CN112834465A - SPR生物传感芯片、芯片修饰方法、SARS-CoV-2检测试剂盒和检测方法 - Google Patents

SPR生物传感芯片、芯片修饰方法、SARS-CoV-2检测试剂盒和检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种SPR生物传感芯片、芯片修饰方法、SARS‑CoV‑2检测试剂盒和检测方法，其中，所述SPR生物传感芯片包括芯片基层，所述芯片基层的表面修饰有二硫化钼纳米片，所述二硫化钼纳米片远离所述基层的侧面连接有黑磷纳米片，所述黑磷纳米片与所述二硫化钼纳米片形成黑磷/二硫化钼二维纳米异质结。本发明SARS‑CoV‑2检测试剂盒包括上述SPR生物传感芯片。本发明SPR生物传感芯片提高了检测的灵敏度，特别是SARS‑CoV‑2的检测灵敏度。

Description

SPR生物传感芯片、芯片修饰方法、SARS-CoV-2检测试剂盒和 检测方法
技术领域
本发明涉及生化分析检测技术领域，特别涉及一种SPR生物传感芯片、芯片修饰方法、SARS-CoV-2检测试剂盒和检测方法。
背景技术
表面等离振子共振(SPR)是一种用于实时和无标记监测生物分子相互作用的检测技术。目标分子可以与SPR传感器表面上的受体进行选择性结合，引起SPR传感器的折射率发生变化，通过对折射率变化的测量，实现对多功能目标分析物相互作用的实时检测。SPR测量系统已广泛用于分析不同生物分子之间的相互作用，例如蛋白质-配体，蛋白质-蛋白质或DNA-蛋白质，应用非常广泛。因此，SPR生物传感器的开发一直受到科学界的持续关注。但是，现有的SPR生物传感芯片的灵敏度仍不太高。
2019新型冠状病毒(SARS-CoV-2)在全世界范围内引起了以2019年为开端的冠状病毒病(COVID-19)的爆发，对全世界的公共卫生构成了严重威胁。由于无症状的SARS-CoV-2携带者具有高度传染性，又缺乏适当的检测方法，许多SARS-CoV-2感染患者在被确诊之前已与未感染者接触。在这种严重的情况下，能够快速、准确地识别出SARS-CoV-2感染的患者对于已极为紧缺的医疗资源有着重大的意义。基于逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)的检测方法是目前检测SARS-CoV-2最常用的方法。但是，单次PCR阴性结果并不能完全排除SARS-CoV-2感染，特别是当样本来自上呼吸道的情况下，假阴性率很高。因而，现有的检测方法对SARS-CoV-2的检测仍不够灵敏。
上述内容仅用于辅助理解发明的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种SPR生物传感芯片，旨在提高SPR检测的灵敏度，特别是提高检测SARS-CoV-2的灵敏度。
为实现上述目的，第一方面，本发明提出一种SPR生物传感芯片，所述SPR生物传感芯片包括芯片基层，所述芯片基层的表面修饰有二硫化钼纳米片，所述二硫化钼纳米片远离所述基层的侧面连接有黑磷纳米片，所述黑磷纳米片与所述二硫化钼纳米片形成黑磷/二硫化钼二维纳米异质结。
第二方面，本发明提出一种SPR生物传感芯片修饰方法，包括以下步骤：
(1)将SPR生物传感芯片的芯片基层浸入PEI溶液中孵育、取出和冲洗；
(2)将所述芯片基层浸入二硫化钼纳米片的水分散液中孵育、取出和冲洗；
(3)将所述芯片基层浸入黑磷纳米片的水分散液中孵育、取出和冲洗。
第三方面，本发明提出一种SARS-CoV-2检测试剂盒，所述SARS-CoV-2检测试剂盒包括SPR生物传感芯片，所述SPR生物传感芯片包括芯片基层，所述芯片基层的表面修饰有二硫化钼纳米片，所述二硫化钼纳米片远离所述基层的侧面连接有黑磷纳米片，所述黑磷纳米片与所述二硫化钼纳米片形成黑磷/二硫化钼二维纳米异质结。
可选地，所述SPR生物传感芯片上吸附有检测探针。
可选地，所述检测探针包括DNA探针、RNA探针、多肽探针或者蛋白探针的至少一种。
可选地，所述检测探针用以结合SARS-CoV-2的特征序列。
可选地，所述特征序列包括N蛋白编码基因的开放阅读框的至少部分序列。
第四方面，本发明提出一种SARS-CoV-2检测方法，所述SARS-CoV-2检测方法采用上述SARS-CoV-2检测试剂盒，包括以下步骤：(1)将吸附有检测探针的所述SPR生物传感芯片装载在检测仪内；(2)待测样本接触所述SPR生物传感芯片上的检测探针后，激光对所述SPR生物传感芯片进行扫描，得到扫描图谱，观察并比较扫描图谱中待测样本的扫描曲线。
可选地，所述待测样本包括基因片段、多肽或者蛋白质的至少一种成分。
本发明SPR生物传感芯片包括芯片基层，所述芯片基层的表面修饰有二硫化钼纳米片，所述二硫化钼纳米片远离所述基层的侧面连接有黑磷纳米片，所述黑磷纳米片与所述二硫化钼纳米片形成黑磷/二硫化钼二维纳米异质结。如此，黑磷/二硫化钼二维纳米异质结具有超快的载流子恢复时间和较高的载流子迁移率，可以大幅增强对光子的吸收和提高光生载流子的产生，从而提高了光响应速度，提高了检测的灵敏度。同时，黑磷和二硫化钼是直接带隙材料，分布均匀，稳定性高，使得黑磷/二硫化钼异质结具有更小的噪声电流，降低长波长杂散光产生的噪声，也提高了检测的灵敏度。因此，采用本发明SPR生物传感芯片检测SARS-CoV-2，也提高了检测SARS-CoV-2的灵敏度。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为实施例一中芯片基层未被修饰的SPR生物传感芯片的检测结果；
图2为图1所示结果在曲线拐角处的局部放大图；
图3为实施例一中芯片基层被黑磷/二硫化钼二维纳米异质结修饰过的SPR生物传感芯片的检测结果；
图4为图3所示结果在曲线拐角处的局部放大图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
需要说明，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。
本发明提出一种SPR生物传感芯片，所述SPR生物传感芯片包括芯片基层，所述芯片基层的表面修饰有二硫化钼纳米片，所述二硫化钼纳米片远离所述基层的侧面连接有黑磷纳米片，所述黑磷纳米片与所述二硫化钼纳米片形成黑磷/二硫化钼二维纳米异质结。
在本发明中，所述芯片基层为高透光玻璃且表面具有纳米级贵金属镀层的光学芯片。具体地，所述芯片基层可以通过物理气相沉积(PVD)法在厚度为100μm的高透光玻璃片表面沉积厚度为40～50nm的金镀层制备而得。所述黑磷/二硫化钼二维纳米异质结修饰可以通过层层自组装(layer-by-layer self-assembly，LBL)在所述芯片基层的金镀层表面制备而得。
本发明SPR生物传感芯片包括芯片基层，所述芯片基层的表面修饰有二硫化钼纳米片，所述二硫化钼纳米片远离所述基层的侧面连接有黑磷纳米片，所述黑磷纳米片与所述二硫化钼纳米片形成黑磷/二硫化钼二维纳米异质结。如此，黑磷/二硫化钼二维纳米异质结具有超快的载流子恢复时间和较高的载流子迁移率，可以大幅增强对光子的吸收和提高光生载流子的产生，从而提高了光响应速度，提高了检测的灵敏度。同时，黑磷和二硫化钼是直接带隙材料，分布均匀，稳定性高，使得黑磷/二硫化钼异质结具有更小的噪声电流，降低长波长杂散光产生的噪声，也提高了检测的灵敏度。
本发明还提出一种SPR生物传感芯片修饰方法，包括以下步骤：(1)将SPR生物传感芯片的芯片基层浸入PEI溶液中孵育、取出和冲洗；(2)将所述芯片基层浸入二硫化钼纳米片的水分散液中孵育、取出和冲洗；(3)将所述芯片基层浸入黑磷纳米片的水分散液中孵育、取出和冲洗。
在本发明SPR生物传感芯片修饰方法中，所述SPR生物传感芯片修饰方法的具体步骤包括PEI溶液的制备、二硫化钼纳米片的水分散液的制备、黑磷纳米片的水分散液的制备和层层自组装。
PEI溶液的制备：将10mg的PEI粉末加入10mL去离子水中，室温下充分搅拌20分钟至完全溶解。
二硫化钼纳米片的水分散液的制备：称取50mg二硫化钼粉末晶体，使用玛瑙研钵仔细研磨45至60分钟，研磨期间不断加入纯异丙醇防止氧化；研磨完成后加入50mL纯异丙醇，使用200W超声探头，在冰水浴条件下对分散液进行超声处理10小时；随后，将溶液转移至1.5mL微量离心管中，10000rpm室温离心15分钟，沉淀即为二硫化钼纳米片；将二硫化钼纳米片重新溶于50mL的去离子水中，二硫化钼纳米片的水分散液制备完成，4℃保存备用。在此制备过程中，纯N-甲基吡咯烷酮(NMP)可以替代纯异丙醇使用。
黑磷纳米片的水分散液的制备：称取50mg黑磷块状晶体，使用玛瑙研钵仔细研磨45至60分钟，研磨期间不断加入纯异丙醇防止氧化；研磨完成后加入50mL纯异丙醇，使用200W超声探头，在冰水浴条件下对分散液进行超声处理10小时；随后，将溶液转移至1.5mL微量离心管中，8000rpm室温离心15分钟，沉淀即为黑磷纳米片；将黑磷纳米片重新溶于50mL的去离子水中，黑磷纳米片的水分散液制备完成，4℃下保存备用。在此制备过程中，纯N-甲基吡咯烷酮(NMP)可以替代纯异丙醇使用。
层层自组装：将SPR生物传感芯片浸入PEI溶液中，室温下孵育30分钟，使芯片表面铺覆一层带有正电荷PEI聚合物涂层；随后取出SPR生物传感芯片，使用去离子水仔细冲洗，再将芯片浸入二硫化钼纳米片的水分散液中，室温下摇匀孵育30分钟，使芯片表面铺覆一层带有负电荷的二硫化钼纳米片涂层；随后再次取出SPR生物传感芯片，使用去离子水仔细冲洗，再将芯片浸入黑磷纳米片的水分散液中，室温下摇匀孵育30分钟，使芯片表面铺覆一层带有负电荷的黑磷纳米片涂层；最后，将SPR生物传感芯片使用氮气吹干，层层自组装完成，避光室温保存备用。
本发明还提出一种SARS-CoV-2检测试剂盒，该SARS-CoV-2检测试剂盒包括SPR生物传感芯片，所述SPR生物传感芯片包括芯片基层，所述芯片基层的表面修饰有二硫化钼纳米片，所述二硫化钼纳米片远离所述基层的侧面连接有黑磷纳米片，所述黑磷纳米片与所述二硫化钼纳米片形成黑磷/二硫化钼二维纳米异质结。由于SARS-CoV-2检测试剂盒采用了所述SPR生物传感芯片，因此至少具有所述SPR生物传感芯片所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
在本发明SARS-CoV-2检测试剂盒中，所述SPR生物传感芯片上可以吸附有检测探针，这样检测者可以直接使用所述SPR生物传感芯片对待测样本进行检测。所述SPR生物传感芯片上也可以不吸附有检测探针，这样检测者可以根据实际需求，自行设计和合成检测探针，并进行待测样本的检测。所述检测探针可以带正电荷(例如在5’端修饰胺基而引入正电荷)，所述黑磷/二硫化钼二维纳米异质结表面带有强烈负电荷，所述检测探针可以通过静电吸附与黑磷/二硫化钼二维纳米异质结相结合。
所述检测探针的种类具有多种。所述检测探针包括DNA探针、RNA探针、多肽探针或者蛋白探针的至少一种。DNA探针是最常用的核酸探针，可以通过碱基互补配对与待测样本中的非标记单链DNA或RNA结合。同理，RNA探针也可以通过碱基互补配对与待测样本中的非标记单链DNA或RNA结合。现有技术中已经研发出多肽探针可用于疾病的检测，尤其是在癌症诊断方面彰显很强的优越性。抗原抗体的特异性结合是应用非常广泛的蛋白-蛋白结合检测方式，本发明SPR生物传感芯片也可以吸附有蛋白探针，实现蛋白-蛋白的结合检测。DNA/RNA与多肽或者蛋白的结合越来越多地被报道。本发明对上述提及的多种检测探针与待测样本的结合方式均不做限定。
所述检测探针用以结合SARS-CoV-2的特征序列。可选地，所述特征序列包括N蛋白编码基因的开放阅读框的至少部分序列。所述SARS-CoV-2的特征序列是SARS-CoV-2区别于其他种类冠状病毒的特异性序列。现有研究已经报道，SARS-CoV-2的N蛋白编码基因的开放阅读框属于SARS-CoV-2的特征序列。
本发明还提出一种SARS-CoV-2检测方法，所述SARS-CoV-2检测方法采用上述SARS-CoV-2检测试剂盒，包括以下步骤：(1)将吸附有检测探针的所述SPR生物传感芯片装载在检测仪内；(2)待测样本接触所述SPR生物传感芯片上的检测探针后，激光对所述SPR生物传感芯片进行扫描，得到扫描图谱，观察并比较扫描图谱中待测样本的扫描曲线。
在本发明SARS-CoV-2检测方法中，所述检测仪为SPR光学检测传感仪，所述SPR光学检测传感仪通过扫描并测定各角度反射光光强的方式检测SPR角，扫描角度范围可以为50°～72°。光路系统通过振镜座角度扫描时，光线入射到所述SPR生物传感芯片上的角度会发生相应变化，若发生SPR效应，出射到所述SPR生物传感芯片的光线则会出现强弱变化，从而得到SPR共振曲线。
可选地，所述待测样本包括基因片段、多肽或者蛋白质的至少一种成分。基因片段、多肽和蛋白质均可用于特异性结合检测，具体原理请参阅上文，不再赘述。有研究表明，SARS-CoV-2来源于蝙蝠，且该病毒所属的冠状病毒亚型自20世纪40年代以来一直在蝙蝠群体中传播扩散。也有报道发现老虎、狮子甚至患者家中的猫被发现感染了SARS-CoV-2。在实验室实验中发现，猫、果蝠(Rousettus aegyptiacus)、雪貂、恒河猴和仓鼠均对SARS-CoV-2敏感。考虑到SARS-CoV-2病毒广泛的感染性，所述待测样本可以为啮齿类动物、非啮齿类动物或人类患者的含有特异性基因片段、多肽或者蛋白质至少一种成分的溶液、细胞、组织(例如血液)或者分泌物(例如咽拭子、鼻拭子)。
实施例一、SARS-CoV-2检测试剂盒和检测方法检测SARS-CoV-2
本实施例采用DNA探针进行检测，所述DNA探针可以结合中美两国疾控中心(CDC)指导推荐的特征序列，所述特征序列的序列如SEQ ID NO：1～6所示，具体序列请参阅表1。
表1中美两国疾控中心指导推荐的特征序列
Figure BDA0002949365740000071
人工合成所述DNA探针，并将5’端修饰有胺基的所述DNA探针使用TAE缓冲液配置成100μM的溶液。取100μL的所述DNA探针溶液，分别滴加至本发明SPR生物传感芯片(芯片基层已被黑磷/二硫化钼二维纳米异质结修饰)和现有的SPR生物传感芯片(芯片基层未被黑磷/二硫化钼二维纳米异质结修饰)的表面，4℃下摇匀孵育4小时。随后取出两种所述SPR生物传感芯片，使用去离子水仔细冲洗，最后用氮气吹干，避光室温保存备用。
构建假病毒样本，将所述假病毒样本溶液加热至56℃，保持30分钟，灭活所述假病毒样本的功能蛋白。随后将所述假病毒样本转移至微量离心管，16000rpm，离心20分钟，吸取100μL上清液，将所述上清液使用去DNA/RNA酶水配制成一系列不同浓度的待测样本溶液。
将吸附有所述DNA探针的所述SPR生物传感芯片装载在所述SPR光学检测仪内。使用微量蠕动泵将一系列不同浓度的所述待测样本溶液以2mL/min的流速泵入样本流通池。使用650nm激光全角度扫描模式对所述SPR生物传感芯片进行扫描，对得到的扫描共振图谱进行比较和分析。
中美两国疾控中心(CDC)指导推荐的特征序列为六种，本实施例均对应合成相应的所述DNA探针，并进行检测。因为六种所述DNA探针得到的扫描共振图谱的结果为一致，所以只展示一种所述DNA探针的结果。请参阅图1至图4，图1为芯片基层未被黑磷/二硫化钼二维纳米异质结修饰的SPR生物传感芯片的扫描图谱，图2为图1所示结果在曲线拐角处的局部放大图，图3为芯片基层被黑磷/二硫化钼二维纳米异质结修饰的SPR生物传感芯片的扫描图谱，图4为图3所示结果在曲线拐角处的局部放大图。
请参阅图1和图3，图1的曲线拐角(曲线最低点)相比图3的曲线拐角(曲线最低点)更加平缓，也即图3的曲线拐角相比图1的曲线拐角更加尖锐。这样，图3的不同浓度样本之间的检测结果更容易区分，本发明SPR生物传感芯片的结果曲线相比现有的SPR生物传感芯片的结果曲线更容易被区分，更利于结果的分辨和分析。
请参阅图2，图2中拐角左边的曲线，由下往上依次为空白对照(水)、30pmol/L、50pmol/L、70pmol/L、90pmol/L、110pmol/L、130pmol/L、150pmol/L、170pmol/L和190pmol/L样本浓度的检测曲线。请参阅图4，图4中拐角左边的曲线，由下往上依次为空白对照(水)、0.3pmol/L、0.4pmol/L、0.5pmol/L、0.6pmol/L、0.7pmol/L、0.8pmol/L、0.9pmol/L、1.0pmol/L、1.1pmol/L、1.2pmol/L和1.3pmol/L样本浓度的检测曲线。由上结果可知，现有的SPR生物传感芯片的最低检测下限为30pmol/L，本发明SPR生物传感芯片的最低检测下限达到0.3pM，比现有技术的灵敏度提高了100倍。同时，现有的SPR生物传感芯片的浓度分辨率为20pmol/L，本发明SPR生物传感芯片的浓度分辨率为0.1pmol/L，比现有技术的分辨率提高了200倍。以上结果说明本发明SPR生物传感芯片显著降低了样本浓度的检测下限，以及提高了样本浓度的检测分辨率，本发明SPR生物传感芯片的检测灵敏度显著性高于现有技术。并且，本发明SPR生物传感芯片将商业化SPR设备的检测灵敏度提升至亚pmol/L级别。
请参阅图2和图4，图2中曲线不够平滑，锯齿状比较严重，说明信噪比(signal-to-noise ratio)较小；图4中的曲线比较平滑，锯齿状比较弱，说明信噪比较大。这说明本发明SPR生物传感芯片的SPR相比现有技术，传感信号得到明显增强，信噪比得到明显改善，再次说明本发明SPR生物传感芯片的检测灵敏度比较高。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
SEQUENCE LISTING
<110> 深圳罗兹曼国际转化医学研究院
<120> SPR生物传感芯片、芯片修饰方法、SARS-CoV-2检测试剂盒和检测方法
<130>
<160> 6
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 28
<212> DNA
<213> SARS-CoV-2
<400> 1
ccgtctgcgg tatgtggaaa ggttatgg 28
<210> 2
<211> 20
<212> DNA
<213> SARS-CoV-2
<400> 2
ttgctgctgc ttgacagatt 20
<210> 3
<211> 21
<212> DNA
<213> SARS-CoV-2
<400> 3
agatgtcttg tgctgccggt a 21
<210> 4
<211> 24
<212> DNA
<213> SARS-CoV-2
<400> 4
accccgcatt acgtttggtg gacc 24
<210> 5
<211> 23
<212> DNA
<213> SARS-CoV-2
<400> 5
acaatttgcc cccagcgctt cag 23
<210> 6
<211> 24
<212> DNA
<213> SARS-CoV-2
<400> 6
aycacattgg cacccgcaat cctg 24

Claims (9)

1.一种SPR生物传感芯片，其特征在于，所述SPR生物传感芯片包括芯片基层，所述芯片基层的表面修饰有二硫化钼纳米片，所述二硫化钼纳米片远离所述基层的侧面连接有黑磷纳米片，所述黑磷纳米片与所述二硫化钼纳米片形成黑磷/二硫化钼二维纳米异质结。
2.一种SPR生物传感芯片修饰方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将SPR生物传感芯片的芯片基层浸入PEI溶液中孵育、取出和冲洗；
(2)将所述芯片基层浸入二硫化钼纳米片的水分散液中孵育、取出和冲洗；
(3)将所述芯片基层浸入黑磷纳米片的水分散液中孵育、取出和冲洗。
3.一种SARS-CoV-2检测试剂盒，其特征在于，所述SARS-CoV-2检测试剂盒包括SPR生物传感芯片，所述SPR生物传感芯片包括芯片基层，所述芯片基层的表面修饰有二硫化钼纳米片，所述二硫化钼纳米片远离所述基层的侧面连接有黑磷纳米片，所述黑磷纳米片与所述二硫化钼纳米片形成黑磷/二硫化钼二维纳米异质结。
4.如权利要求3所述的SARS-CoV-2检测试剂盒，其特征在于，所述SPR生物传感芯片上吸附有检测探针。
5.如权利要求4所述的SARS-CoV-2检测试剂盒，其特征在于，所述检测探针包括DNA探针、RNA探针、多肽探针或者蛋白探针的至少一种。
6.如权利要求4所述的SARS-CoV-2检测试剂盒，其特征在于，所述检测探针用以结合SARS-CoV-2的特征序列。
7.如权利要求6所述的SARS-CoV-2检测试剂盒，其特征在于，所述特征序列包括N蛋白编码基因的开放阅读框的至少部分序列。
8.一种SARS-CoV-2检测方法，其特征在于，所述SARS-CoV-2检测方法采用如权利要求3所述的SARS-CoV-2检测试剂盒，包括以下步骤：
(1)将吸附有检测探针的所述SPR生物传感芯片装载在检测仪内；
(2)待测样本接触所述SPR生物传感芯片上的检测探针后，激光对所述SPR生物传感芯片进行扫描，得到扫描图谱，观察并比较扫描图谱中待测样本的扫描曲线。
9.如权利要求8所述的SARS-CoV-2检测方法，其特征在于，所述待测样本包括基因片段、多肽或者蛋白质的至少一种成分。
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