CN103674922A

CN103674922A - 一种量子点功能化的纳米纤维检测癌细胞的传感器及制备方法

Info

Publication number: CN103674922A
Application number: CN201310718532.4A
Authority: CN
Inventors: 温永强; 李延生; 王文谦; 桂万元; 焦翔宇; 赵娜
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-23
Also published as: CN103674922B

Abstract

本发明涉及一种采用量子点荧光淬灭与重现传感技术检测癌细胞的传感器，以及用其检测癌细胞的方法。癌细胞可以使量子点与含有荧光淬灭基团的纳米纤维脱离从而得到荧光信号，进而达到检测癌细胞的目的。该方法可用肉眼可以直接观测得到癌细胞的信号，而且可以用于分离癌细胞，能够反复进行使用，简化了测量步骤，降低了成本，并且测量精度高。本发明技术方案设计新颖合理，重复性好。本发明所制得的功能化纳米纤维，用于特定物质的分析检测可以大大提高检测的灵敏度、选择性和适用范围。

Description

一种量子点功能化的纳米纤维检测癌细胞的传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种采用量子点荧光淬灭与重现传感技术检测癌细胞的方法。

背景技术

目前，从世界范围内来讲，癌症的发病数都在以年均3%到5%的速度在递增。其中70%的新发病例发生在新兴国家和发展中国家。相关的数据也显示，在2008年，全球的新发病例数是1270万，将近1300万，死亡病例数达到了760万。现在的患者病例数高达2800万，其中发展中国家的发病数占到了56%，而它的死亡比例更高，达到了64%。根据这样一个发展趋势的预测，到2020年，癌症的新发病例全球将达到2000万，死亡病例也会高达1200万，可见癌症已经成为目前全球性的一个公共卫生问题。因此,发展用于癌症早期诊断和相关癌症标志物筛查的方法具有重要的临床意义。癌症的早期诊断是非常困难的事，因此使许多病人错过了最佳的治疗时间。

目前肿瘤的检测主要靠手术和切片，将活体组织从体内取出，放到显微镜下观察，如果发现癌细胞，则确诊为癌症。这种方式的缺点一是病人痛苦比较大，二是费用较高。过去通常利用影像学方法检测癌症，如X光、B超和CT等，还有直接手术或做病变组织穿刺活检等方法，但很难对肿瘤做出早期诊断，且对人体有较大伤害。癌细胞诊断的常规技术往往耗时、成本高、检测仪器昂贵，所以开发一些检测成本低，检测仪器简单，并能提供灵敏、准确的识别癌细胞的方法是即时诊断领域的重要发展目标。

科研人员用分别测量癌细胞的折射率和直径的方法（Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 243901)对癌细胞进行了检测。其主要思想是通过改变细胞缓冲溶液的折射率，构造多个方程，通过多次测量波长漂移量计算出细胞的折射率和直径。这种方法实验装置复杂，测量步骤多，难以实用化。公开号CN103134793 A的专利公开了一种检测癌细胞的电致化学发光传感器，该方法通过根据抗体上结合的癌细胞的数量与电致化学发光强度的线性变化来实现对癌细胞的检测。但是其制作过程繁琐，必须根据已知癌细胞的种类更换电极上的抗体来进行检测，而且显现结果不能直接肉眼可见。

目前，量子点已成为纳米光子学和纳米材料科学中最为活跃的研究领域之一，它为纳米传感器件的发展提供了一种新技术、新方法。量子点在纳米生物传感器件中的优势有：一、具有较好的光稳定性，不易被光解或漂白；二、对生物体本身功能的影响要小；三、良好的激发和荧光效率；四、对所测量的生物活性反应敏感；五、光谱特征突出。本发明将量子点纳米材料引入到纳米纤维中用做检测癌细胞的传感平台，这方面的工作尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是：针对检测分析的高灵敏度、高选择性的需求，本发明提供一种采用量子点荧光淬灭与重现的传感技术检测癌细胞的方法，该方法无需复杂的仪器区分癌细胞和正常细胞，检测信号肉眼可见，制备材料价廉易得，过程简单。

本发明所提出的技术问题是这样解决的：我们利用在pH=6.8时苯硼酸与癌细胞结合的能力大于苯硼酸与纳米纤维结合的能力，故而将量子点脱离荧光淬灭基团，传感器处于ON的状态，在外灯照射下产生荧光。而在pH=7.8时，苯硼酸与癌细胞结合的能力小于苯硼酸与纳米纤维结合的能力，量子点又接近荧光淬灭基团，传感器处于OFF状态，故而在紫外灯照射下没有荧光信号。

本发明的技术方案如下：

一种量子点功能化的纳米纤维检测癌细胞传感器的制备方法如下：

1）功能化量子点的制备

运用溶胶凝胶体法合成量子点，将亚碲酸钾溶解在水中配成Te前体，将二水合乙酸镉溶于水中加入稳定剂，调节pH至碱性，搅拌5 min后加入Te前体和NaBH₄搅拌5min后开始加热至沸腾回流一定时间得到量子点。而后通过化学方法，将苯硼酸修饰在CdTe量子点的表面。

上述稳定剂优选为：巯基乙酸，巯基丙酸，巯基丁酸，巯基丁二酸，2,3-二巯基丙二酸，2-巯基苄醇，2-巯基烟酸，6-巯基烟酸，谷胱甘肽，半胱氨酸， 6-巯基-己酸，巯基异丁酸，3-巯基-1-丙胺，6-巯基己-1-醇，2-巯基乙磺酸，2-巯基异丁酸，3-巯基苯甲酸，3-巯基-1-丙醇，8-巯基-1-辛醇，4-巯基苯硼酸，2-巯基苯甲酰胺，但不限于此。

上述量子点优选为：CdTe量子点，CdSe量子点，CdS量子点，ZnTe量子点，ZnSe量子点，ZnS量子点，ZnO量子点，CdTe/ZnSe量子点，CdSe/ZnSe量子点，CdS/ZnSe量子点，CdTeS量子点，CdSeS量子点，CdZnTe量子点，CdZnSe量子点，CdZnS量子点，CdHgTe量子点，PbS量子点，PbSe量子点，PbTe量子点但不限于此。

2）含有荧光淬灭基团的纳米纤维制备，我们将成纤高分子溶解在适量溶剂中。室温搅拌24h得到棕色、透明、均一的待纺丝溶液，然后加入一定量的荧光淬灭基团，搅拌一个小时。将针头与高压静电发生器相连，接收板接地并在其表面包蒙上铝箔，针头喷丝口与铝箔平面之间的距离为50cm，高压静电发生器电压为4.5kV。

3）传感器的组装

将功能化的DNA 链通过化学反应将（1）制备的量子点与（2）合成的纳米纤维上链接起来，而后用pH=7.8的PBS溶液处理纳米纤维，直至量子点荧光完全淬灭。

本发明的有益效果是在于检测速度快，检测信号肉眼可见，而且可以反复使用。

附图说明

图1：传感器的结构示意图，①纳米纤维②荧光淬灭基团③DNA链④量子点；

图2：传感器工作原理图，①紫外灯②传感器③普通细胞（非癌细胞）④癌细胞；

图3：本发明实施例1所制备的金纳米粒子掺杂的纳米纤维透射电镜图；

图4：传感器的工作照片，未滴加癌细胞的纳米纤维（a）在紫外灯下的状态；滴加癌细胞的纳米纤维（b）在紫外灯下的状态，右上为暗光下的荧光效果；

图5：本发明实施例2所制备的CdSe量子点的透射电镜图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例 1：

（1）功能化量子点的制备

运用溶胶凝胶法合成巯基丙酸包被的CdTe量子点，将15mg 亚碲酸钾溶解在50m水中配成碲前体，将60mg二水合乙酸镉溶于50mL水中加入30uL巯基丙酸，调节PH至11，搅拌5 min后加入50 mL Te前体和100mg NaBH4搅拌5 min后开始加热至沸腾回流6小时得到量子点，而后通过氧化反应的方法，将巯基苯硼酸修饰在CdTe量子点的表面；

（2）金纳米颗粒的合成

将150 mL 0.01%的氯金酸水溶液加热至沸，在剧烈搅拌下迅速加入5.25 mL 1%的柠檬酸钠水溶液，保持沸腾状态反应20min后关闭热源，继续搅拌至室温，得到粒径约为20nm的金纳米颗粒；

（3）含有荧光淬灭基团的纳米纤维制备

将成纤高分子PEG-PLLA(聚乙二醇-乳酸)和导电剂TEBAC(氯化苄基三乙胺)溶解在适量氯仿中，是两者的浓度分别是60mg/mL和3mg/mL，室温搅拌24h得到棕色、透明、均一的待纺丝溶液，然后加入一定量的（2）合成的金纳米颗粒，搅拌一个小时，针头与高压静电发生器相连，接收板接地并在其表面包蒙上铝箔，是针头喷丝口与铝箔平面之间的距离为50cm，高压静电发生器电压为4500V。

（4）传感器的组装

将一端修饰氨基，一端修饰巯基的DNA链（5’-GGGTTAGGGTTAGGGTTAGGG-3’）通过化学反应将（1）制备的量子点与（3）合成的纳米纤维链接起来，而后用pH=7.8的PBS溶液处理纳米纤维，直至量子点荧光完全淬灭；组装完成后的结构示意图如图1；

（5）检测MCF-7细胞

先用pH=6.8的PBS溶液处理纳米纤维，而后将悬浮在pH=6.8的PBS溶液MCF-7细胞滴加在量子点功能化的纳米纤维表面，在(37 ℃，5% CO₂)条件下培养30 min，取出，用紫外灯光照射。现象如图3（a是没有加入癌细胞的纳米纤维在紫外灯光下的照片，b是加入癌细胞的纳米纤维在紫外灯光下的照片）。

当量子点表面修饰的苯硼酸在pH=7.8时，容易与纳米纤维表面的邻二醇健相结合，从而使量子点的荧光被纳米纤维上的荧光淬灭基团淬灭，传感器处于OFF状态。正常细胞因为没有过多分泌唾液酸这种可以与苯硼酸结合的物质，所以无法使量子点与纳米纤维脱离因此也无法使量子点荧光重现，而癌细胞会额外的分泌更多的唾液酸可以在pH=6.8时结合量子点表面修饰的苯硼酸而使其与纳米纤维脱离，进而得到荧光信号，从而实现对MCF-7癌细胞的高灵敏检测。

实施实例2

（1）功能化量子点的合成

采用水相合成的方法直接制备苯硼酸修饰的量子点。将硒粉加入到硼氢化钠的溶液中得到硒氢化钠溶液，而后将醋酸铬和4-巯基苯硼酸加入50mL水中在氮气的保护下加热至沸腾，加入NaHSe的溶液，回流2小时，得到粒径约为3nm的CdSe量子点。

（2）含有荧光淬灭基团的纳米纤维制备

将成纤高分子原料聚乙二醇和十八硫醇以1:2的比例加入氯仿中搅拌均匀，然后加入荧光淬灭基团苯甲酸N-丁二酰亚胺酯加入其中继续搅拌2小时，然后通过静电纺丝的方法得到含有荧光淬灭基团的纳米纤维。针头喷丝口与铝箔平面之间的距离为30cm，高压静电发生器电压为3000V。

（3）传感器的组装

用DNA链(5’HS-CCCTTACCCTTACCCTTACCCTTA-NH₂3’)通过化学反应将功能化的量子点与含有荧光淬灭基团的纳米纤维连接起来，而后用pH=7.8的PBS溶液处理纳米纤维，直至量子点荧光完全淬灭。

（4）HeLa细胞的检测

先用pH=6.8的PBS溶液处理纳米纤维，而后将悬浮在pH=6.8的PBS溶液HeLa细胞滴加在CdSe量子点功能化的纳米纤维表面，在(37℃，5% CO₂)条件下培养30 min，取出，用紫外灯光照射，得到HeLa细胞的荧光信号。

基于量子点功能化的纳米纤维检测癌细胞，对癌细胞的种类和数目均无要求，可以用肉眼观测到癌细胞的荧光信号，通过这种荧光信号我们可以定性的判断一种细胞是否为癌细胞。

Claims

1.一种量子点功能化的纳米纤维检测癌细胞传感器，所述的功能化纳米纤维为功能化量子点与含有荧光淬灭基团的纳米纤维由DNA链连接而成，其包括以下制备过程：

（1）功能化量子点的制备

运用溶胶凝胶法合成羧基功能化的量子点，将亚碲酸钾溶解在50mL水中配成Te前体，将二水合乙酸镉溶于50mL水中然后加入巯基丁酸，调节PH至碱性，搅拌一定时间后加入50mL Te前体和硼氢化钠搅拌一定时间后开始加热至沸腾回流一定时间得到量子点，而后通过化学方法，将苯硼酸修饰在量子点的表面；

（2）含有荧光淬灭基团的纳米纤维制备

将成纤高分子和导电剂溶解在适量溶剂中，室温搅拌一定时间得到棕色、透明、均一的待纺丝溶液，然后加入一定量的荧光淬灭基团，搅拌一个小时，针头与高压静电发生器相连，接收板接地并在其表面包蒙上铝箔，设定针头喷丝口与铝箔平面之间的距离和高压静电发生器的电压；

（3）传感器的组装

将两端功能化的DNA链通过化学反应将（1）制备的量子点与（3）合成的纳米纤维上链接起来，而后用pH=7.8的缓冲溶液处理纳米纤维，直至量子点荧光淬灭。

2.根据权利要求1所述的一种量子点功能化纳米纤维检测癌细胞传感器，其特征是：量子点是羧基修饰的量子点或是氨基修饰的量子点。

3.根据权利要求1所述的一种量子点功能化纳米纤维检测癌细胞传感器，其特征是：量子点的制备方法是溶胶凝胶法、研磨法、超声法、蒸发泠凝法、高压气体物化法、溅射法、微乳液法、定域模板/微孔介质法、水热/溶剂热法、复合组装法、微波法、络合合成法。

4.根据权利要求1所述的一种量子点功能化纳米纤维检测癌细胞传感器，其特征是：纳米纤维是含有羧基和邻二醇键的聚合物，或是聚乙二醇与其他含有羧基聚合物的嵌段共聚物。

5.根据权利要求1所述的一种量子点功能化纳米纤维检测癌细胞传感器，其特征是：DNA链可以修饰氨基,羧基或是巯基，碱基数目在30-40个范围内的任意DNA单链。

6.根据权利要求1所述的一种量子点功能化纳米纤维检测癌细胞传感器，其特征是：DNA链与量子点之间的链接化学反应是酸胺缩合反应，或是形成金属硫键的氧化反应。

7.根据权利要求1所述的一种量子点功能化纳米纤维检测癌细胞传感器，其特征是：通过判断量子点荧光的淬灭与重现作为是否检测到癌细胞的信号。

8.根据权利要求1所述的一种量子点功能化纳米纤维检测癌细胞的传感器，其特征是：含有荧光淬灭基团的纳米纤维是通过静电纺丝的方法将荧光淬灭基团掺杂在纳米纤维中，或在纳米纤维表面修饰上荧光淬灭基团。

9.根据权利要求1所述的一种量子点功能化纳米纤维检测癌细胞的传感器，其特征是：荧光淬灭基团是金属纳米粒子、石墨烯纳米粒子或是有机淬灭基团。

10.根据权利要求1所述的一种量子点功能化纳米纤维检测癌细胞的传感器，其特征是：这种纳米纤维可用于检测癌细胞，或通过捕获和释放癌细胞的方法分离癌细胞。