CN110736725A - 一种同时可视化检测两种病毒的分子印迹荧光传感器的制备方法及应用 - Google Patents

一种同时可视化检测两种病毒的分子印迹荧光传感器的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种同时可视化检测两种病毒的分子印迹荧光传感器的制备方法及应用。在本发明中，以两种量子点为荧光信号源，同时加入功能单体和亲水单体，以HAV和HBV为模板分别印迹在不同的载体上，洗脱模板后将得到的印迹聚合物混合，得到可同时检测这两种病毒的荧光传感器。该传感器同时结合亲水单体N‑异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)及功能单体丙烯酸锌的优点，实现了对HAV、HBV两种病毒的高特异性识别。由于量子点在结合不同浓度目标物后荧光猝灭程度不同，从而实现可视化检测。本发明提供的策略为病毒分子印迹同时检测多种类似病毒奠定了很好的基础，同时也具有临床治疗与诊断病毒性疾病的潜在能力。

Description

一种同时可视化检测两种病毒的分子印迹荧光传感器的制备 方法及应用
技术领域
本发明属于分析化学检测技术领域，具体涉及一种同时可视化检测两种病毒的分子印迹荧光传感器的制备方法及应用。
背景技术
分子印迹技术在病毒检测领域因其易于制备，具有较高的稳定性、灵敏度及选择性等优点得到了越来越多的关注与应用。然而，由于病毒尺寸越大，其自组装形成的结构越脆弱，印迹也越困难；同时，病毒分子印迹通常依赖于病毒表面的外壳结构的特异性识别，由于相似病毒外壳的结构单元也相似[Cumbo,A., Lorber,B.,Corvini,P.F.X.,Meier,W.,Shahgaldian,P.Nat.Commun.2013,4,1925– 1930.]，因此，同时捕获并识别多种不同的病毒在目前仍是非常大的挑战，很难实现多种相似病毒的同时检测。
近年来，分子印迹技术在病毒检测领域的发展，为这一难题的突破提供了有力的手段。例如，通过在聚合物表面引入亲水基团或单体来增加印迹颗粒的亲水性，减少非特异性结合[Yang,Y.,Niu,H.,Zhang,H.,ACS Appl.Mater.Interface, 2016,8,15741–15749.；Ma,Y.,Pan,G.,Zhang,Y.,Guo,X.,Zhang,H.,Angew.Chem., Int.Ed.2013,52,1511–1514.]，通过金属配位辅助分子印迹实现更高的模板特异性识别能力[Liu,J.,Yang,K.,Deng,Q.,Li,Qi.,Zhang,L.,Liang,Z.,Zhang,Y.,Chem. Commun.,2011,47,3969–3971.]，通过智能材料分子印迹对特定刺激的响应敏感，实现对目标分子的选择性可逆捕获及释放[Pcuci,F.,Cirillo,G.,Curcio,M.,Expert Opinion on Drug Delivery,2011,8,1379–1393.]等。
作为功能单体，丙烯酸锌因其可以与目标物螯合形成六元环结构、对模板较高的识别能力而被广泛应用于分子印迹聚合物的构建[Yan,Y.J.,He,X.W.,Li, W.Y.,Zhang,Y.K.,Biosens.Bioelectron.2017,91,253–261.；Qin,Y.P.,Wang,H. Y.,He,X.W.,Li,W.Y.,Zhang,Y.K.,Talanta 2018,185,620–627.]；N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)因其良好的热敏特性、低于临界溶液温度时良好的亲水性，被广泛地应用于智能型分子印迹的构建[Li,C.,Ma,Y.,Niu,H.,Zhang,H.,ACS Appl. Mater.Interfaces 2015,7,27340–27350.]。因此，同时结合NIPAAm和丙烯酸锌的优点，用于构建一种新型分子印迹传感器，对于实现多种相似病毒的同时检测具有重要的意义。
HAV和HBV是引发肝炎最常见的两种病毒，它们引起的临床症状基本相同，可相互感染并在患者体内共存，因此同时检测这两种病毒在临床治疗上具有重要的意义。本发明以这两种病毒为目标物进行研究，以两种量子点为不同的荧光信号源，分别在不同的载体上印迹不同的病毒，洗脱之后，再将得到的印迹聚合物混合，构建成可用于同时检测两种病毒的荧光传感器。本发明同时加入NIPAAm 和丙烯酸锌，利用NIPAAm热敏特性促进模板的快速洗脱，利用其亲水特性及丙烯酸锌的金属配位作用共同增强对目标物的选择性识别。同时由于量子点在结合不同浓度目标物后会产生不同程度的荧光猝灭，所以得到的传感器可实现可视化检测。
如图2所示，结果表明，本发明构建的传感器在实际测定中几乎互不干扰，能实现HAV及HBV的分别或同时检测，具有高选择性、高灵敏度、低检测限等优点。本发明提供的策略为病毒分子印迹的同时检测奠定了很好的基础，同时也具有临床治疗与诊断病毒性疾病的潜在能力。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时可视化检测两种病毒的分子印迹荧光传感器的制备方法，并将所述传感器应用于相似病毒分子的特异性识别与检测。
本发明的目的通过如下技术方案实现。
一种同时检测两种病毒的分子印迹荧光传感器的制备及应用，其特征在于，该方法具有以下工艺步骤：
(1)基于荧光量子点、金属配位作用及亲水单体的病毒分子印迹聚合物的制备：不同实验条件下得到红，绿两种荧光量子点R-CdTe QDs，G-CdTe QDs，通过原硅酸四乙酯(TEOS)水解将一层二氧化硅包裹在量子点周围，并嫁接C＝C 以连接丙烯酸锌，通过亲水单体NIPAAm的亲水作用吸附病毒，并通过金属螯合作用在丙烯酸锌与病毒之间形成含锌的六元环配位结构以固定模板病毒，聚合完成后洗脱模板分子；
(2)通过金属螯合作用和亲水单体降低非特异性结合：合成印迹载体材料后，加入功能单体丙烯酸锌、亲水单体NIPAAm组装到印迹材料表面，由于低临界溶解温度下NIPAAm处于亲水溶胀状态，排斥疏水基质降低非特异性吸附；丙烯酸锌与模板病毒通过配位作用形成含锌六元环配位结构，提高了对模板病毒的特异性识别能力；
(3)病毒分子印迹荧光传感器的制备及应用：将两种印迹聚合物G-MIPs与 R-MIPs以确定比例混合，加入模板病毒HAV和HBV，在优化的实验条件下吸附一段时间后，取其混合物于比色皿中，激发波长为370nm，发射波长为555 nm(检测HAV)和655nm(检测HBV)，狭缝宽均为5.0nm，采用RF-5301PC 荧光分光光度计测其荧光强度，构建一种新型的用于同时检测两种病毒的分子印迹荧光传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)以丙烯酸锌为功能单体，通过金属螯合作用与病毒分子之间形成六元环，既能有利于模板分子的固定，又不妨碍模板分子的洗脱；
(2)以NIPAAm为亲水单体，通过其表面的亲水基团对疏水物质的排斥降低非特异性吸附；
(3)实验结果表明，所述病毒分子印迹荧光传感器对相似病毒HAV和HBV 具有很高的特异性识别能力，能实现其同时检测，且具有较高的选择性和灵敏度，印迹效果令人满意；
(4)以量子点为荧光信号源，基于结合目标物后的荧光猝灭在紫外光照射下可实现可视化检测；
(5)所述传感器具有应用于多种相似目标物同时检测的潜在可能性，检测过程对操作人员的专业要求不高，具有临床治疗与诊断病毒性疾病的潜在能力。
附图说明
[图1](A)所述病毒分子印迹荧光传感器的制备流程图；(B)金属配位作用的示意图。
[图2]混合G-MIPs/R-MIPs(A)没有添加病毒；(B)加入HAV；(C)加入 HBV；(D)加入HAV和HBV的荧光强度图。
[图3](A)G-CdTe(a)，G-CdTe@SiO2(b)，G-CdTe@SiO2 C＝C(c)，G-MIP(d) G-NIP；(B)R-CdTe(a)，R-CdTe@SiO2(b)，R-CdTe@SiO2 C＝C(c)，R-MIP(d) R-NIP粒子的傅里叶变换红外光谱图。
[图4](A)G-CdTe@SiO2；(B)G-MIPs；(C)G-NIPs；(D)R-CdTe@SiO2；(E) R-MIPs；(F)R-NIPs粒子的扫描电镜图。
[图5](A)G-CdTe@SiO2，(B)G-MIPs，(C)G-NIPs，(D)R-CdTe@SiO2，(E) R-MIPs，(F)R-NIPs粒子的粒径分布图。
[图6](A)指定浓度HAV和HBV在G-MIPs/R-MIPs中的荧光强度检测；(B) 指定浓度HAV和HBV在MIPs混合溶液中，365nm紫外灯照射下的可视化荧光图像；(C)指定浓度HAV和HBV在G-NIPs/R-NIPs中的荧光强度检测；(D) G-MIPs的ΔF与HAV浓度的线性关系图；R-MIPs的ΔF与HBV浓度的线性关系图(ΔF有无模板病毒时荧光强度的差值)。
[图7]G-MIPs/R-MIPs的选择性和竞争性考察图。
[图8]G-MIPs/R-MIPs的重现性和稳定性考察图。
[图9]人血清中检测HAV(不含HBV)和HBV(不含HAV)的结果。
[图10]人血清中同时检测HAV和HBV的结果。
具体实施方案
在此，将结合附图及实施例，对本发明的具体实施方案作进一步的详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不限制本发明的应用范围及扩展。
实施例1：一种同时可视化检测两种病毒的分子印迹荧光传感器的制备方法
(1)CdTe QDs的制备：将38.3mg碲粉与40mg NaBH4加入无水乙醇(1.0 mL)与超纯水(1.0mL)的混合溶液中，在氮气保护下反应得到NaHTe中间体。将92.4mg Cd(NO3)2·2.5H2O与63μL巯基丙酸(MPA)溶解到75mL超纯水中，得到的溶液用NaOH(1.0M)调节pH为9.0～10.0，再通过氮吹除去溶解氧。随后，取1mL NaHTe溶液加入到上述溶液中，在100℃下回流1.5h得到G-QDs，回流30h后得到R-QDs。
(2)G-CdTe@SiO2和R-CdTe@SiO2的制备：将5mL G-QDs(R-QDs)加入40 mL乙醇中，再加入20μL 3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTES)并搅拌12h，随后，滴加300μL四乙氧基硅烷(TEOs)和0.2mL氨水，反应5h后得到粗纳米粒子。将得到的粒子用乙醇多次离心除去残余物，并在40℃下真空干燥，过夜保存，得到G-CdTe@SiO2(R-CdTe@SiO2)；
(3)G-CdTe@SiO2 C＝C和R-CdTe@SiO2 C＝C的制备：将100mg G- CdTe@SiO2 C＝C(R-CdTe@SiO2 C＝C)分散在150mL无水乙醇中，搅拌并滴加6 mL 3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(MPS)，然后在室温下反应24h。产物以乙醇清洗，最后真空干燥得到G-CdTe@SiO2 C＝C(R-CdTe@SiO2 C＝C)；
(4)G-MIPs和R-MIPs的制备：将100mg G-CdTe@SiO2 C＝C(R-CdTe@SiO2 C＝C)，40mg丙烯酸锌，20mg NIPAAm和20mg模板病毒HAV(HBV)分散到20mL二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，在65℃下搅拌2h进行预组装。随后加入150μL乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)，并通20min氮气。加入5mL含有30mg偶氮二异丁氰(AIBN)的DMF以引发聚合，在氮气保护，65℃下聚合 5h后，用乙醇和乙腈溶液(v/v＝4:1)洗脱模板至检测不到模板存在。最后将得到的G-MIPs(R-MIPs)真空干燥待用。根据相同的方法制备非印迹聚合物(NIP) ，但不添加模板。
(5)所述病毒分子印迹荧光传感器(G-MIPs/R-MIPs)的制备：通过超声将 G-MIPs和R-MIPs以一定比例分散到溶液中，得到相应浓度的混合MIP溶液。随后将不同浓度的HAV和HBV加入上述溶液中，恒温震荡一段时间。然后取200 μL反应液于比色皿中，采用RF-5301PC荧光分光光度计测其荧光，构建成一种检测病毒的分子印迹荧光传感器。检测条件为：激发波长：370nm，发射波长： 555nm(检测HAV)和655nm(检测HBV)，激发狭缝：5.0nm，发射狭缝：5.0 nm。
实施例2：所述G-MIPs/R-MIPs荧光传感器及中间产物的性能、形貌和结构表征。
利用傅里叶变换红外光谱仪、电位粒度计、扫描电镜对制备的所有材料进行了结构和形貌的表征。图3(A)为G-CdTe(a)，G-CdTe@SiO2(b)，G-CdTe@SiO2 C＝C(c)，G-MIP(d)G-NIP；(B)为R-CdTe(a)，R-CdTe@SiO2(b)，R-CdTe@SiO2 C＝C(c)，R-MIP(d)R-NIP粒子的红外光谱图。G-QDs和R-QDs的吸收峰分别出现在1537-1555cm-1，1390-1398cm-1处；1037-1043cm-1是Si-O-Si的伸缩振动峰，786 cm-1是Si-O-Si的弯曲振动峰，因此证明二氧化硅地涂层到了量子点上；在洗脱模板后出现的1720-1728cm-1峰归因于丙烯酸锌中C＝O的伸缩振动；NIPs与 MIPs相比没有明显的差异，表明印迹过程对颗粒的组成几乎没有影响。
图4为(A)G-CdTe@SiO2；(B)G-MIPs；(C)G-NIPs；(D)R-CdTe@SiO2；(E) R-MIPs；(F)R-NIPs粒子的扫描电镜图。从图中可以看出所有的粒子均为球形且具有良好的分散性。从图(B)和图(E)可以看出G-MIPs与R-MIPs粒子的粒径约为220-250nm，大于图(A)G-CdTe@SiO2和图(D)R-CdTe@SiO2的粒径。另外， MIP和NIP的形态和粒径没有很大的差异，证明了洗脱过程对整个颗粒结构几乎没有影响。
图5是(A)G-CdTe@SiO2，(B)G-MIPs，(C)G-NIPs，(D)R-CdTe@SiO2，(E) R-MIPs，(F)R-NIPs粒子的电位粒度计分析图，其显示了各微粒的粒径分布曲线。从图中可以看出，印迹后G-MIPs和R-MIPs粒子的粒径增大，而MIPs和NIPs 之间差异不大，证明印迹成功且模板洗脱对整个粒子的影响很小。
实施例3：所述G-MIPs/R-MIPs荧光传感器的应用。
本实施例的实验条件为：G-MIPs与R-MIPs质量比为1:1.5，G-MIPs与R-MIPs 的用量为10mg/mL，pH为7.5，吸附时间为20min,温度为25℃。具体实施方案为：取特定浓度的HAV、HBV加入到10mg/mL的G-MIPs和R-MIPs混合溶液中，将整个体系pH调节为7.5，在25℃下振荡吸附20min后，测其荧光强度。
(1)G-MIPs/R-MIPs荧光传感器对不同浓度HAV和HBV的同时检测分析
按上述实验步骤，以本发明所述的G-MIPs/R-MIPs荧光传感器对不同浓度的HAV和HBV混合溶液进行检测分析，结果如图6所示，所制备的传感器对 HAV的分析浓度范围为0.3～95nM，检测限为3.4pM，对HBV的分析范围浓度为0.5～90nM，检测线为5.3pM。结果显示传感器对HAV与HBV的检测互不干扰，线性范围较宽，检测限较低，总体效果良好。
(2)G-MIPs/R-MIPs荧光传感器对HAV和HBV的选择性及竞争性实验
选择了相同浓度的HAV，HBV，肠病毒71型疫苗(EV71)，日本脑炎病毒(JEV)，狂犬病病毒(RV)作为目标物来考察G-MIPs/R-MIPs荧光传感器对HAV和HBV 的选择性吸附与检测能力。实验按上述步骤进行，重复三次，取平均值。实验结果如图7所示。可以看出，本发明所述的G-MIPs/R-MIPs荧光传感器对HAV和 HBV的吸附能力明显优于对其它病毒的吸附能力。竞争性实验结果如图7所示，可以看出，在各病毒同时加入检测后，荧光强度无明显变化，这证明本发明所述的分子印迹荧光传感器对目标物的选择性效果理想。
(3)G-MIPs/R-MIPs荧光传感器对HAV和HBV的加标回收
采用了加标回收的方法来评估前面所述的方法对实际样品的分析能力。取六份用磷酸盐缓冲溶液稀释的人血清样品(稀释100倍，pH＝7.5)，分别向其中加入浓度为2nM，50nM，80nM的HAV(不含HBV)及2nM，50nM，80nM 的HBV(不含HAV)，用本发明制备的G-MIPs/R-MIPs荧光传感器进行检测分析。实验结果如图9所示，单独测定HAV的加标回收率为85％～110％，单独测定HBV 的加标回收率为95～110.4％。再取三份用磷酸盐缓冲溶液稀释的人血清样品(稀释100倍，pH＝7.5)，分别向其中加入浓度均为2nM，50nM，80nM的HAV和 HBV混合溶液，用本发明制备的G-MIPs/R-MIPs荧光传感器对HAV和HBV进行同时检测分析。实验结果如图10所示，同时检测时HAV的加标回收率为 89～103.1％，HBV的加标回收率为96.5～113％。
(4)G-MIPs/R-MIPs荧光传感器的重现性和稳定性考察
按上述实验步骤，通过在5个不同传感器上独立检测相同浓度的HAV和 HBV混合溶液来评价重现性，结果如图8所示，5次测定的结果几乎无差别。通过在单个传感器平行测定相同浓度的HAV和HBV混合溶液5次来评价稳定性，结果如图8所示，在相同传感器上平行测定5次后，G-MIPs荧光值是第一次的83.3％，R-MIPs的荧光值是第一次的83％。这证明本发明所述的分子印迹荧光传感器的稳定性和重现性均令人满意。

Claims (10)

1.一种同时可视化检测两种病毒的分子印迹荧光传感器的制备及应用，其特征在于：以两种不同量子点为荧光信号源，在其表面涂抹二氧化硅作为载体材料，金属螯合剂为功能单体，加入N-异丙基丙烯酰胺(NIPAAm)增强特异性识别能力，分别在不同的载体上印迹不同的病毒，洗脱之后将得到的印迹聚合物混合，构建为可用于同时检测两种相似病毒的荧光传感器。
2.所述病毒分子印迹荧光传感器的制备。
3.所述病毒分子印迹荧光传感器的应用。
4.根据权利要求1所述的印迹聚合物的制备，其特征在于，包括以下步骤：
1)合成G-CdTe QDs/R-CdTe QDs，并在其表面涂抹一层SiO2作为印迹时的载体材料；
2)将1)所得的G-CdTe QDs/R-CdTe QDs乙烯基化；
3)在2)的基础上，加入功能单体、亲水单体、交联剂及模板病毒HAV、HBV，聚合完成后洗脱模板，分别得到HAV和HBV印迹的聚合物。
5.根据权力要求1所述，其特征在于，通过金属螯合作用及亲水作用提高印迹聚合物对模板分子的特异性识别能力。
6.根据权利要求1所述的病毒分子印迹聚合物的制备方法，其特征在于：所用的载体材料，模板病毒分别为：在荧光量子点上涂抹的SiO2微粒、HAV与HBV混合溶液。
7.根据权利要求1所述，其特征在于，所用的功能单体、亲水单体分别为：丙烯酸锌、NIPAAm。
8.根据权利要求2所述的分子印迹荧光传感器的制备，其特征在于：最佳实验条件：丙烯酸锌，N-异丙基丙烯酰(NIPAAm)，四乙氧基硅烷(TEOS)，乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)用量分别为40mg，20mg，300μL，150μL；pH为7.5；G-MIP与R-MIP质量比为1:1.5，孵育时长20min。
9.根据权利要求2所述的分子印迹荧光传感器的制备，其特征在于：以两种病毒为模板，分别在不同的载体上进行印迹得到两种印迹聚合物，将洗脱后的印迹聚合物以一定比例混合，加入适量的病毒混合液，在优化的吸附条件下吸附。然后，取一定量上述混合物于比色皿中，采用RF-5301PC荧光分光光度计测荧光强度，构建成一种同时检测两种病毒的荧光传感器。检测条件为：激发波长为370nm，发射波长为555nm(检测HAV)、655nm(检测HBV)，激发和发射的狭缝宽度均为5.0nm。
10.根据权利要求3所述的病毒分子印迹荧光传感器的应用，其特征在于：将上述病毒分子印迹荧光传感器对不同浓度的HAV、HBV混合溶液进行分析，用以评估其对模板病毒的检测范围与检测限；用上述病毒分子印迹荧光传感器检测相同浓度的不同病毒分子，用以评估所制备的分子印迹荧光传感器对模板分子的选择性识别与检测能力；将上述智能型病毒分子印迹荧光传感器应用于人血清中HAV、HBV混合溶液的加标回收，用以评估所述的分子印迹荧光传感器对相似病毒HAB、HBV的实际分析能力。
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