CN106525920B - 基于末端延伸酶电化学核酸适体传感器测癌胚抗原的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法。首先在金电极表面修饰一层3’端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针；然后加入癌胚抗原和癌胚抗原核酸适体信号探针，3’端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针和癌胚抗原核酸适体信号探针都能特异性识别癌胚抗原，从而在电极表面形成夹心结构；接着在末端脱氧核糖核酸转移酶的作用下，在癌胚抗原核酸适体信号探针的3’端延伸生物素标记的核酸长链；而亲和素标记的辣根过氧化物酶能够亲和结合到生物素标记的核酸长链上；检测辣根过氧化物酶催化电解液产生的电化学信号变化实现对癌胚抗原的高灵敏度、高特异性检测，可用于肿瘤的早期诊断、疗效判断、病情发展和预后估计等。
Description
技术领域
本发明属于电化学生物传感器研究领域，涉及一种基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法。
背景技术
癌胚抗原是一种广谱性的肿瘤标记物，在多种肿瘤的疗效判断、病情发展、监测和预后估计中有着重要的作用；而实际样本中的癌胚抗原含量往往很低，需要研究和设计高灵敏度和高选择性的检测方法来实现癌胚抗原的检测。为了提高癌胚抗原的检测灵敏度和选择性，各种癌胚抗原检测方法也应运而生，在各种检测方法中实现癌胚抗原的特异性识别和信号放大成为研究的重点。
在蛋白质的检测中，最常用的识别分子是抗体。但是抗体的制备过程复杂、制备费用高，而且抗体分子要在一定的条件下才能保持活性，影响着检测方法的灵敏度和适用范围。为了解决这一难题，最近几十年出现了一种新的识别分子——核酸适体。核酸适体是一种能够特异性识别靶分子的寡聚核苷酸片段，对可结合的靶分子有严格的识别能力和高度的亲和性，并且其制备过程简单、制备费用较低、存储和使用条件没有抗体严格。核酸适体自被发现以来得到大家广泛研究和应用。
核酸扩增技术是生物传感器信号放大过程中的重要技术。目前常用的核酸扩增技术有聚合酶链式反应和一些等温核酸扩增技术如滚环复制扩增等。聚合酶链式反应技术需要严格控制温度的变化，因而需要比价复杂的反应仪器，成本较高；而滚环复制扩增过程也需要加入反应模版，从而增加了反应体系的复杂程度，增加了成本。为了解决这些问题，一种新的核酸扩增技术表面诱导末端延伸技术应运而生，这种在末端脱氧核糖核酸转移酶催化的无需模版的在核酸3’末端延伸核酸长链的核酸放大技术得到了广泛的应用。
发明内容
本发明为了高灵敏和高选择性地检测痕量的癌胚抗原，提供一种基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法，包括如下步骤：
步骤一、电化学传感器的制备：（a）金电极的清洗：以NaBH4 溶液浸泡后打磨，然后超声清洗；（b）自清洁表面的制备：室温下在金电极表面自组装3’末端标记巯基的癌胚抗原核酸适体捕获探针溶液，然后用HS-(CH2)11-EG2-OH（OEG）室温下浸泡封闭不小于4小时，得到自清洁表面；（c）信号探针的引入：在自清洁表面滴加癌胚抗原溶液反应不少于1小时，然后滴加信号探针溶液反应不少于1小时，制得有3’末端裸露的电极表面；（d）末端延伸：步骤（3）制得的电极表面在末端脱氧核糖核酸转移酶的作用下延伸出一条生物素标记的核酸长链，再加入亲和素标记的辣根过氧化物酶反应不少于15分钟，通过生物素-亲和素相互作用，在电极表面修饰辣根过氧化物酶，制得电化学传感器；
步骤二、电化学信号检测：将制备完成的电化学传感器放在三电极体系中以循环伏安法和时间电流曲线法进行检测，得到电化学信号。
步骤一(b)中，3’端巯基标记癌胚抗原捕获探针的浓度为0.2-5 μmol/L，自组装时间不小于4小时；OEG的浓度为0.5-2 mmol/L，浸泡时间不小于4小时；
步骤一(c)中，癌胚抗原核酸适体信号探针的浓度为0.2-5 μmol/L；
步骤一(d)中，末端脱氧核糖核酸转移酶的浓度为1 U，生物素标记的核苷酸为生物素标记的腺嘌呤脱氧核糖核苷酸，浓度为5.7 μmol/L，延伸时间不小于1小时；
步骤二中，电化学检测体系为三电极体系，工作电极为金电极，参比电极为Ag/AgCl电极，对电极为铂丝电极，其中，电解液为3,3',5,5'-四甲基联苯胺溶液，循环伏安法扫描高电位为0.7 V，低电位为0 V，扫描速度为0.1 V/s；时间电流曲线法的扫描电位为0.1V，扫描时间为100 s；
步骤一中，所述核酸适体序列如下：所述的癌胚抗原核酸适体信号探针序列为：5’-CC CAT AGG GAA GTG GGG GA-3’；所述的3’末端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针序列为：5’-TTA ACT TAT TCG ACC ATA TTT TT-SH-3’。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1、检测灵敏度高：本发明对癌胚抗原的检测下限低于10 pg/ml，在现有的癌胚抗原检测传感器中处于较高的灵敏度水平。
2、检测的范围宽：本发明对癌胚抗原的检测范围宽度大于6个数量级，在现有的癌胚抗原传感器中处于较宽的检测宽度。
3、检测体系简单：本发明使用的检测方法为简单的电化学检测，对样本的颜色没有要求，灵敏度高，并且易于简单化和微型化。
4、实际应用性强：本发明的癌胚抗原传感器在模拟的血清样本中有较高的检出率，说明本传感器在实际样本中的应用性强，有很高的临床诊断方面应用前景。
附图说明
图1 是本发明基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原方法的过程示意图。
图2 是本发明实施例1中3’巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针的优化结果图。
图3 是本发明实施例2中OEG的优化结果图。
图4 是本发明实施例3中癌胚抗原核酸适体信号探针优化结果图。
图5 是本发明实施例4中的对不同浓度癌胚抗原的检测电流图。
图6 是本发明实施例5中的前列腺癌抗原、小牛血清蛋白和癌胚抗原的检测电流对比图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明，其目的是为了更好理解本发明的内容，但所举的实施例并不限制本发明的保护范围：
如附图1中所示的步骤，搭建基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器体系，并进行电化学检测。
(1) 基于末端延伸酶的电化学传感器检测癌胚抗原体系的建立
a、金电极清洗： 1）NaBH4 溶液浸泡（往NaBH4固体中先加入一定体积的无水乙醇，再加入等体积的超纯水，混匀后将电极浸泡在其中，浸泡15分钟，用超纯水冲洗掉NaBH4溶液）2）打磨（在磨布上倒上一定量的Al2O3粉末，然后加上少量水，将电极垂直在磨布上打磨3分钟，用超纯水冲洗干净）3）超声清洗（先用乙醇超声清洗4-5分钟，再用超纯水超声清洗4-5分钟，用超纯水冲洗）4）电化学扫描（以0.5 mol/L的H2SO4为电解液，Ag/AgCl电极作为参比电极，铂丝电极作为对电极，对金工作电极进行电化学扫描。先进行慢扫，然后加2 V电压电解5秒，再加-0.35 V电压电解10秒，而后快速扫描2次，清洗电极并且换H2SO4后慢扫1次，观察扫描的循环伏安图，若最后一次慢扫得到的两条曲线完全重合，并且氧化峰有四个，还原电流是最低电流的40倍，则判断电极清洗干净）清洗干净的电极用N2吹干，没有洗干净的电极则需要重复清洗步骤。
b、自清洁表面制备： 1）以PBS稀释3’末端巯基标记的癌胚抗原核酸适体捕获探针至所需浓度得到组装液，在清洗干净并用N2吹干的电极表面滴加3 μL组装液，使组装液覆盖在金电极表面，确保组装液与金电极表面完全接触，且液滴中不含有气泡，在电极上加盖1.5 ml离心管以减少反应过程中组装液的蒸发且避免杂质进入组装液，在室温下反应4小时以上。2）以无水乙醇稀释HS-(CH2)11-EG2-OH（OEG）至所需浓度，分装在2 ml离心管中，100μL/管，将组装好的电极用PBS溶液冲洗10秒，并用N2吹干，然后将电极表面浸泡在制备好的封闭液中，确保电极表面与封闭液完全接触没有气泡，用密封膜缠好离心管与电极，减少封闭液的蒸发，室温下反应4 h以上。
c、癌胚抗原免疫结合：以PBS稀释癌胚抗原溶液至所需浓度，将OEG处理后的电极用PBS冲洗10秒，且用N2吹干，然后癌胚抗原溶液滴加3 μL在干燥的电极表面，在电极上加盖1.5 ml离心管，在反应过程中减少液体的蒸发且避免杂质进入组装液，在室温下反应1小时。
d、信号探针的引入：将免疫结合后的电极用PBS溶液冲洗10秒，并且用N2吹干，吹干后的电极表面滴加3 μL癌胚抗原核酸适体信号探针溶液，加盖1.5 ml离心管后，室温下反应1小时。
e、末端延伸：将引入信号探针后的电极用PBS溶液冲洗10秒，并且用N2吹干，吹干后的电极表面滴加3 μL 末端延伸液（末端脱氧核糖核酸转移酶的浓度为1 U，底物为浓度5.7 μmol/L的生物素标记腺嘌呤脱氧核糖核苷酸），加盖1.5 ml离心管后，室温下反应1小时。确保延伸液与金电极表面完全接触。
f、辣根过氧化物酶标记：将延伸后的电极用PBS溶液冲洗，并且用N2吹干，吹干后的电极表面滴加3 μL 生物素标记辣根过氧化物酶溶液，加盖1.5 ml离心管后，室温下反应15分钟。
(2)电化学信号的检测
将标记好辣根过氧化物酶的电极用PBS溶液冲洗，以市售3,3',5,5'-四甲基联苯胺溶液（TMB）为电解液，用三电极体系进行检测，参比电极为Ag/AgCl电极，对电极为铂电极。循环伏安图的高电位为0.7 V，低电位为0 V，扫描速度为0.1 V/s；时间电流曲线的实验电位为0.1 V，试验时间为100秒。
实施例1：3’端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针组装密度对电化学信号检测结果的影响。
采用本发明所述的基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法，以癌胚抗原溶液为目标物，基于末端延伸酶的电化学传感器检测癌胚抗原检测体系的建立步骤如上所述，其中封闭液OEG的浓度为1 mmol/L，癌胚抗原的浓度为1 μg/mL，癌胚抗原核酸适体信号探针的浓度为1 μmol/L，组装的3’端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针浓度为0.2、0.5、1、2和5 μmol/L，分析不同的组装密度对检测电化学信号的影响，其分析结果如附图2所示，3’端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针浓度低于1 μmol/L，随着浓度的增加信噪比增强，高于1 μmol/L，随着浓度的增加信噪比减弱，因此3’端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针的较优浓度为1 μmol/L。
实施例2： OEG封闭浓度对电化学检测结果的影响。
采用本发明所述的基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法，以癌胚抗原溶液为目标物，所有操作步骤如实施例1所述，其中组装的3’端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针浓度为1 μmol/L，癌胚抗原的浓度为1 μg/mL，癌胚抗原核酸适体信号探针的浓度为1 μmol/L，封闭液OEG的浓度为0.5、1、1.5和2 mmol/L，分析不同的封闭浓度对检测电化学信号的影响，其分析结果如附图3所示，OEG浓度低于1 mmol/L，随着浓度的增加信噪比增强，高于1 mmol/L，随着浓度的增加信噪比减弱，因此OEG的较优浓度为1mmol/L。
实施例3：癌胚抗原核酸适体信号探针浓度对电化学信号检测结果的影响。
采用本发明所述的基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法，以癌胚抗原溶液为目标物，所有操作步骤如实施例1所述，其中组装的3’端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针浓度为1 μmol/L，封闭液OEG的浓度为1 mmol/L，癌胚抗原的浓度为1 μg/mL，癌胚抗原核酸适体信号探针的浓度分别为0.2、0.5、1、2和5 μmol/L，分析不同的癌胚抗原核酸适体信号探针浓度对检测电化学信号的影响，其分析结果如附图4所示，癌胚抗原核酸适体信号探针浓度低于0.5 μmol/L，随着浓度的增加信噪比增强，高于0.5 μmol/L，随着浓度的增加信噪比减弱，因此癌胚抗原核酸适体信号探针的较优浓度为0.5 μmol/L。
实施例4：基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法对不同浓度癌胚抗原的检测特性。
采用本发明所述的基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法，以癌胚抗原溶液为目标物，所有操作步骤如实施例1所述，其中组装的3’端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针浓度为1 μmol/L，封闭液OEG的浓度为1 mmol/L，癌胚抗原核酸适体信号探针浓度为0.5 μmol/L，癌胚抗原的浓度为10 pg/mL、100 pg/mL、1 ng/mL、10 ng/mL、100 ng/mL和1 μg/mL，分析不同浓度癌胚抗原的电化学信号响应特性，分析结果如图5所示，在该检测范围内，电化学信号随癌胚抗原浓度的增加而升高，检测限低于10 pg/mL。
实施例5：基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法对缓冲液、前列腺癌抗原、小牛血清蛋白、癌胚抗原电化学信号对比。
采用本发明所述的基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法，所有操作步骤如实施例1所述，其中组装的3’端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针浓度为1 μmol/L，封闭液OEG的浓度为1 mmol/L，癌胚抗原核酸适体信号探针为0.5 μmol/L，待测目标的缓冲液、质量浓度为1%的小牛血清蛋白、浓度为1 μg/mL的前列腺癌抗原、浓度为1 μg/mL的癌胚抗原，分析结果如图6所示，由图可知，本发明的电化学传感器检测癌胚抗原的方法特异性强。
实施例6：基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法对血清中癌胚抗原的检出率。
采用本发明所述的基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法，以血清中癌胚抗原溶液为目标物，所有操作步骤如实施例1所述，其中组装的3’端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针浓度为1 μmol/L，封闭液OEG的浓度为1 mmol/L，癌胚抗原核酸适体信号探针浓度为0.5 μmol/L，待测目标物的浓度为100 pg/mL、10 ng/mL和100ng/mL，分析实验结果得到为100 pg/mL的检出率为105±6%， 10 ng/mL的检出率为101±10%，100 ng/mL的检出率为103±7%，由结果可知本基于末端延伸酶的电化学传感器检测癌胚抗原的方法对血清样本中的癌胚抗原有较好的检出率，显示了很好的实际运用前景。
Claims (4)
1.一种基于末端延伸酶的电化学核酸适体传感器检测癌胚抗原的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、电化学传感器的制备：(a)金电极的清洗：以NaBH4 溶液浸泡后打磨，然后超声清洗；(b)自清洁表面的制备：室温下在金电极表面自组装3’末端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针溶液，然后用HS-(CH2)11-EG2-OH(OEG)室温下浸泡封闭不小于4 小时，得到自清洁表面；(c)信号探针的引入：在自清洁表面滴加癌胚抗原溶液反应不少于1小时，然后滴加信号探针溶液反应不少于1小时，制得有3’末端裸露的电极表面；(d)末端延伸：步骤(c )制得的电极表面在末端脱氧核糖核酸转移酶的作用下延伸出一条生物素标记的核酸长链，再加入亲和素标记的辣根过氧化物酶反应不少于15分钟，通过生物素-亲和素相互作用，在电极表面修饰辣根过氧化物酶，制得电化学传感器；
步骤二、电化学信号检测：将制备完成的电化学传感器放在三电极体系中以循环伏安法和时间电流曲线法进行检测，得到电化学信号；
步骤一(b)中，3’末端巯基标记癌胚抗原核酸适体 捕获探针的浓度为0.2-5μmol/L，自组装时间不小于4小时；OEG的浓度为1mmol/L；
步骤一(d)中，末端脱氧核糖核酸转移酶的浓度为1U，生物素标记的核苷酸为生物素标记的腺嘌呤脱氧核糖核苷酸，浓度为5.7μmol/L，延伸时间不小于1小时；癌胚抗原核酸适体信号探针序列为：5’-CCCATAGGGAAGTGGGGGA-3’。
2.如权利要求1所述的检测癌胚抗原的方法，其特征在于，步骤一(c)中，癌胚抗原核酸适体信号探针的浓度为0.2-5μmol/L。
3.如权利要求1 所述的检测癌胚抗原的方法，其特征在于，3’末端巯基标记癌胚抗原核酸适体捕获探针序列为：5’-TTAACTTATTCGACCATATTTTT-SH-3’。
4.如权利要求1 所述的检测癌胚抗原的方法，其特征在于，电化学检测体系为三电极体系，工作电极为金电极，参比电极为Ag/AgCl电极，对电极为铂丝电极，其中，电解液为3,3',5,5'-四甲基联苯胺溶液，循环伏安法扫描高电位为0.7V，低电位为0V，扫描速度为0.1V/s；时间电流曲线法的扫描电位为0.1V，扫描时间为100s。
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