CN112098380A - 一种基于量子点选择性识别反应的生物分析方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于量子点选择性识别反应的生物分析方法及其应用，所述方法包括基于QDs选择性识别Cu2+和DNA模板Cu NPs以得到对QDs荧光信号的改变，并基于对QDs荧光信号的改变，得到基于核酸链的目标物的分析结果。因此，本发明通过DNA模板Cu NPs引入基于QDs的选择性阳离子交换反应，可以将DNA模板Cu NPs‑QDs作为信号分子，在生物分析检测过程中可有效提高分析的灵敏度。能够广泛应用于基于核酸链的目标物的检测分析领域。

Description

一种基于量子点选择性识别反应的生物分析方法及其应用
技术领域
本发明涉及生物医学诊断分析方法技术领域，尤其涉及一种基于量子点选择性识别反应的生物分析方法及其应用。
背景技术
在生物医学诊断和生物化学分析领域，就操作步骤而言主要分为非均相和均相两种。在非均相方法中，酶联免疫吸附分析(ELISA)最为典型，但是其需要标记和分离步骤。均相分析方法，整个检测过程均在一个离心管中，只要向离心管中加入反应液，最终稀释后在仪器上检测，其不需要分离洗涤等步骤。虽然现有技术中已存在多种均相荧光分析策略，但其分析灵敏度有限，仅仅能够满足一般检测需要，无法应用于超灵敏分析及疾病的超早期筛查中。
近年来，DNA模板铜纳米粒子(Cu NPs)被报道并广泛应用于分析诊断领域。DNA模板Cu NPs合成步骤简单(DNA、Cu2+与抗坏血酸等还原剂混合后反应，反应10min内完成，反应速度快)，反应条件温和(室温下，中性条件)，具有肉眼可见的荧光信号(Cu NPs发射波长在550-650nm之间)。然而，其荧光寿命短，约10min之后荧光信号会有很大程度的降低。且其荧光信号相对较低(低浓度时仪器难以测得)，则会影响分析诊断方法的灵敏度。但是本申请人发现DNA模版Cu NPs中有核酸链的参与，核酸链的存在可轻松扩展方法应用范围，以及引入基于核酸的信号放大技术，在扩展应用的同时改善分析灵敏度。因此，DNA模版Cu NPs的优点突出，但其不足之处依然很多。
发光量子点(QDs)目前已得到广泛应用。发光QDs具有荧光信号强、发光寿命长、可低成本快速合成多种颜色且能够长期稳定保存的优势。在申请人的前期研究中发现了多种基于CdTe QDs的选择性识别现象，并将其用于构建均相生物医学诊断方法，如QDs识别Ag+和Ag NPs，Ag+和C-Ag+-C，Hg2+和T-Hg2+-T等。然而，Ag+不稳定，Hg2+具有毒性，均会影响其应用。在此，本发明旨在基于QDs选择性识别Cu2+和DNA模版Cu NPs的分析方法，以改善分析诊断方法灵敏度，延长溶液信号寿命，增强荧光信号强度(可视化读取)等，对进一步探索其在医学诊断中的新应用是具有重要意义的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于量子点选择性识别反应的生物分析方法及其应用，以解决现有技术中存在的分析方法分析灵敏度有限的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
本发明提供了一种基于量子点选择性识别反应的生物分析方法，所述方法包括基于QDs选择性识别Cu2+和DNA模板Cu NPs，以得到对QDs荧光信号的改变，并基于对QDs荧光信号的改变，得到基于核酸链的目标物的分析结果。
根据一种优选实施方式，所述DNA模板Cu NPs包括聚胸腺嘧啶单链DNA模板CuNPs和双链DNA模板Cu NPs。
根据一种优选实施方式，所述的基于QDs选择性识别Cu2+和DNA模板Cu NPs，以得到对QDs荧光信号的改变包括利用QDs与Cu2+和DNA模板Cu NPs进行选择性阳离子交换反应，基于Cu2+和DNA模板Cu NPs分别以不同程度淬灭QDs荧光信号，以使各体系分别产生明显不同的可视化的颜色改变。
根据一种优选实施方式，其中，在DNA模板Cu NPs与QDs的反应体系中，自DNA模板Cu NPs的浓度大于零起，能够存在对QDs荧光信号的改变。
根据一种优选实施方式，在DNA模板Cu NPs与QDs的反应体系中，随DNA模板Cu NPs浓度的增加，反应体系中的QDs的荧光信号逐渐增强。
根据一种优选实施方式，所述QDs包括CdTe QDs。
根据一种优选实施方式，所述基于核酸链的目标物包括核酸目标物、以核酸链作为识别探针的目标物或者以核酸链作为信号分子的无核酸适配体的目标物。
根据一种优选实施方式，所述核酸目标物包括单链DNA、双链DNA、环状DNA/RNA、miRNA或mRNA；所述以核酸链作为识别探针的目标物包括核酸适配体，所述核酸适配体的目标物质包括但不限于金属离子、阴离子、小分子、氨基酸、药物、蛋白、外泌体、细菌、病毒或细胞。本发明还提供了一种基于量子点选择性识别反应的生物分析方法的应用，所述应用包括将所述的基于量子点选择性识别反应的生物分析方法应用于核酸信号放大策略中，通过合成DNA模板CuNPs并引入QDs，将其作为目标物检测的信号分子。
根据一种优选实施方式，所述应用还包括将所述的基于量子点选择性识别反应的生物分析方法应用于基于核酸探针的生物分析和医学诊断方法中。
基于上述技术方案，本发明提供的一种基于量子点选择性识别反应的生物分析方法及其应用至少具有如下技术效果：
本发明提供的基于量子点选择性识别反应的生物分析方法，通过QDs选择性识别Cu2+和不同DNA模板CuNPs，以得到对QDs荧光信号的改变，并基于对QDs荧光信号的改变，得到基于核酸链的目标物的分析结果。从而通过向DNA模板Cu NPs中引入基于QDs的选择性阳离子交换反应，可以将DNA模板CuNPs-QDs作为信号分子，在生物分析检测过程中可有效提高分析灵敏度。该选择性阳离子交换反应可广泛应用于基于核酸链的目标物的分析领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是基于CdTe QDs选择性识别Cu2+和DNA模板Cu NPs的示意图及可视化图；
图2是T30模板Cu NPs表征及QDs选择性识别现象的示意图；
图3是(AT)15模板Cu NPs表征及QDs选择性识别现象的示意图；
图4是(AT)10模板Cu NPs表征及QDs选择性识别现象的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
下面对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明提供了一种基于量子点选择性识别反应的生物分析方法，该生物分析方法包括基于QDs选择性识别Cu2+和DNA模板Cu NPs，以得到对QDs荧光信号的改变；并基于对QDs荧光信号的改变，得到基于核酸链的目标物的分析结果。优选的，DNA模板Cu NPs包括聚胸腺嘧啶单链DNA模板Cu NPs和双链DNA模板Cu NPs。优选的，基于QDs选择性识别Cu2+和DNA模板Cu NPs，以得到对QDs荧光信号的改变包括利用QDs与Cu2+和DNA模板Cu NPs进行选择性阳离子交换反应。基于Cu2+和DNA模板Cu NPs分别以不同程度淬灭QDs荧光信号，以使各体系分别产生明显不同的可视化的颜色改变。优选的，所述QDs包括CdTe QDs。
图1示出了基于CdTe QDs选择性识别Cu2+和DNA(单链聚T链，双链DNA)模板Cu NPs的示意图及可视化图。如图1所示，在相同Cu2+浓度条件下，Cu2+可完全淬灭QDs的荧光信号，如图1d所示。而聚T链模板Cu NPs(图1b)和dsDNA模板Cu NPs(图1c)只能一定程度上淬灭QDs的荧光信号。而且，如图1右上角所示，聚T链模板Cu NPs和dsDNA模板Cu NPs对QDs荧光信号的改变在紫外灯照射下，均可裸眼读取，即产生可视化的颜色改变，且具有明显的区别。因此，Cu2+和DNA模板Cu NPs分别以不同程度淬灭QDs荧光信号，以使各体系分别产生明显不同的可视化的颜色改变。
优选的，在DNA模板CuNPs与QDs的反应体系中，自DNA模板Cu NPs的浓度大于零起，能够存在对QDs荧光信号的改变。因此，在生物分析检测中，即便，DNA模板Cu NPs的浓度较低，也能够产生显著的QDs荧光信号的改变，因此可有效提高分析灵敏度。优选的，在DNA模板Cu NPs与QDs的反应体系中，随DNA模板Cu NPs浓度的增加，反应体系中的QDs的荧光信号逐渐增强。
下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例1
本实施例提供了CdTe QDs的合成方法。
本实施例的CdTe QDs是采用一锅法合成的，具体如下：
首先，将0.5mmol CdCl2和0.20g柠檬酸三钠溶解在50毫升水中，向以上溶液中加入52μL巯基丙酸(MPA)。使用NaOH溶液，将以上混合物溶液pH调节至10.5。然后，将0.1mmolNa2TeO3和50mg KBH4加入以上溶液中，回流1小时，至溶液呈红色，在紫外灯照射下呈现出强烈的红色荧光。最后，通过沉淀(使用正丙醇)和离心(11000rpm，30分钟)纯化CdTe QDs溶液。以上合成的MPA-CdTe QDs在使用前，保存在4℃温度下。
实施例2
本实施例提供了对不同DNA模板CuNPs的制备方法以及选择性阳离子交换反应条件。具体如下：
将70微升10mmol/L 3-(N-吗啉)丙磺酸(MOPS)缓冲液、20微升不同浓度DNA链(聚T链，dsDNA)振荡混匀，加入40mmol/L 5微升抗坏血酸；振荡30秒；随后加5微升2mmol/L Cu2+，振荡30秒，在室温下，静置反应3分钟；最后使用分子荧光分光光度计检测其荧光信号。
向以上不同DNA链模板Cu NPs溶液中，加入CdTe QDs，室温下，静置反应3分钟。随后，使用分子荧光分光光度计检测其荧光信号变化。
为了详细说明QDs对Cu2+和DNA模板Cu NPs的选择性识别现象，本发明分别选用T30、(AT)15和(AT)10的核酸链生成不同的DNA模板CuNPs，其中，T30、(AT)15和(AT)10的碱基序列如下：
T30：5’-TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT-3’；
(AT)15：5’-AT AT AT AT AT AT AT AT AT AT AT AT AT AT AT-3’；
(AT)10：5’-AT AT AT AT AT AT AT AT AT AT-3’。
以下就不同浓度，不同核酸链模板Cu NPs的性质、荧光信号以及分别对CdTe QDs荧光信号和溶液颜色的影响进行详细说明。
1、T30模板CuNPs荧光信号及其对QDs荧光信号的影响。
如图2所示，其中，图2A示出了T30模板Cu NPs的紫外吸收和荧光发射谱图；图2B示出了Cu2+和T30模板Cu NPs对QDs荧光信号的影响；图2C和图2D示出了不同浓度T30模板CuNPs的荧光信号；图2E和2F示出了不同浓度T30模板CuNPs对QDs荧光信号的影响。误差源于三次以上测量。
首先对T30模板Cu NPs进行了紫外和荧光特征峰形的表征，如图2A所示，330nm和640nm分别为其紫外吸收和荧光发射特征峰。
然后，在相同Cu2+浓度下，分别将Cu2+，T30模板CuNPs加入至QDs中，通过对比其荧光信号变化以考察选择性阳离子交换反应。如图2B所示，可知Cu2+和T30模板Cu NPs均可淬灭QDs，且Cu2+可完全淬灭QDs的荧光信号(其红色荧光全部消失)，而Cu NPs只能部分淬灭QDs(具有部分红色荧光)。在紫外灯下，以上溶液颜色也有显著区别，且趋势相同，可裸眼读取(图2B插图所示)。
为了进一步验证QDs选择性识别现象，并考察QDs的阳离子交换反应能否改善分析性能。首先合成了不同DNA模板浓度的Cu NPs，监测其荧光信号变化。如图2C和2D，可知在100至1000nmol/L浓度范围内，随着T30浓度增加，生成的T30模板Cu NPs溶液的荧光信号在增加，且在100nmol/L浓度以下几乎检测不到荧光信号。因此，当仅仅监测T30模板CuNPs的荧光信号，在荧光信号较低时，会影响分析诊断方法的灵敏度。
然后，向不同DNA模板浓度Cu NPs中加入QDs后监测其荧光信号，发现低至50nmol/L的DNA模板Cu NPs可被检测到，且在0-1000nmol/L浓度范围内，依然随着T30浓度增加，溶液中QDs的荧光信号在显著增加，如图2E和2F所示。由此可知通过对比以上数据，可以得出：①QDs可识别Cu2+和T30模板Cu NPs；②加入QDs后，在低浓度T30时，亦可监测到其荧光信号，因此本发明可有效提高生物分析方法的灵敏度。
2、(AT)15/(AT)10模板Cu NPs荧光信号及其对QDs荧光信号的影响。
如图3所示，其中，图3A示出了(AT)15模板CuNPs的紫外吸收和荧光发射谱图；图2B示出了Cu2+和(AT)15模板Cu NPs对QDs荧光信号的影响；图3C和图3D示出了不同浓度(AT)15模板Cu NPs的荧光信号；图3E和图3F示出了不同浓度(AT)15模板Cu NPs对QDs荧光信号的影响。误差源于三次以上测量。
使用双链DNA为模板合成Cu NPs，并验证其和Cu2+对QDs荧光信号的淬灭作用。如图3A所示，(AT)15链模板Cu NPs的紫外吸收和荧光发射特征峰分别为325nm和612nm。图3B可以看出QDs可有效区分(AT)15链模板CuNPs和Cu2+，且在紫外灯下，可肉眼识别。
通过对比不同浓度(AT)15链模板Cu NPs荧光信号，以及监测不同浓度(AT)15链模板Cu NPs对QDs荧光信号的影响。可以得出在0-1μmol/L浓度范围内，随着(AT)15链模板增加，荧光信号强度在逐渐增加，且仅在10nmol/L时可监测到荧光信号，如图3C和3D所示。而加入QDs后，可明显降低(AT)15链模板浓度，且在0.1nmol/L时就可检测到荧光信号，如图3E和3F。因此可以得出以下结论：①QDs可识别Cu2+和(AT)15链模板Cu NPs；②加入QDs后，在低浓度(AT)15链模板时，亦可监测到其荧光信号，因此使得本发明可有效提高生物分析方法的灵敏度。
3、为了进一步验证选择性识别反应对dsDNA模板Cu NPs的通用性，使用(AT)10链替换以上T30和(AT)15链，进行了详细说明。
如图4所示，其中，图4A示出了(AT)10模版Cu NPs的紫外吸收和荧光发射谱图；图4B示出了Cu2+和(AT)10模版Cu NPs对QDs荧光信号的影响；图4C和4D示出了不同浓度(AT)10模版Cu NPs的荧光信号；图4E和4F示出了不同浓度(AT)10模版Cu NPs对QDs荧光信号的影响。误差源于三次以上测量。
如图4A所示，(AT)10模板Cu NPs的紫外吸收和荧光发射特征峰与(AT)15模板CuNPs相似，分别为328nm和618nm。从图4B可以看出，QDs同样可选择性识别(AT)10模板Cu NPs和Cu2+，且可裸眼识别其颜色变化。然而，在考察不同浓度(AT)10模板Cu NPs荧光信号时，发现要在微摩尔浓度(0.5-5μmol/L)水平才可监测到溶液荧光信号变化。其显著高于(AT)15链为模板时，即不同链长模板链，对Cu NPs荧光信号影响较大(图4C和4D)。此外，改变模板链后，即使加入QDs，其需要比(AT)15高浓度的模板链。如图4E和4F，在0.01μmol/L(AT)10模板链时，才可监测到荧光信号。
由上述内容可知，QDs可选择性识别Cu2+和不同DNA(单链聚T链、双链)模板Cu NPs。同时，基于QDs的选择性阳离子交换反应的引入，可有效降低模板DNA链的浓度。即在生物分析检测中，可有效提高分析灵敏度。
本发明的基于量子点选择性识别反应的生物分析方法，能够通过基于对QDs荧光信号的改变，得到基于核酸链的目标物的分析结果。通过将DNA模板Cu NPs-QDs作为信号分子，可以将其应用于以下分析中：
1、检测核酸目标物，核酸目标物包括但不限于单链DNA、双链DNA、环状DNA/RNA、miRNA以及mRNA。
2、检测以核酸作为识别探针的其他目标物，包括但不限于核酸适配体，核酸适配体的结合目标物包括但不限于金属离子、阴离子、小分子、氨基酸、药物、蛋白、外泌体、细菌、病毒或细胞等。
3、以核酸链作为信号放大手段，并辅助无核酸适配体的目标物的检测。
包括①如抗原检测：
a.使用ELISA识别，在第二抗体上标记碱性磷酸酶等，碱性磷酸酶等催化底物生成还原剂，辅助生成聚T链或者dsDNA模板Cu NPs。
b.在第二抗体上标记核酸链，引发后续信号放大。
c.结合多肽链和核酸适配体，并使用核酸适配体作为信号放大手段。
如基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase)等特异性识别并切割多肽链，其将核酸链和多肽链连接，多肽链作为识别探针，核酸链用于改善分析灵敏度。
本发明还提供了一种基于量子点选择性识别反应的生物分析方法的应用。所述应用包括将所述的基于量子点选择性识别反应的生物分析方法，应用于核酸信号放大策略中，并通过合成DNA模板Cu NPs并引入QDs以作为目标物检测的信号分子。
优选的，以双链DNA模板为例，例如：1.作为PCR核酸放大技术的信号分子，使用CuNPs-QDs替换SYBR Green 1，即PCR适用的体系均可引入本发明的分析方法。2.现有环介导等温扩增反应LAMP(Loop-mediated isothermal amplification)和滚环扩增放大(Rolling Circle Amplification)，亦可引入本发明，将QDs作为信号分子。3.多种无酶核酸信号放大技术：链置换扩增(strand displacement amplification,SDA)，催化发夹组装(catalytic hairpin assembly,CHA)，以及杂交链式反应(Hybridization chainreaction,HCR)等技术，均是通过触发核酸链催化发卡结构核酸链，形成长双链核酸，其双链核酸可以作为合成Cu NPs的模板。即以上核酸放大技术也可与该本发明的QDs选择性识别反应相结合。4.核酸外切酶(exonuclease)，核酸内切酶(endonuclease)等参与的多种现有核酸放大技术，亦可将双链核酸切割成单核苷酸，即可改变双链核酸模板的量，进而影响Cu NPs的生成。
优选的，以聚T链模板为例。例如：1.如使用末端脱氧核苷酸转移酶(terminaldeoxyribonucleotidyl transferase,TdT，简称末端转移酶)，催化底物dTTP，可生成聚T单链核酸，其可作为生成Cu NPs的模板。即TdT酶参与的核酸放大技术，可将该QDs选择性识别现象整合，进而构建一种新型检测方法。优选的，核酸链相似于抗体和多肽，可以作为识别探针，例如核酸适配体或DNA酶(DNAzyme)等。因此，将所述的基于量子点选择性识别反应的生物分析方法，应用于基于核酸探针的生物分析和医学诊断方法中，可改善检测方法的灵敏度，增强检测体系的荧光信号强度，扩展其在医学诊断领域的应用范围。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于量子点选择性识别反应的生物分析方法，其特征在于，所述方法包括基于QDs选择性识别Cu2+和DNA模板Cu NPs以得到对QDs荧光信号的改变，并基于对QDs荧光信号的改变得到基于核酸链的目标物的分析结果。
2.根据权利要求1所述的生物分析方法，其特征在于，所述DNA模板CuNPs包括聚胸腺嘧啶单链DNA模板Cu NPs和双链DNA模板Cu NPs。
3.根据权利要求1所述的生物分析方法，其特征在于，所述的基于QDs选择性识别Cu2+和DNA模板Cu NPs以得到对QDs荧光信号的改变包括利用QDs与Cu2+和DNA模板Cu NPs进行选择性阳离子交换反应，基于Cu2+和DNA模板Cu NPs分别以不同程度淬灭QDs荧光信号，以使各体系分别产生明显不同的可视化的颜色改变。
4.根据权利要求3所述的生物分析方法，其特征在于，其中，在DNA模板Cu NPs与QDs的反应体系中，自DNA模板Cu NPs的浓度大于零起，能够存在对QDs荧光信号的改变。
5.根据权利要求4所述的生物反应方法，其特征在于，在DNA模板Cu NPs与QDs的反应体系中，随DNA模板Cu NPs浓度的增加，反应体系中的QDs的荧光信号逐渐增强。
6.根据权利要求1所述的生物分析方法，其特征在于，所述QDs包括CdTe QDs。
7.根据权利要求1所述的生物分析方法，其特征在于，所述基于核酸链的目标物包括核酸目标物、以核酸链作为识别探针的目标物或者以核酸链作为信号分子的无核酸适配体的目标物。
8.根据权利要求7所述的生物分析方法，其特征在于，所述核酸目标物包括单链DNA、双链DNA、环状DNA/RNA、miRNA或mRNA；所述以核酸链作为识别探针的目标物包括核酸适配体，所述核酸适配体的目标物质包括但不限于金属离子、阴离子、小分子、氨基酸、药物、蛋白、外泌体、细菌、病毒或细胞。
9.一种基于量子点选择性识别反应的生物分析方法的应用，其特征在于，所述应用包括将权利要求1至8任一项所述的基于量子点选择性识别反应的生物分析方法应用于核酸信号放大策略中，通过合成DNA模板Cu NPs，并引入QDs将其作为目标物检测的信号分子。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述应用还包括将所述的基于量子点选择性识别反应的生物分析方法应用于基于核酸探针的生物分析和医学诊断方法中。
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