跳到主要內容
Lab Grimoire
TW
請喝咖啡
實驗方法

從顏色讀出蛋白有多少:蛋白定量的方法與計算

蛋白定量從頭到尾:先分清原液、待測液與反應孔,再看 Lowry、Bradford 與 BCA 怎麼來、BCA 與 Bradford 怎麼分,接著是標準曲線、稀釋回推、超出範圍的重測,最後留下一份能重跑的報告。

作者
CY
發表
生醫技術 · 第 1/3 篇

蛋白定量之前,先確認你在量什麼

一管蛋白從冰箱拿出來時,看起來只是「樣品」。進入定量流程後,它會短暫擁有三個身分:原液(stock solution)、待測液(test sample)、反應液(reaction mixture)。三者都可能在紀錄裡被叫作 sample;若不先分清楚,後面的公式會很漂亮,答案卻對錯瓶子。

儀器讀到的不是濃度

分光光度計(spectrophotometer)或微孔盤讀取器(microplate reader)直接讀到的是吸光值(absorbance, A),例如 A562 或 A595。濃度是把這個讀值放到同一批標準品(standard)建立的曲線後,才內插(interpolation)得到的結果。

因此,一個完整的標記至少要保留:

  1. 原液:從哪一管取出的樣品。
  2. 待測液:加入呈色試劑(chromogenic reagent)前,實際拿去建立曲線的樣品濃度。
  3. 反應孔(reaction well):待測液加上 BCA 或 Bradford 試劑後,儀器讀值所在的孔。
  4. 方法與波長:BCA 通常讀 562 nm;Bradford 通常讀 595 nm,實際仍以產品文件為準。
  5. 稀釋倍數(dilution factor, DF):待測液如何由原液配出來。

為什麼加了試劑不能再亂乘一次

標準品與未知樣品必須用同一種加樣量、同一種工作試劑(working reagent)量、同一個反應條件。若標準曲線(standard curve)的橫軸定義是「加入呈色試劑前的待測液濃度」,曲線回算出的就是待測液濃度;反應孔體積增加本身不是另一個要重複乘上的稀釋倍數。

真正要乘回去的,是原液到待測液之間有紀錄的預稀釋倍數(predilution factor),算法見下方〈稀釋與回推〉。這個差別是蛋白質定量(protein quantitation)最常見、也最安靜的錯誤:計算機不會跳出警告,它只會忠實地把錯的瓶子算得很精準。

用工具先整理名字,再整理數字

可把自己的標準品與未知樣品讀值輸入 Lab Grimoire 的濕實驗分析 › 蛋白質定量。輸入前先在原始表格增加方法、波長、樣品編號、預稀釋倍數與重複孔(replicate wells)欄位;工具負責曲線與回推(back-calculation),不能替我們猜測某個數字是哪一瓶。

什麼時候先停下來

如果不知道讀值是 BCA 還是 Bradford、標準曲線的濃度單位、或樣品是否在讀值前已經稀釋,先停在資料整理,不要急著內插。缺少身分欄位時,最專業的結果不是補一個答案,而是把資料缺口寫出來。

本文的流程說明不等於某一班的實測紀錄;實際試劑、儀器與體積以當批產品文件和現場程序為準。

從 Lowry 到 BCA:三種方法怎麼來

1951 年,Lowry 等人在 Journal of Biological Chemistry 發表一種把蛋白量變成顏色的方法,後來被廣泛使用。它先在鹼性(alkaline)條件下讓銅離子與蛋白質作用,再加入 Folin 酚試劑(Folin phenol reagent),生成藍色產物。靈敏度足夠,但要依序加入多種試劑、分段等待反應,步驟較多。

1976 年,Bradford 在 Analytical Biochemistry 發表以染劑(dye)結合蛋白為原理的方法:Coomassie Brilliant Blue G-250 與蛋白質結合後顏色改變,只要加一種試劑,很快就能讀值。

1985 年,Smith 等人同樣在 Analytical Biochemistry 發表 BCA 法。它保留 Lowry 法的第一步,讓蛋白質在鹼性條件下把 Cu²⁺ 還原(reduction)成 Cu⁺,但把 Folin 酚試劑換成 bicinchoninic acid(BCA),由它與 Cu⁺ 形成紫色複合物(complex)。

三種方法回答的是同一個問題:這管溶液裡大約有多少蛋白。化學反應不同,怕的干擾物和可用的濃度範圍也就不同,下一節分開看 BCA 與 Bradford。

BCA 與 Bradford:同一管的兩條顏色路徑

同一管蛋白可以走 BCA,也可以走 Bradford;但它不能把兩條路的規則拼成一條。兩種方法都把蛋白質變成吸光值,化學反應、干擾來源(sources of interference)、線性範圍(linear range)與標準列(standard series)卻不相同。

BCA:562 nm 的紫色路徑

BCA 在鹼性條件下讓 Cu²⁺ 還原成 Cu⁺,再由 bicinchoninic acid 螯合(chelation)形成紫色複合物,常以 562 nm 讀取。以 Pierce BCA 手冊的微孔盤示例,25 µL 標準品或樣品加 200 µL working reagent,樣品對 working reagent 為 1:8;標準、空白(blank)與未知樣品必須同時採用同一條件。

BCA 對某些還原劑(reducing agent)、金屬螯合劑(metal chelator)與其他基質(matrix)成分敏感。若樣品含有可能干擾的物質,不能只看顏色正常就宣告安全;應查產品相容性(compatibility)、做基質匹配(matrix matching),或改用合適的稀釋與方法。

Bradford:595 nm 的藍色路徑

Bradford 依 Coomassie Brilliant Blue G-250 與蛋白質結合後的顏色轉移(color shift)讀取,常以 595 nm 測量。以 Bio-Rad Quick Start standard microplate 示例,5 µL 標準品或樣品加 250 µL 1× dye reagent,比例為 1:50。它對許多常見緩衝成分(buffer components)較寬容,但對 SDS 等界面活性劑(detergent)可能敏感,且不同蛋白質因胺基酸組成(amino acid composition)不同,對染劑的響應不一定相同。

該格式的 BSA 標準列為 0(blank)、125、250、500、750、1,000、1,500 與 2,000 µg/mL;Bio-Rad 手冊所列 BSA 線性範圍是 125–1,000 µg/mL,因此 1,500 與 2,000 µg/mL 不納入預設線性擬合(linear fit);出處見 Bio-Rad Quick Start 手冊,第 2.1 節與附錄。

同一管,不同的報告欄位

若把同一份樣品分成 BCA 與 Bradford 兩條路,報告至少要並列:方法、波長、標準蛋白(standard protein)、標準列、樣品預稀釋倍數、重複數(number of replicates)、空白處理與擬合範圍(fitting range)。BCA 的 A562 不能直接塞進 Bradford 的 A595 欄位;BSA 等效濃度(BSA-equivalent concentration)也不能被寫成樣品的絕對蛋白身份。

可以用濕實驗分析 › 蛋白質定量分析每一方法自己的盤面讀值,再比較兩條結果是否一致。若結果不同,先查波長、空白、基質、標準與範圍;不要先挑一個「看起來比較合理」的數字。

BCA 的 25 + 200 µL 與 Bradford 的 5 + 250 µL 都是特定產品文件的操作示例,不是跨產品、跨儀器的通用 SOP。

標準曲線不是一條好看的線

標準曲線不是報告裡用來裝飾的斜線。它是一份「在這次條件下,哪些濃度可以被比較」的證據。曲線上的每一點都要有濃度、重複孔、空白狀態與方法條件;少一個,線就少一層可信度。

先留住零點

零濃度標準(zero standard)不是「沒有資料」,而是告訴我們試劑、緩衝液(buffer)與容器本身造成多少背景。若標準品用樣品相同的稀釋液(diluent)配製,零標準也能作為基質對照(matrix control)。空白扣除(blank subtraction)只能做一次,扣完後仍要保留原始讀值,避免日後無法追查。

Bradford 的標準列裁決

本文採 Bio-Rad Quick Start Bradford 的 standard microplate 例作為明確示範:

  • 加樣比例:每孔 5 µL 標準品或樣品,加 250 µL 1× dye reagent,也就是樣品對試劑 1:50。
  • BSA 標準列:0、125、250、500、750、1,000、1,500、2,000 µg/mL。
  • 預設 BSA 線性擬合:125–1,000 µg/mL。
  • 1,500 與 2,000 µg/mL:保留作高範圍檢查,不在預設 BSA 直線中硬擬合。

這不是說高點永遠無用,而是不能把「試劑盒(kit)提供了這個濃度」誤讀成「這個標準在任何蛋白、任何基質、任何讀取器上都適合直線擬合」。若改用 gamma-globulin 或其他蛋白標準,線性範圍要依對應產品文件與試跑資料重判。

把曲線放進工具

在濕實驗分析 › 蛋白質定量中,先輸入濃度,再輸入每個標準的重複 A595。第一列標準品作為空白的介面設計很方便,但操作者仍要確認第一列確實是零濃度,而不是把最低濃度誤當空白。工具顯示 R²,不代表可以跳過範圍判讀;高 R² 也可能來自把彎曲的高端一起硬塞進不合適的模型。

內插,不外插

未知樣品只有在標準曲線所支持的範圍內,才是內插。若未知讀值落在上端之外,應先降低待測液濃度、重新反應、重新讀值,再把新的預稀釋倍數寫回紀錄。不要把直線向右延長後,把計算機吐出的數字當作測量結果。

ELISA 的標準曲線常是 S 形(sigmoidal),套組多用四參數邏輯斯(four-parameter logistic, 4PL)擬合,規則卻相同:只在標準品包住的範圍內回推。對照閱讀〈讓抗體替你數蛋白:ELISA 的原理〉的「從顏色回推濃度」一節。

本文的標準列與比例是方法示例,不能取代現場試劑手冊。實際使用前仍要核對批號、標準蛋白、讀取格式與基質。

稀釋與回推:不要把一管算成兩管

標準曲線通常回答的是:「拿去測的待測液有多濃?」研究者真正想知道的,常是:「原來那一管有多濃?」兩個問題之間隔著稀釋紀錄,而不是隔著一個可以憑感覺補上的倍率。

稀釋倍數的定義

每一步預稀釋(predilution)的稀釋倍數 DF 是:

DF = 最終體積 ÷ 取出的樣品體積

例如取 25 µL 原液,補樣品稀釋液(sample diluent)到 250 µL,這一步是 10 倍,不是 9 倍;225 µL 是加入的稀釋液,不是 DF 的分子。若之後再做 2 倍稀釋,總 DF 是 10 × 2 = 20,不是 12。

一個教學示例

假設工具由標準曲線內插出待測液濃度 0.70 mg/mL,而原液先被 10 倍稀釋,再被 2 倍稀釋:

DF_total = 10 × 2 = 20
c_original = 0.70 mg/mL × 20 = 14.0 mg/mL

這組數字是教學示例,不是任何班級的原始讀值。關鍵是先確認 0.70 mg/mL 指的是哪一瓶,再把每一步有紀錄的 DF 相乘。

呈色試劑不是第二次預稀釋

如果標準曲線橫軸使用「加試劑前的標準品濃度」,未知樣品由同一條曲線回算出的也是加試劑前待測液濃度。反應孔裡的總體積會影響反應條件與讀值,但不能在曲線回算後再把 BCA 或 Bradford 的加樣比例乘一次。那會把同一個體積效果算兩遍。

把原始讀值與 DF 輸入濕實驗分析 › 蛋白質定量,看工具回報的孔中濃度(in-well concentration)與回推原樣本濃度是否和手算一致。若不一致,先查單位、取樣體積、最終體積(final volume)與小數點,不要先改公式。

回推只能恢復已知的預稀釋;它不能讓超出標準曲線的讀值變成有效內插。

曲線之外:重測不是補一個漂亮數字

最危險的結果,往往不是空白或報錯,而是一個格式完整、位數漂亮、其實來自外插(extrapolation)的數字。標準曲線只支持它被標準品包住的範圍;線被畫到更右邊,不代表右邊突然多出證據。

先判斷是外插還是內插

未知樣品的讀值要和本次擬合所用的標準範圍比較。若落在最低與最高標準之間,是內插;若超過上限或低於可用下限,不能直接報告(標準曲線的範圍判讀見〈內插,不外插〉)。R² 高也不能取代範圍判讀,因為模型可能在高端彎曲時仍顯示漂亮的整體相關(correlation)。

正確的重測鏈

  1. 找回尚未加入呈色試劑的待測液;不要把已完成反應的孔直接加水後假裝是同一種重測(re-assay)。
  2. 依預估濃度選擇新的預稀釋倍數,並把這一步寫進樣品編號。
  3. 用同一批標準、同一種空白、同一種反應條件重新反應。
  4. 重新讀取,確認新 A 落在曲線支持的範圍內。
  5. 以新待測液濃度乘上原本與新增的 DF,回推原液。

例如,第一次讀值超出線性範圍,重新把未反應待測液再稀釋 2 倍;新測定就要把原本 DF 再乘 2。這不是把第一次的外插答案修飾一下,而是建立一筆新的、可解釋的測量鏈。

ELISA 也是同一條紀律:OD 高過最高標準品時,S 形曲線(sigmoidal curve)已經走到高原(plateau),回推出來的數字不可信,同樣要稀釋後重測,見〈讓抗體替你數蛋白:ELISA 的原理〉。

工具的角色

在濕實驗分析 › 蛋白質定量中輸入新的標準與重測讀值,工具可以協助顯示曲線、R²、孔中濃度與稀釋倍數回推。工具顯示「目前輸入無法進行可靠內插」時,不是要把門檻關掉,而是回到樣品與方法紀錄,補做真正需要的測量。

「不報外插」不是保守到不能工作,而是把一次不支持的數字,轉成下一次可驗證的操作。

從 OD 到報告:留下能重跑的證據鏈

一份蛋白質定量報告不應只剩最後的 mg/mL。下一個人需要知道:這個數字從哪一列讀值開始、用哪個空白、哪一段曲線、哪一個標準蛋白,以及樣品在進入反應前被稀釋了幾次。

報告的最小欄位

  • 樣品身分:原液、待測液、反應孔與樣品編號。
  • 方法條件:BCA 或 Bradford、波長、試劑或試劑盒、標準蛋白、緩衝液。
  • 原始資料:每個標準與未知樣品的每個重複孔讀值;不要只留下平均值(mean)。
  • 空白處理:零標準是哪一列、平均值是多少、是否已扣除。
  • 曲線:使用哪些標準點、擬合式(fitted equation)、斜率(slope)、截距(intercept)、R² 與實際判定的線性範圍。
  • 回推:孔中/待測液濃度、每一步 DF、總 DF、原液濃度與單位。
  • 限制:是否有外插、基質干擾(matrix interference)、重複孔異常或產品文件尚未確認的條件。

用工具,不把工具當黑箱

濕實驗分析 › 蛋白質定量可以接收 Bradford 或 BCA 的孔盤讀值,畫出標準曲線、回報 R²,並依樣品稀釋倍數回推濃度。它適合做計算與視覺檢查;正式報告仍要把輸入條件和原始資料一併保存,讓別人能重建同一個結果。

同一套欄位也適用於其他靠讀值回推的實驗:ELISA 讀值可用 ELISA 標準曲線,Western blot 條帶(band)可用 Western Blot 條帶定量;報告一樣要留下原始讀值、空白或背景處理(background correction)、正規化(normalization)方式與重複數。

使用工具後逐項核對:

  1. 第一列是否真的是零濃度空白?
  2. 所有標準的單位是否一致?
  3. 擬合是否只用了方法支持的範圍?
  4. 未知樣品是否落在可內插區間?
  5. DF 是用最終體積除以取樣體積,且連續步驟相乘嗎?
  6. 結果是否標明是 BSA 等效濃度,而不是過度宣稱蛋白質身分?

隔很久再翻出來,還能從頭算一遍

這篇最後留下的不是一個神奇的濃度,而是一條可以回放的路:原液如何被取出、標準如何建立、讀值如何被處理、範圍如何被判斷、錯誤如何促成重測。當原始資料與判斷規則都留下來,下一次換方法、換試劑或換操作者,才有真正可比較的起點。

本文不包含任何未取得的學生實測資料。

參考文獻

  1. Lowry OH, Rosebrough NJ, Farr AL, Randall RJ (1951). Protein measurement with the Folin phenol reagent. J Biol Chem 193:265–275.
  2. Bradford MM (1976). A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Anal Biochem 72:248–254.
  3. Smith PK, Krohn RI, Hermanson GT, Mallia AK, Gartner FH, Provenzano MD, Fujimoto EK, Goeke NM, Olson BJ, Klenk DC (1985). Measurement of protein using bicinchoninic acid. Anal Biochem 150:76–85.
  4. Thermo Fisher Scientific. Pierce BCA Protein Assay Kit User Guide (MAN0011430 Rev. D).
  5. Bio-Rad Laboratories. Quick Start Bradford Protein Assay Instruction Manual (4110065 Rev. A).

覺得有幫助? RSS · X · 請我喝杯咖啡