CN113005180A - 磁性sers生物传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种磁性SERS生物传感器，可同时检测mRNA和miRNA等多种生物标志物。所述SERS生物传感器由Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒(Fe3O4@SiO2MNPs)、捕获探针DNA(CP)和SERS纳米标签(Au@AgNPs)组成。体系中加入靶标RNA后，捕获探针CP可与靶标RNA杂交形成DNA‑RNA异源双链体，被DSN酶特异性切割，使SERS纳米标签从Fe3O4@SiO2MNPs表面脱离。与此同时，靶标RNA被释放并随后参与下一轮靶标循环切割反应中，从而引起SERS信号衰减。本发明方法简单、经济、快捷，适用于多种RNA的检测，在同时检测生物标志物方面拥有巨大潜力。实验结果表明，该平台在1小时的总孵育时间内，对于p21mRNA和miRNA‑21的检测限达到fM浓度水平。
Description
技术领域
本发明属于生物传感器制备技术领域，具体涉及一种新型磁性SERS生物传感器，可用于同时检测mRNA和miRNA等多种生物标志物。该传感器在生物医学领域有着广泛的应用前景。
背景技术
MicroRNA(miRNA)在许多生物学过程中起着至关重要的作用，例如细胞分化，细胞凋亡和癌症的发展。此外，已有研究结果表明，超过80％的人类肿瘤中存在miRNA-21过表达，而正常细胞中不存在。由于miRNA体积小、丰度低，其检测是一个具有挑战性的问题。除了miRNA外，mRNA可以翻译成蛋白质，蛋白质也被认为是在各种肿瘤中过表达的重要生物标志物。
一些检测miRNAs的新技术已经开发出来，例如实时定量荧光PCR扩增、表面增强拉曼光谱(SERS)、电化学、比色法和荧光成像检测平台。其中，基于SERS的生物传感器具有成本效益高、灵敏度高、操作简单、甚至可以单分子检测等优点，具有广阔的应用前景。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出了一种磁性SERS生物传感器，可以用于同时检测癌细胞中mRNA和miRNA等多种生物标志物，并且操作简单，具有较高的灵敏性和特异性。
为了实现本发明的目的，一方面，本发明提出一种同时检测多个靶标的磁性SERS生物传感器，包括Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒、多种捕获探针DNA和多种Au@Ag纳米颗粒，所述Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒与所述Au@Ag纳米颗粒分别与捕获探针DNA共价连接；其中不同Au@Ag纳米颗粒包含不同拉曼报告分子，所述拉曼报告分子位于Au@Ag纳米颗粒的核壳之间，每种拉曼报告分子和每种捕获探针DNA分别对应于一种靶标。
在一些实施例中，所述拉曼报告分子选自对氨基苯硫酚(4-ATP)、二硫代双硝基苯甲酸(DTNB)、罗丹明6G(R6G)、结晶紫(CV)、孔雀石绿(MG)或4，4’-联吡啶(44DP)。
在一些实施例中，所述Au@Ag纳米颗粒通过Au-S键与所述捕获探针DNA共价连接。
在一些实施例中，所述Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒通过羧化反应与所述捕获探针DNA共价连接。
另一方面，本发明提出一种所述磁性SERS生物传感器的制备方法，包括：
将金纳米颗粒分别与不同拉曼报告分子共同孵育，然后在金纳米颗粒的表面上形成银壳，得到分别包含不同拉曼报告分子的多种Au@Ag纳米颗粒；
将多种Au@Ag纳米颗粒分别与不同捕获探针DNA的一端共价连接，得到多种捕获探针DNA-Au@Ag纳米颗粒复合物，将所述复合物混合并将捕获探针DNA的另一端共价连接到Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒。
在一些实施例中，通过将所述Au@Ag纳米颗粒与捕获探针DNA一起孵育以使所述Au@Ag纳米颗粒通过Au-S键与所述捕获探针DNA共价连接。
在一些实施例中，所述方法包括将所述Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒羧基化后进一步将羧基活化，然后将所述Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒与捕获探针DNA-Au@Ag纳米颗粒复合物一起孵育以形成共价连接。
又一方面，本发明提出一种利用所述磁性SERS生物传感器检测样品中多个靶标的方法，包括：
将样品和SERS生物传感器加入含有双链特异性核酸酶(DSN)的缓冲溶液中，在50-60℃下孵育0.5-2小时，洗涤SERS生物传感器并分散到溶液中进行表面增强拉曼光谱检测。
在一些实施例中，双链特异性核酸酶DSN的量为1-5U/mL，优选为3U/mL。
在一些实施例中，所述靶标包括多种mRNA或miRNA。
在磁性SERS生物传感器中，Fe3O4@SiO2MNPs具有优异的浓缩能力，可以提高传感器的重现性和灵敏度；Au@AgNPs纳米颗粒存在热点，具有优异的SERS性能；Au@AgNPs纳米颗粒中间包裹拉曼报告分子，保证拉曼报告分子的浓度及稳定性；Au@AgNPs纳米标签和Fe3O4@SiO2MNPs通过Au-S键和羧化反应分别共价连接到CP的3′-和5′-末端，保证连接效率。
本发明的生物传感器具有高特异性，能区分RNA序列中的单个碱基，可以检测真实肿瘤细胞系中的RNA，达到实际应用的价值。
与现有技术相比，本发明的磁性SERS生物传感器具有以下的有益效果：
基于稳定的Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒(MNPs)和SERS纳米标签及双链特异性核酸酶信号放大机制，我们开发了一种超灵敏磁性SERS生物传感器，用于同时检测mRNA和miRNA等多种生物标志物。本发明采用表面增强拉曼光谱(SERS)分析技术，具有成本低、易操作、灵敏度高、甚至可以单分子检测等优势；所用的分离基底Fe3O4@SiO2 MNPs具有廉价、稳定、分离效果好等特点；同时，为了提高RNA的检测灵敏度，双链特异性核酸酶(DSN)被用于建立一种新的检测RNA的信号放大机制，具有高特异性、超灵敏性、无需RNA扩增就能实现信号放大。该发明所制备的磁性SERS生物传感器能够实现多种生物标记物的同时检测，且拥有较高的灵敏性和特异性，因此在生物标志物检测方面有巨大潜力。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1为本发明实施例中磁性生物传感器的制备示意图。
图2为本发明实施例中所制备的Fe3O4和Fe3O4@SiO2微球透射电镜图和XRD图谱。
图3为本发明实施例中所制备的AuNPs和Au@AgNPs透射电镜图和紫外吸收光谱图。
图4为本发明实施例中所制备的磁性SERS生物传感器的透射电镜图。
图5为本发明实施例1中所制备的磁性SERS生物传感器用于检测p21mRNA的拉曼图谱，其中p21 mRNA的浓度为1fM至1nM。
图6为本发明实施例2中所制备的磁性SERS生物传感器用于检测miRNA-21的拉曼图谱，其中miRNA-21的浓度为1fM至1nM。
图7为本发明实施例3中所制备的磁性SERS生物传感器用于同时检测p21 mRNA和miRNA-21的拉曼图谱，其中p21 mRNA和miRNA-21的浓度为1fM至1nM。
图8为本发明实施例4中所制备的磁性SERS生物传感器用于检测真实癌症细胞中的RNA的拉曼图谱。
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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明实施例提供了一种磁性SERS生物传感器，包括Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒(MNPs)、捕获探针DNA(CP)和SERS纳米标签Au@AgNPs。
如图1所示，本发明实施例中磁性SERS生物传感器的制备方法包括：
在金纳米颗粒(AuNPs)上分别固定拉曼报告分子对氨基苯硫酚(4-ATP)和二硫代双硝基苯甲酸(DTNB)，随后在AuNPs的表面上形成银壳，制备得到包含不同拉曼报告分子的Au@AgNPs SERS纳米标签。
将Au@AgNPs SERS纳米标签和Fe3O4@SiO2微球通过Au-S键和羧化反应分别共价连接到捕获探针CP的3′-和5′-末端，获得磁性SERS生物传感器。
在本发明实施例中，所述磁性SERS生物传感器中Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒(MNPs)通过以下制备方法获得：
(1)通过溶剂热反应法合成磁性Fe3O4纳米粒子
通常，室温环境下将1.35g的FeCl3·6H2O和3.6g的乙酸钠加入到40mL乙二醇中磁力搅拌1小时。随后，将均匀的黄色溶液转移到不锈钢高压釜(容量为50mL)中，并在200℃条件反应12小时，将制备的产物冷却至室温。获得的Fe3O4MNPs分别用乙醇和超纯水洗涤四次。最后，将获得的产物在真空中干燥12小时。对所得材料进行结构表征测试。
(2)制备核壳Fe3O4@SiO2微球
通常，取0.10g Fe3O4颗粒溶于50mL(0.1M)的HCl水溶液中超声处理10min，之后收集磁铁颗粒用去离子水洗涤，再均匀分散在80mL乙醇溶液，浓氨水溶液(1.0mL，28wt.％)和20mL去离子水，然后加入0.03g原硅酸四乙酯(TEOS，0.144mmol)。在室温下搅拌6h，最后，分离出Fe3O4@SiO2MNPs并用乙醇和水洗涤。
图2为本发明实施例中所制备的Fe3O4和Fe3O4@SiO2微球透射电镜图和XRD图谱。从图2证实Fe3O4颗粒合成均匀的球形结构且直径约为400nm，Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒的透射图像得出几乎所有SiO2外壳成功的包裹在Fe3O4颗粒表面，形成了典型的核-壳结构，且外壳表面清晰可见。XRD进一步鉴定了Fe3O4和Fe3O4@SiO2颗粒的成分和相结构。
在本发明实施例中，所述磁性SERS生物传感器中SERS纳米标签(Au@AgNPs)通过以下制备方法获得：
(1)通过柠檬酸钠还原法合成直径约为23nm的金纳米颗粒(AuNPs)
首先，将100mL 0.01％(w/v)的HAuCl4溶液加热至沸腾并快速搅拌，然后将1.5mL的1％(w/v)的柠檬酸三钠溶液快速加入到沸腾溶液中。将溶液在快速搅拌下持续加热约15min，溶液的颜色由黄色变成红色。最后，在剧烈搅拌下将胶体溶液冷却至室温，保存备用。
(2)包含拉曼报告分子(4-ATP和DTNB)的Au@AgNPs SERS纳米标签的制备如下：
将100μL的1mM 4-ATP和DTNB溶液分别添加入制备好的AuNPs(10mL)溶液中，终浓度为10μM。室温下孵育2h后，以8000rpm的速度离心10min去除多余的拉曼报告分子，所得产物重新分散在10mL超纯水中。随后，为了在AuNPs的表面上形成银壳，将1.5mL(0.1M)抗坏血酸AA和2mL(1mM)AgNO3溶液添加到准备好的AuNPs(10mL)溶液中，并将溶液搅拌20min进行反应。最后，获得分别包含不同拉曼报告分子(4-ATP和DTNB)的Au@AgNPs。
图3为本发明实施例中所制备的AuNPs和Au@AgNPs透射电镜图和紫外吸收光谱图。从图3的透射图像得出合成均匀的金纳米颗粒(AuNPs)，直径大约为23nm。通过种子介导法合成Au@AgNPs，通过透射图像分析得出银壳的厚度估计为8nm。紫外吸收光谱表明Au在520nm处的吸收峰消失，并且8nm厚度的银壳在400nm处出现了新的吸收峰。这些结果证实了Au@AgNPs的成功合成。
在本发明实施例中，新型磁性SERS生物传感器的制备方法如下：
Au@AgNPs纳米标签和Fe3O4@SiO2 MNPs共价连接到捕获探针CP的3′-和5′-末端
p21mRNA探针：NH2-TTTTTT CGC TGC AGG ACA CAT GGG GAG CCG AGG CAG CGTTTTTT-SH；
miRNA-21探针：NH2-TTTTTT CAA CAT CAG TCT GAT AAG CTA TTTTTT-SH
首先，将10μM CP溶液(p21 mRNA探针和miRNA-21探针)在90℃加热5min并缓慢冷却至室温进行预处理。两种CP溶液分别添加到100μL Au@AgNPs溶液中，并在室温下孵育12h以形成两种CP-Au@AgNPs。随后，将Fe3O4@SiO2 MNPs在100mM 11-巯基十一烷酸(MUA)和100mM11-巯基-1-十一醇(MU)的溶液中孵育过夜进行羧基化，然后将Fe3O4@SiO2 MNPs与50mM N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)和50mM 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐(EDC)溶液孵育，活化Fe3O4@SiO2 MNPs表面的羧基。最后，将制备的两种CP-Au@AgNPs溶液混合并添加到含有0.3M氯化钠，300μL PBS(磷酸盐缓冲液)修饰Fe3O4@SiO2 MNPs溶液(100μL，1mg/mL)中。将上述混合物在27℃孵育10h。固定后，将所得产物用PBS洗涤3次，然后溶于500μL的PBS溶液中。
图4为本发明实施例中所制备的磁性SERS生物传感器的透射电镜图。从图中可以看出，Au@AgNPs纳米标签富集在Fe3O4@SiO2磁性颗粒周围，表明两者共价连接到捕获探针CP的3′-和5′-末端，成功制备出磁性SERS生物传感器。
在本发明实施例中，所述反应中拉曼报告分子的浓度优选为10μM。
在本发明实施例中，所述RNA检测反应的孵育温度优选为55℃；所述反应的时间优选为1小时，所述双链特异性核酸酶DSN(购于俄罗斯Evrogen公司)的量优选为每毫升3单位(U)。
在本发明实施例中，所述反应中RNA的浓度变化范围优选为1fM至1nM。
在检测反应体系中加入靶标RNA后，捕获探针CP可与靶标RNA杂交形成DNA-RNA异源双链体，被DSN酶特异性切割，使SERS纳米标签从Fe3O4@SiO2 MNPs表面脱离。与此同时，靶标RNA被释放并随后参与下一轮靶标循环切割反应中，从而引起SERS信号衰减。
实施例1
本实施例按照图1所示的路线制备磁性SERS生物传感器。
Au@AgNPs SERS纳米标签中包含的拉曼报告分子为4-ATP。需要说明的是，检测p21mRNA时的拉曼报告分子并不限于4-ATP，还可以选用DTNB、罗丹明6G、结晶紫等其他拉曼报告分子，只需确保一种拉曼报告分子和一种捕获探针仅与一种靶标对应即可。
本实施例1中包含报告分子4-ATP的Au@AgNPs纳米标签和Fe3O4@SiO2 MNPs分别共价连接到捕获探针CP的3′-和5′-末端，成功制备磁性SERS生物传感器。
使用磁性SERS生物传感器检测p21mRNA：
p21 mRNA定量测定步骤如下：在100μL反应溶液中进行p21 mRNA的SERS检测，反应溶液包括1×DSN主缓冲液(50mM Tris-HCl，pH 7.5)、5mM MgCl2、0.3U DSN、20μL Fe3O4@SiO2@SERS纳米标签(1mg/mL)。首先，将不同浓度的p21 mRNA加入100μL反应溶液中，并与0.3U DSN在55℃下孵育1小时。随后，用PBS缓冲液洗涤四次并收集磁性SERS生物传感器，然后将其分散在PBS缓冲液中以进行SERS检测。其中p21 mRNA的浓度在1fM至1nM的范围内变化。4-ATP标记的SERS纳米标签用于p21 mRNA的检测。
图5本发明实施例1定量检测p21 mRNA的拉曼图谱，从图中可以得出，随着p21mRNA浓度的升高，拉曼强度显著降低。
实施例2
本实施例按照图1所示的路线制备磁性SERS生物传感器。
Au@AgNPs SERS纳米标签中包含的拉曼报告分子为DTNB。
本实施例2中包含报告分子DTNB的Au@AgNPs纳米标签和Fe3O4@SiO2 MNPs共价连接到捕获探针CP的3′-和5′-末端，成功制备磁性SERS生物传感器。
使用磁性SERS生物传感器检测miRNA-21：
miRNA-21定量测定步骤如下：在100μL反应溶液中进行miRNA-21的SERS检测，反应溶液包括1×DSN主缓冲液(50mM Tris-HCl，pH 7.5)、5mM MgCl2、0.3U DSN、20μL Fe3O4@SiO2@SERS纳米标签(1mg/mL)。首先，将不同浓度的miRNA-21加入100μL反应溶液中，并与0.3U DSN在55℃下孵育1小时。随后，用PBS缓冲液洗涤四次并收集磁性SERS生物传感器，然后将其分散在PBS缓冲液中以进行SERS检测。其中miRNA-21的浓度在1fM至1nM的范围内变化。DTNB标记的SERS纳米标签用于miRNA-21的检测。
图6本发明实施例2定量检测miRNA-21的拉曼图谱，从图中可以得出，随着miRNA-21浓度的升高，拉曼强度显著降低。
实施例3
本实施例按照图1所示的路线制备磁性SERS生物传感器。
Au@AgNPs SERS纳米标签中包含的两种拉曼报告分子4-ATP和DTNB。
本实施例中包含两种报告分子4-ATP和DTNB的Au@AgNPs纳米标签和Fe3O4@SiO2MNPs共价连接到捕获探针CP的3′-和5′-末端，成功制备磁性SERS生物传感器。
使用磁性SERS生物传感器同时检测p21 mRNA和miRNA-21：
同时检测p21 mRNA和miRNA-21步骤如下：在100μL反应溶液中进行p21 mRNA和miRNA-21的SERS检测，反应溶液包括1×DSN主缓冲液(50mM Tris-HCl，pH 7.5)、5mMMgCl2、0.3U DSN、20μL Fe3O4@SiO2@SERS纳米标签(1mg/mL)。首先，将不同浓度的p21 mRNA和miRNA-21分别加入100μL反应溶液中，并与0.3U DSN在55℃下孵育1小时。随后，用PBS缓冲液洗涤四次并收集磁性SERS生物传感器，然后将其分散在PBS缓冲液中以进行SERS检测。其中p21 mRNA和miRNA-21的浓度保持一致，均在1fM至1nM的范围内变化。4-ATP标记的SERS纳米标签用于p21 mRNA的检测，DTNB标记的SERS纳米标签用于miRNA-21的检测。
图7本发明实施例3定量检测p21 mRNA和miRNA-21的拉曼图谱，从图中可以得出，随着p21 mRNA和miRNA-21浓度的升高，拉曼强度显著降低。
实施例4
本实施例按照图1所示的路线制备磁性SERS生物传感器。
Au@AgNPs SERS纳米标签中包含的两种拉曼报告分子4-ATP和DTNB。
本实施例中包含两种报告分子4-ATP和DTNB的Au@AgNPs纳米标签和Fe3O4@SiO2MNPs共价连接到捕获探针CP的3′-和5′-末端，成功制备磁性SERS生物传感器。
非小细胞肺癌细胞系(A549)，人肾上皮细胞系(293T)和人宫颈癌细胞系(HeLa)三种人类细胞系来制备生物学样品总RNA。
使用磁性SERS生物传感器检测癌细胞系中的p21 mRNA和miRNA-21：
检测癌细胞系RNA的步骤如下：在100μL反应溶液中进行癌细胞系RNA的SERS检测，反应溶液包括1×DSN主缓冲液(50mM Tris-HCl，pH 7.5)、5mM MgCl2、0.3U DSN、20μLFe3O4@SiO2@SERS纳米标签(1mg/mL)。首先，将三种不同细胞系RNA分别加入100μL反应溶液中，并与0.3U DSN在55℃下孵育1小时。随后，用PBS缓冲液洗涤四次并收集磁性SERS生物传感器，然后将其分散在PBS缓冲液中以进行SERS检测。4-ATP标记的SERS纳米标签用于p21mRNA的检测，DTNB标记的SERS纳米标签用于miRNA-21的检测。
图8本发明实施例4应用于真实的生物样品检测，分别使用了三种细胞系，非小细胞肺癌细胞系(A549)，人肾上皮细胞系(293T)和人宫颈癌细胞系(HeLa)用于检测p21 mRNA和miRNA-21。实验结果表明，该磁性SERS传感器能够区别不同癌症细胞系中的RNA的表达水平。通过与传统技术qPCR结果对比，甚至能够定量RNA的浓度。
由以上实施例可知，本发明了一种磁性SERS生物传感器，可同时检测mRNA和miRNA。该SERS生物传感器由Fe3O4@SiO2 MNPs、捕获探针DNA(CP)和SERS纳米标签(Au@AgNPs)组成。本发明通过改变捕获探针CP的种类，可以实现多种RNA的检测。本发明方法简单、经济、快捷，在同时检测多种生物标志物方面具有巨大潜力。实验结果表明，该SERS生物传感器在1小时的总孵育时间内，对于p21 mRNA和miRNA-21的检测限达fM浓度水平。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种同时检测多个靶标的磁性SERS生物传感器，包括Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒、多种捕获探针DNA和多种Au@Ag纳米颗粒，所述Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒与所述Au@Ag纳米颗粒分别与捕获探针DNA共价连接；其中不同Au@Ag纳米颗粒包含不同拉曼报告分子，所述拉曼报告分子位于Au@Ag纳米颗粒的核壳之间，每种拉曼报告分子和每种捕获探针DNA分别对应于一种靶标。
2.根据权利要求1所述的磁性SERS生物传感器，其中，所述拉曼报告分子选自对氨基苯硫酚(4-ATP)、二硫代双硝基苯甲酸(DTNB)、罗丹明6G(R6G)、结晶紫(CV)、孔雀石绿(MG)或4，4’-联吡啶(44DP)。
3.根据权利要求1所述的磁性SERS生物传感器，其中，所述Au@Ag纳米颗粒通过Au-S键与所述捕获探针DNA共价连接。
4.根据权利要求1所述的磁性SERS生物传感器，其中，所述Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒通过羧化反应与所述捕获探针DNA共价连接。
5.一种权利要求1-4任一项所述磁性SERS生物传感器的制备方法，包括：
将金纳米颗粒分别与不同拉曼报告分子共同孵育，然后在金纳米颗粒的表面上形成银壳，得到分别包含不同拉曼报告分子的多种Au@Ag纳米颗粒；
将多种Au@Ag纳米颗粒分别与不同捕获探针DNA的一端共价连接，得到多种捕获探针DNA-Au@Ag纳米颗粒复合物，将所述复合物混合并将捕获探针DNA的另一端共价连接到Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，通过将所述Au@Ag纳米颗粒与捕获探针DNA一起孵育以使所述Au@Ag纳米颗粒通过Au-S键与所述捕获探针DNA共价连接。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述方法包括将所述Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒羧基化后进一步将羧基活化，然后将所述Fe3O4@SiO2磁性纳米颗粒与捕获探针DNA-Au@Ag纳米颗粒复合物一起孵育以形成共价连接。
8.一种利用权利要求1-4任一项所述磁性SERS生物传感器检测样品中多个靶标的方法，包括：
将样品和SERS生物传感器加入含有双链特异性核酸酶(DSN)的缓冲溶液中，在50-60℃下孵育0.5-2小时，洗涤SERS生物传感器并分散到溶液中进行表面增强拉曼光谱检测。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述双链特异性核酸酶DSN的量为1-5U/mL，优选为3U/mL。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述靶标包括多种mRNA或miRNA。
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