CN110455848A - 基于络合反应放大信号的铁离子纵向弛豫时间传感器及其构建方法、用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于络合反应放大信号的铁离子纵向弛豫时间传感器，所述传感器以纵向弛豫时间(T1)作为读出信号，所述纵向弛豫时间(T1)的读出信号变化是通过氧化还原反应和络合反应引起Fe2+/Fe(SCN)3浓度转化而引起的。本发明还提供了一种基于络合反应放大信号的铁离子纵向弛豫时间传感器的构建方法，以及该传感器在生化分析和免疫分析及食品安全，环境检测等领域的用途。
Description
技术领域
本发明属于生物分子识别技术领域，具体涉及一种基于络合反应放大信号的铁离子纵向弛豫时间传感器及其构建方法、用途。
背景技术
磁弛豫时间传感器利用磁信号进行检测，不依赖光信号，因此可以避免复杂基质的干扰，减少样品前处理等复杂步骤。磁弛豫时间传感器在医疗诊断、食品安全、环境分析等领域得到广泛的关注和应用。目前，磁弛豫时间传感器主要包括：(1)基于磁颗粒状态改变的横向弛豫时间(T2)免疫传感器：在均匀磁场中，磁颗粒状态的变化(从分散到聚集，或从聚集到分散)会改变磁场的均匀度进而引起周围水分子质子T2的改变；(2)基于金属离子价态改变的纵向弛豫时间(T1)免疫传感器：金属离子价态的变化(比如二三价铁离子的转变)会改变周围水分子质子T1的改变。T2免疫传感器通常需要磁颗粒的参与，因为磁颗粒极易发生特异性吸附和自身聚集，所以容易造成假阳性信号。基于T2信号的磁横向弛豫时间传感器不适合生化分析，因为其需要相应的抗体，造成分析步骤麻烦。与T2免疫传感器相比，T1免疫传感器借助金属离子作为信号，因此避免了因磁颗粒而造成的假阳性信号。另外也不需要提前制备磁颗粒和免疫识别分子(如抗体等)的偶联物，成本也相对降低。T1免疫传感器既可以实现生化分析，也可以完成免疫检测，然而目前T1免疫传感器的灵敏度不高，无法满足临床诊断的需要，从而限制了它的发展。因此开发一种高灵敏度的新型T1传感器对提高体外诊断的效率和准确性，拓宽其在其他领域的应用具有重要的现实意义。具有重要的现实意义。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种基于络合反应放大信号的铁离子纵向弛豫时间传感器及其构建方法、用途。
为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种基于络合反应放大信号的铁离子纵向弛豫时间传感器，所述传感器以纵向弛豫时间(T1)作为读出信号，所述纵向弛豫时间(T1)的读出信号变化是通过氧化还原反应和络合反应引起Fe2+/Fe(SCN)3浓度转化而引起的。
根据本发明第一方面的铁离子纵向弛豫时间传感器的构建方法，所述方法包括如下步骤：
(1)制备Fe2+溶液和KSCN溶液；
(2)将步骤(1)得到的Fe2+离子与待测样品混合，进行免疫和/或生化反应；
(3)将步骤(2)所得到的液体与步骤(1)得到的KSCN混合；
(4)测量步骤(3)所得到的混合体系的T1，根据T1的改变量，确定待测样品中目标物的含量。
根据本发明第二方面的方法，其中，所述Fe2+或KSCN的溶液为水溶液。
根据本发明第二方面的方法，其中，所述Fe2+溶液的浓度为1～10mM，优选为4～6mM，最优选为5mM；所述KSCN的溶液的浓度为1％～10％，优选为3％～7％，最优选为5％。
根据本发明第二方面的方法，其中，所述目标物包括细菌、真菌、病毒、蛋白质、多糖、单糖或核酸中的一种或多种。
根据本发明第二方面的方法，其中，所述蛋白质为兔抗人IgG抗体、丙肝抗体。
本发明的第三方面提供了一种检测过氧化氢、葡萄糖、葡萄糖氧化酶、蛋白质和/或抗生素的方法，所述方法将过氧化氢、葡萄糖、葡萄糖氧化酶、蛋白质和/或抗生素作为标记物催化或参与Fe2+/Fe3+氧化还原反应，从而通过第一方面所述的传感器以纵向弛豫时间(T1)作为读出信号来测定所述标记物。
本发明的第四方面提供了第一方面所述的传感器在制备用于诊断、恢复和/或体育训练心脏疾病、心肌疾病及神经疾病的产品的用途。
本发明的第五方面提供了第一方面所述的传感器在制备用于检测食品药物残留、兽药残留、食品添加剂和/或激素的产品中的用途。
本发明的第六方面提供了一种用于检测过氧化氢、葡萄糖、葡萄糖氧化酶，蛋白质、抗生素的试剂盒，所述试剂盒包括含有第一方面所述的传感器。
为了克服上述T1免疫传感器的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种灵敏度更好的基于络合反应放大信号的铁离子纵向弛豫时间传感器的构建方法，为早期诊断、环境监测、食品安全等领域提供一种前处理简便，灵敏度高和耗样量少的分析方法。
具体地，为达到此目的，本发明提供以下技术方案：
本发明的一方面提供了一种基于络合反应放大信号的铁离子纵向弛豫时间传感器，所述传感器以纵向弛豫时间(T1)作为读出信号，络合反应来提高信号。
其中，氧化还原反应引起二价铁离子(Fe2+)转变为三价铁离子(Fe3+)，三价铁离子继而被硫氰酸钾(KSCN)络合，形成硫氰酸铁络合物(Fe(SCN)3)，所述T1的读出信号变化是通过Fe2+/Fe(SCN)3浓度转化而引起的。若无KSCN的络合反应参与,T1的读出信号变化是通过Fe2+/Fe3+浓度转化而引起的，信号变化不明显。
本发明的另一方面提供了一种络合反应放大信号的铁离子纵向弛豫时间传感器的构建方法，所述方法包括如下步骤：
(1)制备一定浓度的二价铁离子(Fe2+)和硫氰酸钾(KSCN)；
(2)将步骤(1)得到的Fe2+离子与待测样品混合，进行免疫和/或生化反应；
(3)将步骤(2)所得到的液体与步骤(1)得到的KSCN混合；
(4)测量步骤(3)所得到的混合体系的T1，根据T1的改变量，确定待测样品中目标物的含量。
其中，所述Fe2+溶液和KSCN溶液为水溶液；
所述目标物包括细菌、真菌、病毒、蛋白质、多糖、单糖或核酸中的一种或多种；
所述蛋白质为兔抗人IgG抗体、丙肝抗体等；
所述抗生素为四环素、磺胺等。
本发明的还提供了一种检测过氧化氢、葡萄糖、葡萄糖氧化酶，蛋白质、抗生素等生化分析指标的方法，所述方法将过氧化氢、葡萄糖和/或葡萄糖氧化酶等作为标记物催化或参与Fe2+/Fe3+氧化还原反应，再引入KSCN和Fe3+产生络合反应，从而通过前述的传感器以T1作为读出信号来测定所述标记物。
本发明还提供了所述传感器在制备用于诊断、恢复和/或体育训练心脏疾病、心肌疾病及神经疾病的产品的用途以及在制备用于检测食品药物残留、兽药残留、食品添加剂和/或激素的产品中的用途。
本发明还提供了一种用于检测过氧化氢、葡萄糖、葡萄糖氧化酶，蛋白质、抗生素的试剂盒，所述试剂盒包括含有所述传感器。
现结合本发明的构思，对本发明具体技术方案进一步阐述如下：
本发明将络合反应作为一种信号放大策略，引入到传统的纵向弛豫时间免疫传感器中。通过特定的氧化还原反应，实现Fe2+到Fe3+离子的转换，再引入KSCN与Fe3+离子发生络合反应生成Fe(SCN)3络合物，基于Fe2+离子和Fe(SCN)3络合物对水分子质子T1的影响具有显著差异这个现象，从而实现目标物和T1之间的转换。因为Fe2+离子和Fe(SCN)3络合物对水分子质子T1影响的差异远大于Fe2+离子和Fe3+离子间的差异，所以KSCN的络合反应可以作为进一步的信号放大，从而提高传统T1免疫传感器的灵敏度。例如，葡萄糖在葡萄糖氧化酶(GOD)的作用下可以产生过氧化氢(H2O2)，H2O2可以引起Fe2+离子转变成Fe3+离子，KSCN络合Fe3+离子产生Fe(SCN)3络合物，从而导致T1信号的改变，通过T1信号间接地反映了目标物(H2O2、葡萄糖或GOD)的含量。也就是说通过这种氧化还原反应可以实现对很多种生化分析指标进行检测。另外，GOD本身是一种重要的生物标志物，所以在实现GOD检测的同时，也可以利用GOD标记酶的特性，实现免疫分析。因为GOD标记的二抗的含量和目标物的浓度成正相关，因此GOD所引起的T1信号的改变和样品中目标物的含量成正相关，从而实现定量分析。因此该T1传感器可以实现免疫分析。
本发明将络合反应作为信号放大策略，解决了传统的T1传感器方法灵敏度不足的问题。同时，通过氧化还原反应，可以调节水溶液中Fe2+和Fe3+浓度，Fe3+被KSCN络合，形成Fe(SCN)3络合物，由于Fe2+和Fe(SCN)3引起水分子质子T1改变的能力存在显著的差异，从而可以将T1信号反应出检测物的浓度。由于氧化还原反应的多样性，并且很多生化分析指标本身具有氧化的性质，因此可以直接通过氧化还原反应，实现生化分析。同时，很多酶可以作为免疫标记酶，并且酶可以催化其底物产生具有氧化性的物质，进而可以实现免疫分析。基于此，该基于络合反应放大信号的铁离子纵向弛豫时间传感器一方面可以实现生化分析，同时又可以实现免疫分析，大大拓宽了检测范围，极大地提高分析效率，进而为重大疾病的早期诊断、提供一种有力且多功能的工具。
该方法可以应用于临床诊断中的生化分析和免疫分析领域，可以应用于食品安全，环境监测等领域。
本发明的技术方案具有但不限于以下有益效果：
1、本方法采用T1作为磁信号，信号测量的稳定性更好，并且不需要纳米磁颗粒，可以大大降低方法的成本，简化操作步骤；
2、本方法将生化分析和免疫检测集成于一体，并且在生化分析中，大大地提高了检测效率；
3、在生化分析中，不需要相应的抗体，可以大大降低分析成本，有利于磁传感器在生化分析中的应用。
4、本方法采用络合反应作为信号放大策略，提高检测灵敏度。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1示出了T1值的改变量随过氧化氢浓度变化的示意图；
图2示出了T1值的改变量随葡萄糖浓度变化的示意图；
图3示出了T1值的改变量随葡萄糖氧化酶浓度变化的示意图；
图4A示出了基于葡萄糖氧化酶作为免疫标记酶实现T1信号应用于免疫分析的示意图；
图4B示出了T1值的改变量随兔抗人IgG浓度变化的示意图；
图5示出了T1值的改变量随四环素浓度变化的示意图。
图6示出了基于络合反应放大信号的原理。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。
以下实施例中使用的试剂和仪器如下：试剂：
氯化铁(FeCl3)和氯化亚铁(FeCl2)购自西龙化学试剂有限公司，硫氰酸钾(KSCN)和葡萄糖购自Sigma-Aldrich公司，过氧化氢(H2O2)购自北京化工厂，葡萄糖氧化酶、PBS片和吐温-20购自Amresco公司，96孔酶标板购自Corning公司，人IgG、兔抗人IgG和标记ALP的羊抗兔IgG购自于Jackson公司，四环素(TET)购自于Dr.Ehrenstorfer公司，四环素-BSA偶联物和鼠抗四环素抗体购自于北京泽扬生物科技有限公司，生物素化试剂、葡萄糖氧化酶标记的链霉亲和素(SA-GOD)偶联物和葡萄糖氧化酶标记的羊抗鼠IgG购自Abcam公司。
溶液配置
磷酸盐缓冲液(PBS)：取5片PBS片溶于500ml水中，摇匀；
封闭液：称取1.2g BSA于40ml水中，摇匀，配成3％BSA封闭液；
包被液(碳酸盐缓冲液)：称取碳酸钠1.59g、碳酸氢钠2.93g溶于1000ml水中；
洗涤液：取5片PBS片溶于500ml水中，再加入2.5ml吐温-20，摇匀，配成PBST洗涤液。
仪器：
1.5T小型核磁共振仪，购自上海上海寰彤科教设备有限公司。
实施例1
过氧化氢(H2O2)具有强氧化性，可以将Fe2+离子氧化成Fe3+离子，在KSCN的作用下，最终生成Fe(SCN)3络合物，从而导致T1信号的改变，通过T1信号间接地反映了H2O2的含量。
铁离子T1传感器检测过氧化氢(H2O2)
将一系列不同浓度(10,20,40,80,160,320和640μM)的过氧化氢(50μL)加入到100μL的5mM FeCl2中于37℃反应40分钟,各取混合溶液50μL，分别加入50μL的水和50μL的5％KSCN溶液，反应5min,最后取20μL混合液，用小型核磁共振仪测T1信号，其结果如图1所示，T1值的改变量随着H2O2浓度的升高而变大，两种存在良好的线性关系。
实施例2
葡萄糖在葡萄糖氧化酶(GOD)的作用下可以产生H2O2，H2O2可以引起Fe2+离子转变成Fe3+离子，KSCN络合Fe3+离子产生Fe(SCN)3络合物，从而导致T1信号的改变，通过T1信号间接地反映了目标物(葡萄糖或葡萄糖氧化酶)的含量。也就是说通过这种氧化还原反应可以实现对很多种生化分析指标进行检测。
铁离子T1传感器检测葡萄糖
将一系列不同浓度(0.005,0.01,0.02,0.04,0.08,0.16,0.32,0.64,1.25,2.5,5,10和20mM)的葡萄糖(100μL)加入100μL的葡萄糖氧化酶(0.02mg/mL)溶液中于37℃反应1小时，然后取混合液50μL加入到100μL的5mM FeCl2中于37℃反应40分钟，最后各取上述混合液50μL，分别加入50μL的水和50μL的5％KSCN溶液中，利用小型核磁共振仪(NMR)测定T1值。实验结果如图2，可以看到T1值的变化量与葡萄糖的浓度有良好的线性关系。
铁离子T1传感器检测葡萄糖氧化酶
将葡萄糖氧化酶(GOD)分别稀释至0.1,1,10,100,1000,10000和100000U/L，取100μL加入到100μL葡萄糖(20mM)，于37℃孵化1小时。然后取上述混合液100μL加入到100μL的5mM FeCl2于37℃孵化40分钟，最后各取上述混合液50μL，分别加入50μL水和50μL的5％KSCN溶液中，利用小型核磁共振仪(NMR)测定T1值。实验结果如图3，可以看到T1值的变化量与GOD的浓度有良好的线性关系。
实施例3
GOD本身是一种重要的生物标志物，所以在实现GOD检测的同时，也可以利用GOD标记酶的特性，实现免疫分析。因为GOD标记的二抗的含量和目标物的浓度成正相关，因此GOD所引起的T1信号的改变和样品中目标物的含量成正相关，从而实现定量分析。因此该T1传感器可以实现免疫分析。
通过免疫分析反应，实现了对兔抗人IgG的检测。
实验步骤：
(1)将人IgG用包被液(碳酸盐缓冲液，pH 9.6)稀释至5μg/mL，加入至ELISA酶标板孔中，100μL/孔。置于37℃，反应2h。
(2)室温下，甩净孔内溶液，拍干。加入含0.5‰(体积)Tween-20的PBS溶液，150μL/孔，静置1min，甩净孔内洗涤液，拍干。重复洗涤3次。
(3)加入200μL/孔的3％BSA封闭，置于37℃，反应2h。
(4)室温下，甩净孔内溶液，拍干。加入含0.5‰(体积)Tween-20的PBS，200μL/孔，甩净孔内洗涤液，拍干，重复洗涤3次，-20℃保存，待用。
(5)用PBS对兔抗人IgG(20μg/mL)进行2倍倍比稀释至0.312μg/mL,以100μL/孔加入包被好的ELISA板中，置于37℃孵育1h。
(6)室温下，甩净孔内溶液，拍干。加入含0.5‰(体积)Tween-20的PBS，150μL/孔，甩净孔内洗涤液，拍干，重复洗涤3次。
(7)用PBS将标记GOD的羊抗兔IgG稀释5000倍，以100μL/孔加入至ELISA板，置于37℃孵化1h。
(8)室温下，甩净孔内溶液，拍干。加入含0.5‰(体积)Tween-20的PBS，150μL/孔，甩净孔内洗涤液，拍干，重复洗涤3次。
(9)配制葡萄糖溶液(20mM)，以100μL/孔加入至ELISA板，置于37℃孵育1h。
(10)取50μL上述反应液和100μL FeCl2(5mM)于37℃孵化40分钟。
(11)各取50μL的上述混合液，分别加入50μL的水和50μL的5％KSCN溶液，反应5分钟。
(12)最后取20μL反应液，利用小型核磁共振仪(NMR)测定T1值，实验结果如图4，图4A示出了通过葡萄糖氧化酶标记的二抗，可以进行相关的免疫分析，图4B示出了T1值的改变量随着兔抗人IgG浓度变化的示意图，并且该方法对兔抗人IgG的检测具有很好的灵敏度和线性范围。
实施例4
通过免疫分析反应，实现了对牛奶中的小分子(四环素)的检测。
实验步骤：
(1)将四环素-BSA偶联物用包被液(碳酸盐缓冲液，pH 9.6)稀释至2.5μg/mL，加入至ELISA酶标板孔中，100μL/孔。置于37℃，反应2h。
(2)室温下，甩净孔内溶液，拍干。加入含0.5‰(体积)Tween-20的PBS溶液，150μL/孔，静置1min，甩净孔内洗涤液，拍干。重复洗涤3次。
(3)加入200μL/孔的3％BSA封闭，置于37℃，反应2h。
(4)室温下，甩净孔内溶液，拍干。加入含0.5‰(体积)Tween-20的PBS，200μL/孔，甩净孔内洗涤液，拍干，重复洗涤3次，-20℃保存，待用。
(5)用PBS对四环素标准品(400μg/L)进行2倍倍比稀释至6.25μg/L，将50μL四环素标准品加入到50μL鼠抗四环素抗体(5μg/mL)中，置于37℃孵育30min。
(6)将反应后的溶液100μL移至包被好的ELISA板中，置于37℃孵育1h。
(7)室温下，甩净孔内溶液，拍干。加入含0.5‰(体积)Tween-20的PBS，150μL/孔，甩净孔内洗涤液，拍干，重复洗涤3次。
(8)用PBS将标记GOD的羊抗鼠IgG稀释5000倍，以100μL/孔加入至ELISA板，置于37℃孵化1h。
(8)室温下，甩净孔内溶液，拍干。加入含0.5‰(体积)Tween-20的PBS，150μL/孔，甩净孔内洗涤液，拍干，重复洗涤3次。
(9)配制葡萄糖溶液(20mM)，以100μL/孔加入至ELISA板，置于37℃孵育1h。
(10)取50μL上述反应液和100μL FeCl2(5mM)于37℃孵化40分钟。
(11)各取50μL的上述混合液，分别加入50μL的水和50μL的5％KSCN溶液，反应5分钟。
(12)最后取20μL反应液，利用小型核磁共振仪(NMR)测定T1值，实验结果如图5，示出了T1值的改变量随着四环素浓度变化的示意图，并且该方法对四环素的检测具有很好的灵敏度和线性范围。
尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。
Claims (10)
1.一种基于络合反应放大信号的铁离子纵向弛豫时间传感器，其特征在于，所述传感器以纵向弛豫时间(T1)作为读出信号，所述纵向弛豫时间(T1)的读出信号变化是通过氧化还原反应和络合反应引起Fe2+/Fe(SCN)3浓度转化而引起的。
2.根据权利要求1所述的铁离子纵向弛豫时间传感器的构建方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)制备Fe2+溶液和KSCN溶液；
(2)将步骤(1)得到的Fe2+离子与待测样品混合，进行免疫和/或生化反应；
(3)将步骤(2)所得到的液体与步骤(1)得到的KSCN混合；
(4)测量步骤(3)所得到的混合体系的T1，根据T1的改变量，确定待测样品中目标物的含量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述Fe2+或KSCN的溶液为水溶液。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述Fe2+溶液的浓度为1～10mM，优选为4～6mM，最优选为5mM；
所述KSCN的溶液的浓度为1％～10％，优选为3％～7％，最优选为5％。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述目标物包括细菌、真菌、病毒、蛋白质、多糖、单糖或核酸中的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述蛋白质为兔抗人IgG抗体、丙肝抗体。
7.一种检测过氧化氢、葡萄糖、葡萄糖氧化酶、蛋白质和/或抗生素的方法，其特征在于，所述方法将过氧化氢、葡萄糖、葡萄糖氧化酶、蛋白质和/或抗生素作为标记物催化或参与Fe2+/Fe3+氧化还原反应，从而通过权利要求1所述的传感器以纵向弛豫时间(T1)作为读出信号来测定所述标记物。
8.权利要求1所述的传感器在制备用于诊断、恢复和/或体育训练心脏疾病、心肌疾病及神经疾病的产品的用途。
9.权利要求1所述的传感器在制备用于检测食品药物残留、兽药残留、食品添加剂和/或激素的产品中的用途。
10.一种用于检测过氧化氢、葡萄糖、葡萄糖氧化酶，蛋白质、抗生素的试剂盒，其特征在于，所述试剂盒包括含有权利要求1所述的传感器。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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