CN105259349A - 一种免固定生物传感电极的制备及其在免标记均相光致电化学农残检测与癌症诊断中的应用 - Google Patents

一种免固定生物传感电极的制备及其在免标记均相光致电化学农残检测与癌症诊断中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种免固定生物传感电极的制备及其在免标记均相光致电化学农残检测与癌症诊断中的应用。它是采用电还原的方式，将含负电基团的苯基重氮盐与不含负电基团的苯基重氮盐共同修饰在基础电极表面。该电极只吸附单链DNA而不吸附双链DNA，稳定性与重现性高。该电极可用于免标记均相光致电化学生物传感方法中，该方法包含一个目标分子触发的生化反应回路，其含有无标记DNA发卡(DNA-1)与单链(DNA-2)。无目标分子时，DNA-1和DNA-2均可吸附到电极表面；此时卟啉可借助DNA-1与DNA-2吸附到电极表面，产生光致电化学信号响应；有目标分子时，DNA-1可与DNA-2相互杂交，在聚合酶的作用下将大量的DNA-1和DNA-2转变为长双链DNA，导致DNA-1与DNA-2在电极表面吸附量的减少及卟啉光致电化学响应的降低。

Description

一种免固定生物传感电极的制备及其在免标记均相光致电化学农残检测与癌症诊断中的应用
技术领域
本发明涉及一种可特异性地吸附单链DNA而不吸附双链DNA的免固定生物传感电极的制备及其免标记均相光致电化学分析方法的应用。通过目标分子引起单链DNA至双链DNA转化，使卟啉分子在电极表面的吸附量减少，通过光致电化学检测卟啉分子的光致电化学信号的减小，实现对目标农残分子或癌症标志物的简单、快速、免标记、均相、高灵敏检测。
背景技术
光致电化学生物传感器是最新兴的一类生物传感器，已在疾病监测与诊断、药物分析、环境监测等领域成为强有力的生化分析及生物传感工具。光致电化学传感器主要是采用固体电极作为基础电极，将生物活性分子作为分子识别探针固定在电极表面，然后通过生物分子间的特异性识别作用，使目标分子捕获到电极表面，基础电极将浓度信号转换成光电压、光电流、光阻抗等可测量的信号作为响应信号，从而实现目标分子的定量分析。此外，与现代大规模集成电路技术相结合，极易实现光致电化学生物传感器的微型化、集成化与批量化生产，因此，光致电化学生物传感器不仅具有灵敏度高、分析速度快、操作简单的优点，还具备设备便携性高、设备成本低等诸多优点，基于以上优势，光致电化学生物传感器在诸多现场即时分析检测及高通量应用中大显身手。
然而，现有的光致电化学生物传感器大都将生物识别功能的生物分子固定在固相电极表面用来捕获液相中目标分子的异相分析方法。异相分析法主要存在如下缺陷：一方面，生物识别分子在固相电极表面的固定过程通常是一个非常繁琐的化学修饰过程，有时所用试剂成本很高。另一方面，由于固相电极表面的空间位阻效应，生物识别分子被固定在固相电极表面后，往往会导致生物分子的空间构象发生很大变化，并给生物分子识别位点的空间取向带来很大的不确定性，导致固定化的生物识别分子对液相中目标分子的结合/识别能力与效率大大降低。与异相分析方法相比，完全在溶液中进行的均相生物分子识别反应不存在上述缺陷。
因此，采用均相反应的分析方法受到广泛关注。然而，基于电极的均相分析方法目前只在电化学生物传感器中得到一定的程度的发展。均相电化学生物传感器主要采用氧化铟锡导电玻璃(ITO)电极作为基础电极，且无需在ITO电极表面固定任何生物识别分子，所有的生物识别反应及其它生化反应均在溶液中进行。均相电化学生物传感器主要通过检测溶液中生成/激活的电化学活性物质(例如亚甲基蓝或二茂铁)标记DNA的扩散电流的强弱实现定量分析。然而，现有的均相电化学生物传感器主要存在三大缺陷。第一，电化学活性物质需被标记在DNA链的末端。该标记过程亦是一个非常复杂的高难度化学修饰和提纯过程，且成本极高。第二，扩散电流检测法无法最大限度地利用溶液中生成/激活的电化学活性物质标记DNA，导致其电化学信号强度及灵敏度受限，第三，电化学生物传感器主要通过电流/电压激发产生电化学信号，激发源与检测信号的能量形式相同，导致背景信号或干扰信号较高。因此，设计制备新型的免标记均相光致电化学生物传感器，实现高灵敏度的生化分析与生物传感势在必行。
本发明针对这一问题，在固相电极表面原位制备一层含有苯环结构及负电官能团的复合薄膜，制备免固定生物传感电极。该电极能够特异性地吸附单链DNA，而不吸附双链DNA。利用卟啉分子与电极表面吸附的单链DNA的亲和力，可定量检测电极表面单链DNA的吸附量。基于上述免固定生物传感电极，设计一种免标记均相农残/癌症标志物光致电化学分析方法，该分析方法包含一个目标分子触发的生化反应回路。该生化反应回路可根据目标分子的多少，定量地将可被电极吸附的单链DNA转化为不可被电极吸附的双链DNA，不仅实现目标分子的高灵敏检测，而且提高了溶液中单链DNA及光致电化学活性物质的利用率。
发明内容
本发明的目的是提供一种免固定生物传感电极，用该电极实现农残与癌症标志物的免标记、均相、高灵敏光致电化学检测。
本发明的技术方案如下：
一种免固定生物传感电极，它是通过电还原的方式，将4-羧基苯基重氮盐与4-联苯基重氮盐同时沉积在电极表面，形成复合薄膜修饰电极，即制得免固定生物传感电极。
上述电极可以是玻碳电极、金电极或氧化铟锡导电玻璃电极(ITO)。
一种免固定生物传感电极的制备方法，它由下列步骤组成：
步骤1. 将一定量的对羧基苯胺与4-氨基联苯混合后溶于含有0.2–0.7M HCl的无氧水溶液中，对羧基苯胺与4-氨基联苯的摩尔比为5:1-1:5；
步骤2. 在不断搅拌的前提下，将浓度为1–8mM的亚硝酸钠无氧水溶液以0.2–0.5mL/min的速度滴入到步骤1所得的溶液中，反应20–50min，即制得重氮盐混合液，搅拌速度为1000–3000 r/min；
步骤3. 若所用电极为金电极或玻碳电极，需将电极依次用粒径为1.0、0.3和0.05微米的Al2O3抛光粉抛光，金电极还需再浸入一定浓度的硫酸溶液中，进行循环伏安扫描，直至循环伏安曲线稳定，若所用电极为ITO电极，只需将ITO电极在2.0–9.0mol/L的NaOH溶液中浸泡4–9小时，以上每步处理后均需用超纯水充分淋洗并氮气吹干；
步骤4. 如图1所示，将步骤3所得电极浸入到步骤2所得重氮盐混合液中，以此电极为工作电极，饱和甘汞电极或Ag/AgCl电极为参比电极、铂丝为对电极，在0.5 V至 -0.3V电压范围内进行两次连续的循环伏安扫描，扫描速度为100–200 mV/s；
步骤5. 将步骤4所得电极分别在乙腈和超纯水中超声清洗2–8min，氮气吹干，即制得免固定生物传感电极。
上述对羧基苯胺可以替换为对磺酸基苯胺。
上述4-氨基联苯可以替换为苯胺。
一种基于上述免固定生物传感电极的免标记均相光致电化学生物传感器，它以含有1–5μM无任何标记的DNA发卡(DNA-1)、1–5μM无任何标记的DNA单链(DNA-2)、1–8U的DNA聚合酶、100–500μM脱氧核糖核苷三磷酸混合物(dNTPs)的混合溶液为检测液，以含有2–5mM卟啉的Tris−HCl缓冲液为信号液。
如图2所示，上述DNA-1具有茎-环结构，从5’端开始的前50个碱基包含目标分子的特异性核酸适配体序列，其余为随机序列。
如图2所示，上述DNA-2包含两个序列段，从3’端开始的序列段与DNA-1的3’端茎序列完全互补配对，另一个序列段为随机序列。
上述的卟啉为5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉、5,10,15,20-四(N-甲基-4-吡啶鎓)卟吩对甲苯磺酸盐或α,β,γ,δ-四(4-N-三甲基氨基苯基)卟吩。
上述检测液的缓冲体系为含50 mM NaCl、10 mM MgCl2、1 mM 二硫苏糖醇的10 mM Tris−HCl缓冲体系，pH= 7.9。
上述免标记均相生物传感器，它由下列操作步骤组成：
步骤1. 将5–10μL含有不同浓度目标分子的样品溶液与40–45μL检测液混合，温育反应20–120 min分钟，温度为20–40摄氏度，
步骤2. 将步骤1所得溶液转移至免固定生物传感电极表面，温育反应20–50 min，温度为20–40摄氏度，
步骤3. 将步骤2所得的电极用超纯水充分淋洗后，在卟啉信号液中浸泡20–50min，取出后用超纯水充分淋洗，
步骤4. 光致电化学检测，将步骤3所得电极浸入含有0.1–0.6M的抗坏血酸的磷酸盐缓冲电解质中，进行光致电化学检测，工作偏压为-1 V至1V，光源波长为500–200 nm，光源强度为100–200W/m2。
上述免固定生物传感电极区分单链DNA与双链DNA的原理：
单链DNA碱基上的多元杂环是完全暴露的，可与复合薄膜表面的苯环之间产生较强的π-π共轭作用力，该作用力比DNA磷酸脂骨架与复合薄膜表面羧基之间的负-负静电排斥作用力更强，使得单链DNA可被牢固地吸附到该复合薄膜表面；当单链DNA与其互补序列杂交形成双链DNA后，碱基上的多元杂环被隐藏在双链DNA的双螺旋结构中，导致其无法与复合薄膜表面的苯环产生π-π共轭作用力，在DNA磷酸脂骨架与复合薄膜表面羧基之间的负-负静电排斥作用力下，双链DNA无法吸附在该复合薄膜，因此，该复合薄膜修饰的免固定生物传感电极可特异性地区分单链DNA与互补配对的双链DNA。
本免标记均相光致电化学生物传感器测定农残/癌症标志物的原理如图3所示：
不存在目标分子时，DNA-1和DNA-2之间不会发生任何杂交反应，且均可吸附到免固定生物传感电极表面；此时卟啉可借助电极表面的DNA-1与DNA-2吸附到电极表面，产生较强的光致电化学信号响应；当目标分子存在时，目标分子与DNA-1中核酸适配体序列发生特异性结合，使DNA-1发生构象转化，其发卡结构被打开，并与DNA-2发生互补配对，杂交生成较短的DNA双链结构，DNA聚合酶可同时识别该DNA双链结构中DNA-1和DNA-2的3’端，并分别以DNA-2和DNA-1为模板，将DNA-1和DNA-2的3’端聚合延长，该聚合延长过程同时破坏了目标分子与DNA-1中核酸适配体序列的结合，释放出的目标分子可与下一个DNA-1结合，从而继续引发新一轮DNA聚合延长反应，最终将大量的DNA-1和DNA-2转变为无法吸附到免固定生物传感电极表面表面的长双链DNA(碱基对数大于30对)，导致DNA-1与DNA-2在电极表面吸附量的减少及卟啉光致电化学响应的降低。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
本发明提供了一种可特异性吸附单链DNA而不吸附双链DNA的免固定生物传感电极，结合一种配套的免标记均相农残/癌症标志物分析方法，构建高灵敏度、高选择性的农残/癌症标志物光致电化学生物传感器，相对现有的农残/癌症标志物检测方法，具有以下特点：
(1) 本发明所述的免固定生物传感电极，在不固定任何生物识别分子的前提下，可直接检测生物分子的吸附电流，与传统均相电化学中的扩散电流检测相比，信号强度要高三个数量级。
(2) 本发明所述的免固定生物传感电极是通过电还原苯基重氮盐的方式制备的，通过该方法获得的电极表面有机复合薄膜稳定性高，重复性好，可重复使用50次以上，并可在室温下稳定存储4个月以上。
(3) 本发明所述的基于免固定生物传感电极的免标记均相光致电化学生物传感器采用核酸适配体作为分子识别探针，与传统农残/癌症标志物检测中的免疫识别相比，不仅具有极高选择性，还具有成本低、操作简单等优点。
(4) 本发明所述的基于免固定生物传感电极的免标记均相光致电化学生物传感器中，目标分子在DNA聚合酶催化的聚合延长反应中被重新释放出来，从而引发下一轮DNA延长聚合延长反应循环，最终将大量的能够吸附到免固定生物传感电极表面的单链DNA转变为无法吸附到免固定生物传感电极表面的双链DNA，大大提高了检测灵敏度，对农残的检测可低至1.0 pg·mL-1，对癌症标志物的检测可低至50 ag·mL-1。
(5) 通过光致电化学手段检测，不需要昂贵的仪器设备，可微型化、便携化和集成化。
附图说明
图1. 免固定生物传感电极电还原制备过程示意图。
图2. 免标记均相生物传感器中所用的DNA-1与DNA-2的序列组成与结构示意图。
图3. 基于免固定生物传感电极的免标记均相光致电化学生物传感器的检测示意图。
具体实施方式
实施例1. 免固定生物传感电极的制备及免标记均相光致电化学传感器用于杀虫剂啶虫脒残留的检测
(1) 制备重氮盐混合液：将3mM的对羧基苯胺与6mM的4-氨基联苯混合后溶于含有0.3M HCl的无氧水溶液中；在不断搅拌的前提下，将浓度为4mM的亚硝酸钠无氧水溶液以0.5mL/min的速度滴入到上述溶液中，反应50min，即制得重氮盐混合液，搅拌速度为3000 r/min。
(2) 免固定生物传感电极的制备：将玻碳电极依次用粒径为1.0、0.3和0.05微米的Al2O3抛光粉抛光后，用超纯水充分淋洗并氮气吹干；将处理后的玻碳电极浸入上述重氮盐混合液中进行两次连续的循环伏安扫描，扫描电压为0.5 V至 -0.3V，扫描速度为200 mV/s。扫描完毕后将电极取出，分别在乙腈和超纯水中超声清洗7min，氮气吹干。
(3) 配制样品温育液：把5μL含有不同浓度的啶虫脒残留的待测样品溶液与45μL含有3μM无任何标记的DNA-1、3μM无任何标记的DNA-2、6U的DNA聚合酶、400μM的dNTPs的检测液混合。将上述混合溶液在37摄氏度的条件下温育90min。
(4) 将50μL样品温育液转移至免固定生物传感电极表面，室温温育30min，然后用超纯水充分淋洗。
(5) 把(4)中得到的电极浸入含有3mM5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉的信号液中，室温下反应25min，然后用超纯水充分淋洗。
(6) 把(5)中得到的电极浸入含有0.3M抗坏血酸的Tris-HCl缓冲液中，以此电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极、铂丝为对电极，在工作偏压为0.2V、光源波长为400 nm，光源强度为100W/m2的条件下进行光致电化学测定，根据记录的光电流信号，获得啶虫脒检测的工作曲线。
实施例2. 免固定生物传感电极的制备及免标记均相光致电化学传感器用于前列腺特异抗原(PSA)的检测
(1) 制备重氮盐混合液：将4mM的对磺酸基苯胺与12mM的苯胺混合后溶于含有0.5M HCl的无氧水溶液中；在不断搅拌的前提下，将浓度为6mM的亚硝酸钠无氧水溶液以0.3mL/min的速度滴入到上述溶液中，反应40min，即制得重氮盐混合液，搅拌速度为1000 r/min。
(2) 免固定生物传感电极的制备：将ITO电极在7mol/L的NaOH溶液中浸泡5小时后，用超纯水充分淋洗并氮气吹干；将处理后的ITO电极浸入上述重氮盐混合液中进行两次连续的循环伏安扫描，扫描电压为0.4 V至 -0.3V，扫描速度为100 mV/s。扫描完毕后将电极取出，分别在乙腈和超纯水中超声清洗8min，氮气吹干。
(3) 配制样品温育液：把10μL含有不同浓度的癌症标志物PSA的待测样品溶液与40μL含有5μM无任何标记的DNA-1、5μM无任何标记的DNA-2、8U的DNA聚合酶、500μM的dNTPs的检测液混合。将上述混合溶液在37摄氏度的条件下温育80min。
(4) 将50μL样品温育液转移至免固定生物传感电极表面，室温温育40min，然后用超纯水充分淋洗。
(5) 把(4)中得到的电极浸入含有3mM的5,10,15,20-四(N-甲基-4-吡啶鎓)卟吩对甲苯磺酸盐的信号液中，室温下反应25min，然后用超纯水充分淋洗。
(6) 把(5)中得到的电极浸入含有0.5M抗坏血酸的Tris-HCl缓冲液中，以此电极为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极、铂丝为对电极，在工作偏压为0.1V、光源波长为460 nm，光源强度为150W/m2的条件下进行光致电化学测定，根据记录的光电流信号，获得PSA检测的工作曲线。

Claims (8)

1.一种免固定生物传感电极，其特征是：它通过电还原的方式，将4-羧基苯基重氮盐与4-联苯基重氮盐共同修饰在基础电极表面，形成免固定生物传感电极。
2.根据权利要求1所述的免固定生物传感电极，其特征是：该电极可特异性地区分单链DNA与双链DNA：单链DNA可吸附到该电极表面；单链DNA与其互补序列杂交形成的双链DNA不能吸附在该电极表面。
3.根据权利要求1所述的免固定生物传感电极，其特征是：所述的基础电极可以是玻碳电极、金电极或氧化铟锡导电玻璃电极(ITO)。
4.一种制备权利要求1所述的免固定生物传感电极的方法，其特征是它由下列步骤组成：
步骤1. 将一定量的对羧基苯胺与4-氨基联苯混合后溶于含有0.2–0.7M HCl的无氧水溶液中，对羧基苯胺与4-氨基联苯的摩尔比为5:1-1:5；
步骤2. 在不断搅拌的前提下，将浓度为1–8mM的亚硝酸钠无氧水溶液以0.2–0.5mL/min的速度滴入到步骤1所得的溶液中，反应20–50min，即制得重氮盐混合液，搅拌速度为1000–3000 r/min；
步骤3. 若所用电极为金电极或玻碳电极，需将电极依次用粒径为1.0、0.3和0.05微米的Al2O3抛光粉抛光，金电极还需再浸入一定浓度的硫酸溶液中，进行循环伏安扫描，直至循环伏安曲线稳定，若所用电极为ITO电极，只需将ITO电极在2.0–9.0mol/L的NaOH溶液中浸泡4–9小时，以上每步处理后均需用超纯水充分淋洗并氮气吹干；
步骤4. 将步骤3所得电极浸入步骤2所得重氮盐混合液，在0.5 V至 -0.3V电压范围内进行两次连续的循环伏安扫描，扫描速度为100–200 mV/s；
步骤5. 将步骤4所得电极分别在乙腈和超纯水中超声清洗2–8min，氮气吹干，即制得免固定生物传感电极。
5.根据权利要求4所述的免固定生物传感电极制备方法，其特征是，所述的对羧基苯胺可替换为对磺酸基苯胺，所述的4-氨基联苯可替换为苯胺。
6.一种基于权利要求1所述的免固定生物传感电极的免标记均相光致电化学生物传感器，其特征是：它以含有1–5μM无任何标记的DNA发卡(DNA-1)、1–5μM无任何标记的DNA单链(DNA-2)、1–8U DNA聚合酶、100–500μM脱氧核糖核苷三磷酸混合物(dNTPs)的混合溶液为检测液、以含有2–5mM卟啉的溶液为信号液；DNA-1具有茎-环结构，从5’端开始前50个碱基包含目标分子的特异性核酸适配体序列，其余为随机序列；DNA-2包含两个序列段，从3’端开始的序列段与DNA-1的3’端茎序列完全互补配对，另一个序列段为随机序列；不存在目标分子时，DNA-1和DNA-2之间不发生杂交反应，且均可吸附到电极表面；此时卟啉可借助电极表面的DNA-1与DNA-2吸附到电极表面，产生光致电化学信号响应；当目标分子存在时，DNA-1发生构象转化，其发卡结构被打开，并与DNA-2发生互补配对，杂交生成较短的DNA双链结构，DNA聚合酶可同时识别该DNA双链结构中DNA-1和DNA-2的3’端，并分别以DNA-2和DNA-1为模板，将DNA-1和DNA-2的3’端聚合延长，该聚合延长过程同时破坏了目标分子与DNA-1中适配体序列的结合，释放出的目标分子可与下一个DNA-1结合，从而继续引发新一轮DNA聚合延长反应，最终将大量的DNA-1和DNA-2转变为无法吸附到电极表面的长双链DNA(碱基对数大于30对)，导致DNA-1与DNA-2在电极表面吸附量的减少及卟啉光致电化学响应的降低。
7.根据权利要求6所述的免标记均相光致电化学生物传感器，其特征是：所述的卟啉为5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉、5,10,15,20-四(N-甲基-4-吡啶鎓)卟吩对甲苯磺酸盐或α,β,γ,δ-四(4-N-三甲基氨基苯基)卟吩。
8.根据权利要求6所述的免标记均相光致电化学生物传感器，其特征是它由下列操作步骤组成：
步骤1. 将5–10μL样品溶液与40–45μL检测液混合，温育反应20–120 min分钟，温度为20–40摄氏度；
步骤2. 将步骤1所得溶液转移至免固定生物传感电极表面，温育反应20–50 min，温度为20–40摄氏度；
步骤3. 将步骤2所得的电极用超纯水充分淋洗后，在卟啉信号液中浸泡20–50min，取出后用超纯水充分淋洗；
步骤4. 光致电化学检测，将步骤3所得电极浸入含有0.1–0.6M抗坏血酸的缓冲电解质中，进行光致电化学检测, 工作偏压为-1 V至1V，光源波长为200–500 nm，光源强度为100–200W/m2。
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