 Molecular Probes 的 Wavne Patton 报道,其激发光波长为 488 nm,吸收峰波长为 532 nm。研究人员通过将一些蛋白质和肽点样在蛋白质芯片上,使用 Pro - Q Diamond 检测芯片上蛋白质和肽的磷酸化水平,灵敏度可达 312 - 625 fg,为信号通路和磷酸酶抑制研究提供了良好的平台 。

  1. ProteOrange® 染料:用于聚丙烯酰胺凝胶电泳后蛋白质的快速可视化。它是一种含有两性离子片段的芪型荧光团,在核酸、多糖和其他分子存在的情况下,蛋白质 / 十二烷基硫酸钠胶束(SDS)会选择性地结合该染料。分子量在 6 kDa 及以上的蛋白质可被有效染色,荧光信号与蛋白质浓度在三个数量级的浓度范围内呈线性关系。ProteOrange 凝胶染色的灵敏度约为考马斯亮蓝染色的十倍,虽然低于银染色,但与银染色相比,其染色方案要简单得多,不需要洗涤,对于标准 SDS - PAGE 也不需要固定步骤。整个染色过程 30 - 60 分钟即可完成,包括将凝胶在含有染料的 7.5% 乙酸水溶液中孵育,然后用 7.5% 乙酸短暂冲洗 30 秒。使用波长为 312 - 365 nm 的透射仪即可进行可视化。

  1. Lumitein™蛋白质凝胶染色剂:设计用于检测 SDS 聚丙烯酰胺(SDS - PAGE)凝胶中的蛋白质,经过额外的 SDS 孵育步骤后,也可用于检测天然 PAGE 凝胶中的蛋白质。该染色剂具有灵敏度,可检测到小于 1 ng 的蛋白质,与银染色灵敏度相当。操作简单快速,固定和染色可在 30 - 90 分钟内一步完成,随后只需用清水简单冲洗。背景极低,与常见仪器兼容,可使用 300 nm 紫外凝胶盒(EB 滤光片)、Dark Reader 或激光扫描仪进行成像。线性检测范围宽,至少可达三个数量级,并且与下游分析(如质谱和测序)兼容,在室温下稳定性高 。

三、操作流程
(一)免疫印迹(Western Blot)中 ECL 发光染液的操作
  1. 样品制备与电泳:首先,将待检测的蛋白质样品进行处理,如细胞裂解、组织匀浆等,以提取蛋白质。然后通过十二烷基硫酸钠 - 聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS - PAGE)根据蛋白质分子量大小对其进行分离。

  1. 转膜:将凝胶上分离的蛋白质转移到固相膜(如 PVDF 膜或硝酸纤维素膜)上,使蛋白质固定在膜上,便于后续与抗体结合。

  1. 封闭:用含有封闭剂(如 5% 脱脂奶粉或 BSA)的缓冲液孵育膜,封闭膜上非特异性结合位点,减少背景信号。

  1. 一抗孵育:将膜与特异性识别目标蛋白的一抗孵育,一抗与目标蛋白特异性结合。孵育条件通常为 4℃过夜或室温孵育 1 - 2 小时,具体时间根据抗体说明书确定。

  1. 二抗孵育:用洗涤缓冲液(如 PBST)充分洗涤膜后,加入与一抗来源物种匹配的辣根过氧化物酶(HRP)标记的二抗。二抗与一抗结合,从而将 HRP 标记到目标蛋白所在位置。二抗孵育一般在室温下进行 1 - 2 小时。

  1. 洗膜:再次用洗涤缓冲液充分洗涤膜,去除未结合的二抗,以降低背景信号。

  1. 发光液混合与孵育:新鲜配制 ECL 工作液,将 A 液和 B 液按照 1:1 的比例混合均匀。将混合后的发光液均匀覆盖在膜表面,确保膜浸润在发光液中,室温孵育 1 - 5 分钟,使发光反应充分进行。

  1. 信号检测:孵育完成后,用镊子小心取出膜,去除多余的发光液(可将膜轻靠在吸水纸上吸干多余液体,但避免膜干燥)。若使用 X 射线胶片检测,将膜放入杂交袋中,排出空气后密封,在暗室中将胶片覆盖在膜上曝光适当时间(根据信号强度调整曝光时间,从几秒到数小时不等),然后进行胶片显影和定影处理;若使用化学发光成像仪检测,将膜放入成像仪样品室中,设置合适的曝光时间和增益参数,进行图像采集和分析 。

(二)荧光染料标记蛋白质的操作流程
  1. 染料选择与准备:根据实验目的和蛋白质特性选择合适的荧光染料,并按照说明书要求将染料溶解在适当的溶剂中,配制成所需浓度的工作液。

  1. 蛋白质标记:将待标记的蛋白质与荧光染料工作液按照一定比例混合,在适当条件下孵育,使染料与蛋白质充分结合。反应条件(如温度、时间、pH 值等)需根据染料类型和蛋白质性质进行优化。例如,对于一些与氨基反应的荧光染料,通常在中性或弱碱性条件下进行标记反应,孵育时间一般为 1 - 2 小时。

  1. 标记后处理:标记反应完成后,通过透析、超滤或凝胶过滤等方法去除未结合的游离染料,以获得纯净的标记蛋白质样品。

  1. 检测与分析:将标记好的蛋白质样品用于后续实验,如免疫荧光染色、流式细胞术分析等。在检测过程中,使用相应的荧光激发光源和检测设备,根据荧光信号的强度、分布等参数对蛋白质进行定性和定量分析。例如,在免疫荧光染色实验中,将标记蛋白质的样品与细胞或组织切片孵育,然后在荧光显微镜下观察荧光信号,确定蛋白质在细胞或组织中的定位和表达水平 。

四、应用场景
(一)生命科学研究
  1. 蛋白质表达与功能研究:在探究基因功能时,需要了解基因表达产物 —— 蛋白质的表达水平和功能。通过使用蛋白发光染液,科研人员可以准确检测蛋白质在不同细胞系、组织或发育阶段的表达变化。例如,在研究肿瘤发生机制时,利用 ECL 超敏发光液结合 Western Blot 技术,检测肿瘤相关蛋白在正常细胞和肿瘤细胞中的表达差异,有助于发现潜在的肿瘤标志物和治疗靶点。在蛋白质功能研究方面,通过荧光染料标记蛋白质,可以实时追踪蛋白质在细胞内的定位、运动和相互作用,深入了解蛋白质的生物学功能和参与的信号通路 。

  1. 蛋白质修饰研究:蛋白质的修饰(如磷酸化、乙酰化、甲基化等)对其功能具有重要调节作用。Pro - Q Diamond 等专门用于检测特定修饰蛋白质的发光染液,为研究蛋白质修饰提供了有力手段。通过检测修饰蛋白质的含量和分布变化,研究人员可以揭示蛋白质修饰在细胞生理过程、疾病发生发展中的作用机制 。

(二)生物技术产业
  1. 重组蛋白生产与质量控制:在重组蛋白药物的生产过程中,需要对重组蛋白的表达、纯化和质量进行严格监控。蛋白发光染液可用于检测重组蛋白的表达水平、纯度以及是否存在降解产物。例如,在发酵液中提取重组蛋白后,使用 Lumitein™蛋白质凝胶染色剂检测蛋白质含量和纯度,确保产品质量符合标准。同时,通过荧光染料标记重组蛋白,可以研究其在体内的药代动力学和药效学特性,为药物研发提供重要数据 。

  1. 生物制品检测:对于疫苗、抗体等生物制品,需要检测其中蛋白质的含量、活性和稳定性。蛋白发光染液能够快速、准确地检测生物制品中的蛋白质成分,保障产品的安全性和有效性。例如,在流感疫苗生产过程中,利用 ECL 发光染液检测疫苗中流感病毒蛋白的含量,确保疫苗剂量准确 。

(三)医学诊断
  1. 疾病标志物检测:在临床诊断中,检测血液、尿液等体液中的疾病标志物是早期诊断和病情监测的重要手段。许多疾病标志物为蛋白质,通过蛋白发光染液结合免疫检测技术,可以高灵敏度地检测这些微量蛋白质。例如,使用 ECL 超敏发光液检测血液中的癌胚抗原(CEA)、甲胎蛋白(AFP)等肿瘤标志物,有助于肿瘤的早期发现和预后判断;检测血清中的心肌肌钙蛋白等蛋白质标志物,可用于急性心肌梗死的快速诊断 。

  1. 自身免疫性疾病诊断:自身免疫性疾病患者体内会产生针对自身蛋白质的抗体。通过检测这些自身抗体,结合蛋白发光染液进行免疫印迹分析,可以辅助诊断自身免疫性疾病。例如,检测抗核抗体、抗双链 DNA 抗体等自身抗体时,使用荧光染料标记的二抗,通过观察荧光信号来判断抗体的存在和滴度,为系统性红斑狼疮等自身免疫性疾病的诊断提供依据 。

蛋白发光染液作为蛋白质检测的关键技术工具,以其高灵敏度、高特异性和多样化的应用方式,在生命科学研究、生物技术产业和医学诊断等领域发挥着不可替代的重要作用。随着技术的不断创新和发展,蛋白发光染液将不断优化和完善,为推动生命科学研究的深入发展和人类健康事业的进步提供更强大的支持。



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