CN113125539A - 一种通过插入法构建电化学核酸传感器识别元件的方法 - Google Patents

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CN113125539A CN202110052575.8A CN202110052575A CN113125539A CN 113125539 A CN113125539 A CN 113125539A CN 202110052575 A CN202110052575 A CN 202110052575A CN 113125539 A CN113125539 A CN 113125539A
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左国伟
张章
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Abstract

本发明属于生物传感器构建技术领域，具体公开了一种通过插入法构建电化学核酸传感器识别元件的方法。所述方法插入法，具体为：将巯基化的捕获探针插入到稀释剂巯基层，构建电化学核酸传感器识别元件。相较于现有的回填法，采用本发明的插入法制备电化学核酸传感器识别元件，能提高识别元件的均一性，同时保持了探针的杂交活性，因此具有更好的分析性能；同时，结合计时电量法分析了本捕获探针与溶液中靶核酸之间的杂交反应过程的热力学和动力学参数，发现本发明的插入法更有助于在分子水平上理解界面杂交反应的机制。

Description

一种通过插入法构建电化学核酸传感器识别元件的方法
技术领域
本发明涉及生物传感器构建技术领域，特别是涉及一种通过插入法构建电化学核酸传感器识别元件的方法。
背景技术
核酸生物传感器是20世纪90年代中期逐渐发展起来的一种新的传感器技术。核酸生物传感器以DNA作为敏感元件，通过换能器将DNA与待测物质之间相互作用的生物信号转变为可测的信号。与传统方法相比，DNA生物传感器具有快速、灵敏、操作简单、特异性强、适合于POCT检测等特点。近年来DNA生物传感器在基因诊断、环境监控、药物研究等领域的应用受到广泛重视。根据换能器的不同，DNA生物传感器可以分为电化学、荧光、石英晶体微天平和场效应晶体管DNA传感器。其中，由于电化学DNA生物传感器的探头表面固定了特异性的分子识别元件，因而具有高选择性和特异性、通量高、响应快、样品用量少、传感器连同测定仪的成本低于大型的分析仪器以及便于推广普及等优点，所以受到了很高程度的关注。
电化学DNA生物传感器(简称E-DNA传感器)包含一个通过Au-S键固定在金电极上的捕获探针，由于它快速、无试剂且操作方便，因此是一种特别有前景的寡核苷酸检测方法。捕获探针充当与目标核酸杂交的生物受体，并进一步将杂交事件转换为电化学信号，电化学信号检测方法包括电流法、阻抗法、电导法和电位法。影响E-DNA传感器灵敏度、可重复性和特异性的关键是捕获探针的固定以及靶核酸与捕获探针之间的杂交。
巯基化探针在金电极表面的自组装是获得电化学核酸传感器传感器识别元件的最常用方法，这种方法是将金电极浸没于巯基修饰的探针溶液中，探针通过金-硫键自主装于电极表面，其它称为稀释剂的小分子也固定于金电极表面来改善电化学传感器的分析性能。稀释剂可以实现多种目的：控制探针的表面密度；提高探针与靶基因之间的杂交活性；阻止探针的非特异性吸附。电化学核酸传感器面临的一个重要挑战就是如何控制探针的构象、方向和空间分布，这些会影响传感器的灵敏度、特异度和重现性。目前构建E-DNA传感器接口的常用方法为回填法。回填法是先将电极浸泡于巯基化的捕获探针溶液中，再用稀释剂进行回填。但是，回填法制备的传感器识别元件均一性不够，而且，由于电荷排斥作用和界面效应，阻碍了探针与靶核酸之间的相互作用，使得电化学核酸传感器表面核酸之间的杂交效率明显低于溶液中的杂交效率，从而影响电化学传感器的分析性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种通过插入法构建电化学核酸传感器识别元件的方法，是一种通过插入法固定探针以提高金电极表面探针杂交速率的新方法，能提高传感器识别元件的均一性，同时保持了探针的杂交活性，使其具有更好的分析性能。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种通过插入法构建电化学核酸传感器识别元件的方法，包括：将巯基化的捕获探针插入到稀释剂巯基层，构建得到电化学核酸传感器识别元件。
进一步，所述稀释剂为MCH，所述方法为：用MCH对金电极进行封闭，然后将捕获探针固定于金电极上。
进一步，将金电极用不同浓度的MCH溶液进行封闭，然后将巯基化的捕获探针固定于金电极上，所述MCH溶液的浓度为10-100μM，优选为20-100μM，更优选为20-50μM。
进一步，金电极在MCH溶液中的封闭条件为4-42℃、0.5-2h；优选地，封闭温度为4、15、25、37、42℃，封闭时间为0.5h、1h、1.5h、2h，更优选为37℃、1h。
进一步，捕获探针的浓度≥1μM，优选为1μM。回填法中是MCH固定为1μM，变量是捕获探针的浓度；而在插入法中是封闭用的MCH是变量，捕获探针为充足即过量，因此加入浓度≥1μM的捕获探针，综合考虑，加入1μM的捕获探针最佳。
进一步，将捕获探针溶解在固定缓冲液中，再通过金-硫醇配位键固定在金电极表面，固定条件为4℃、10-24h，优选为4℃、16h。
可选地，所述固定缓冲液为10mM Tris-HCl，pH＝7.0。
进一步，所述电极在进行封闭处理前，要进行前处理，前处理方式为：用0.3和/或0.05mm氧化铝浆料对裸金电极打磨抛光处理至“镜面状”，然后将打磨好的电极分别在超纯水、无水乙醇和超纯水中超声清洗，接着将电极在piranha溶液中浸泡后用大量超纯水冲洗，于氮气中干燥，最后将电极置于硫酸溶液中，进行CV扫描，并用大量超纯水冲洗，氮气干燥。
本发明还提供一种电化学分析方法，采用如上所述的方法构建电化学核酸传感器识别元件，然后在电极表面加入不同浓度的靶基因溶液，孵育后进行电化学分析。
本发明还提供一种采用如上方法构建电化学核酸传感器的方法。
如上所述，本发明的通过插入法构建电化学核酸传感器识别元件的方法，具有以下有益效果：
本发明提供了一种通过插入法固定探针以提高金电极表面探针杂交速率的新方法，通过阐述和比较回填法和插入法构建电化学核酸传感器识别元件的方法，本发明发现，虽然插入法相较于回填法获得的探针密度较低，但制备的传感器识别元件较为均一，保持了探针的杂交活性，因此具有更好的分析性能。同时结合计时电量法分析了捕获探针与溶液中靶核酸之间的杂交反应过程的热力学和动力学参数，发现插入法更有助于在分子水平上理解界面杂交反应的机制。
附图说明
图1显示为在0.1mM KCl溶液中含1mM Fe(CN)63/4的裸电极的不同扫描速率(50mV，100mV，150mV，200mV，250mV和300mV)的峰值电流与平方根的关系图。
图2显示为存在或不存在50μM RuHex的计时电量曲线图。
图3显示为通过回填法制备的捕获探针的计时库仑法响应结果图。
图4显示为通过回填法制备的捕获探针与靶标杂交后捕获探针的计时库仑法响应结果图。
图5显示为通过插入法制备的捕获探针的计时库仑法响应结果图。
图6显示为通过插入法制备的捕获探针与靶标杂交后捕获探针的计时库仑法响应结果图。
图7显示为不同浓度FAM标记核酸链的荧光信号曲线图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
本发明提供了一种通过插入法构建电化学核酸传感器识别元件的方法，包括：将巯基化的捕获探针插入到稀释剂巯基层，构建电化学核酸传感器识别元件。
具体方法为：以MCH为稀释剂，将金电极用不同浓度的MCH溶液进行封闭，然后将巯基化的捕获探针通过金-硫醇配位键固定于金电极上。
其中，MCH溶液的浓度为10-100μM，优选为20-100μM，更优选为20-50μM；捕获探针的浓度为≥1μM，优选为1μM。回填法中是MCH固定为1μM，变量是捕获探针的浓度；而在插入法中是封闭用的MCH是变量，捕获探针为充足即过量，因此加入浓度≥1μM的捕获探针，综合考虑，加入1μM的捕获探针最佳。
具体的，金电极在MCH溶液中的封闭条件为4-42℃、0.5-2h；优选地，封闭温度为4、15、25、37、42℃，封闭时间为0.5h、1h、1.5h、2h。以下实施例中采用的封闭条件为37℃、1h。
具体的，捕获探针固定在金电极表面的条件为4℃、10-24h，优选为4℃、16h。
下面通过具体的实施方式来对本发明的内容进行详细地说明。
1、材料
所有化学药品均为分析纯，无需进一步纯化即可使用。整个工作中使用经Milli-Q系统(Milli-Q 18.2MΩ·cm，Millipore System Inc.)纯化的超纯水。三(羟甲基)氨基甲烷盐酸盐(Tris-HCl)购自Sangon Biotechnology Co.(中国上海)。6-羟基-1-己硫醇(MCH；纯度97％)，六氨合氯化钌(III)([Ru-(NH3)6]3+，RuHex)从Sigma-aldrich(美国圣路易斯)获得。
2、仪器
所有实验均使用CHI660D电化学工作站(中国上海，http://www.chinstruments.com/)。其中用到了一个普通的三电极系统，包括一个铂丝辅助电极，一个Ag/AgCl参比电极和一个直径为3毫米的金盘电极作为工作电极。所有溶液中样品的荧光测量均在荧光光谱仪(Caryeclipse，安捷伦)上进行。在室温下以490nm的激发波长收集490nm至540nm的发射光谱。选择518nm处的荧光强度作为最佳实验条件，以评估所提出的传感系统性能。激发缝隙和发射缝隙的宽度均设置为5nm。除非另有说明，否则所有实验的温度均保持在25℃。
3、E-DNA传感器的制造
使用标准方法制造生物传感器。分别在直径为0.3和0.05mm的Al2O3上打磨金电极3min。将打磨好的电极分别在超纯水、无水乙醇和超纯水中各超声5min；然后将电极在piranha溶液(1∶3H2O2/H2SO4)中浸泡10min后用大量超纯水冲洗，于氮气中干燥备用(注意：piranha溶液可与有机物剧烈反应，操作者应穿戴防护工具)。最后将电极置于0.5M的硫酸溶液中，进行CV扫描(扫描范围：0.2-1.6V；扫面圈数：30；扫描速度：0.05mv/s)，并用大量超纯水冲洗、氮气干燥后备用。
4、DNA捕获探针的固定和杂交
金电极与捕获探针末端C6SH通过金-硫配位键连接，C6SH的长度与MCH的长度大致相等以保证探针的杂交活性。分别采用回填法和插入法构建E-DNA传感器接口，具体如下：
4.1、回填法：将溶解在固定缓冲液(10mM Tris-HCl，pH 7.0)中的不同浓度的捕获探针通过金-硫醇配位键固定在金电极表面(4℃，16h)，然后用乙醇冲洗并干燥用氮气。接着用1μM的MCH对金电极进行封闭(37℃，1h)。
4.2、插入法：将上述步骤颠倒过来，首先将金电极用不同浓度的MCH封闭(37℃，1h)，然后固定上充足的捕获探针(1μM，4℃，17h)。
当传感器识别元件构建完成之后，在电极表面加入10μL溶于杂交缓冲液(100mMNaCl，10mM Tris-HCl，pH 7.0)中的不同浓度靶基因，孵育1h进行电化学分析。除非另有说明，否则所有样品进样均进行1小时，记录响应电流，并在清洗后进行分析。
5、电化学测量
金电极上的捕获探针和捕获探针/靶标双链体的表面密度(活性电极表面每单位面积的电活性DNA摩尔数)可以使用先前建立的计时电量法(扫描范围0到-0.5V，周期500ms)从氧化还原介质RuHex计算。简而言之，在进行计时电量分析之前，将电极浸入溶液中5分钟以达到吸附平衡。然后首先在10mM Tris-HCl(pH 7.0)中进行计时电量分析，然后与在含有50μ MRuHex的10mM Tris-HCl中进行比较。
核酸表面密度可有以下公式进行计算：ГDNA＝(QNA/n FA)(z/m)。ГDNA代表核酸的表面密度(个/cm2)，Q为t＝0时计时电量曲线截距，Qdl为在缓冲液中t＝0时计时电量曲线截距，NA为阿伏伽德罗常数，n为氧化还原反应电子转移个数，F为法拉第常数(C/equiv)，A为金电极活性表面积，Z为氧化还原分子所带电荷数，m为核酸的碱基个数。
6、核酸杂交率评估
6.1、为了评估溶液中的核酸杂交率，采用了两个完全互补的核苷酸序列，分别标记有荧光(FAM)和淬灭剂(Dabcyl)。将溶解在含有100mM NaCl的10mM Tris-HCl(pH 7.0)中的200μ L不同浓度的FAM标记的核苷酸序列保持在25℃，并监测其荧光以建立荧光强度与核酸浓度的曲线。然后加入等浓度的标记为FAM和Dabcyl的核酸，并记录荧光强度。当被峰值波长为480nm的可见光激发时，由于淬灭剂和荧光非常接近，导致FAM的荧光被荧光共振能量转移淬灭。在518nm处以480nm的激发波长记录荧光发射。
图1.显示为在0.1mM KCl溶液中含1mM Fe(CN)63/4的裸电极的不同扫描速率(50mV，100mV，150mV，200mV，250mV和300mV)的峰值电流与平方根的关系。
使用循环伏安法测量有效表面积，其中峰值电流通过公式(1)与表面积和扫描速率有关：ip＝2.69×105n3/2AD1/2V1/2C°，其中n是反应中转移的电子数(对于Fe(CN)6 3/4，n＝1)，A是电极的活性表面积，D是氧化剂或还原剂的扩散系数(0.1M KCl溶液中1mM Fe(CN)6 3/4的扩散速度为6.9×10-6cm2/s)，v为扫描速率，Co为氧化剂或还原剂的浓度(1mMFe(CN)6 3/4)。将公式(1)转换为ip＝kv1/2，k是ip对v1/2的斜率，发现是18.02×10-6As1/2/V1/2。该系统表现出一对不同的氧化还原峰，并暗示了简单的表面受限电荷转移动力学。从上述公式可以轻松计算出活性电极表面积为0.028cm2。
捕获探针在金电极表面的固定是制作传感器识别元件的重要步骤，这会影响DNA生物传感器的灵敏度、选择性和可重复性。由于电荷排斥和界面效应，传感器表面核酸之间的杂交效率明显低于溶液。而控制捕获探针之间保持一定的距离可以降低界面效应以提高核酸之间的杂交效率，所以控制探针的密度具有重要的意义。对于回填法，改变探针的浓度即可控制探针的密度；而对于插入法，控制稀释剂MCH的浓度即可控制探针的密度。
计时电量法在氧化还原介质存在和不存在情况下的截距可以代表核酸磷酸骨架传感器识别元件电荷补偿。图2显示为存在或不存在50μM RuHex的计时电量曲线图。如图2所示，在核酸修饰界面，表面RuHex的量与Q(存在氧化还原介质)和Qdl(不存在氧化还原介质)之间的截距有关。
表1回填法和插入法探针密度对杂交效率的影响
Figure BDA0002898946870000061
注：表面探针密度＝杂交分子数/杂交效率。
计时电量法对于回填法和插入法建立的捕获探针量以及杂交后的量如图3-6所示。
图3显示为通过回填法制备的捕获探针的计时库仑法响应结果图。
图4显示为通过回填法制备的捕获探针与靶标杂交后捕获探针的计时库仑法响应结果图。
图5显示为通过插入法制备的捕获探针的计时库仑法响应结果图。
图6显示为通过插入法制备的捕获探针与靶标杂交后捕获探针的计时库仑法响应结果图。
如表1所示，对于回填法，尽管捕获探针的浓度由10nM增加到了500nM，但是相应的表面探针密度仅仅增加了5.3倍。然而对于插入法，表面探针的固定量(即表面探针密度)随着稀释剂MCH浓度的增加而减少；除此之外，我们发现插入法探针密度相对回填法较小。
两种方法(图3、4和图5、6)在杂交前后的计时电量曲线结果和杂交效率总结在表1中。结果显示：当探针密度处于较低水平时，两种传感器识别元件的制作方法其杂交效率均较高；而当探针密度处于较高水平时，其杂交效率下降；对于同样的探针密度，插入法展现出了较回填法优越的杂交效率，这种现象是由于回填法制作的识别层探针之间更容易聚集，而插入法探针更加均一、稳定。
6.2、为了进一步理解界面核酸杂交行为，我们进一步分析了杂交平衡常数和热力学常数。在界面杂交反应中，当靶核酸靠近固定在金电极表面的捕获探针时，需要一定的时间形成稳定的双链结构。在本次试验中，杂交反应条件为25℃下反应60min，以保证杂交反应达到平衡状态。
固定在电极表面的捕获探针与溶液中靶核酸之间的杂交反应假设符合准一级反应。对于可逆反应：
Figure BDA0002898946870000071
在时间t时，产物AB的生成速率为公式(1)：
Figure BDA0002898946870000072
Figure BDA0002898946870000073
Kass为结合速率常数，Kdiss为解离速率常数。经过一段反应时间t后，[B]＝[B]0-[AB]，带入公式(1)中可得公式(2)：
Figure BDA0002898946870000074
B0是B的初始浓度，考虑到ΔQ的可以表示杂交靶核酸的含量，ΔQm表示完全饱和后的杂交靶核酸的量，(ΔQm-ΔQ)可以表示未反应探针B的含量。因此公式(2)可以转化为公式(3)：
Figure BDA0002898946870000075
整理后可得公式(4)：
Figure BDA0002898946870000076
Figure BDA0002898946870000077
可知，d[ΔQ]/dt与ΔQ呈线性相关，从公式(4)中可得一条直线，改线斜率(SL)可表示为公式(5)：SL＝-(kass×[A]+kdiss)。通过测量不同浓度靶基因时的参数便可测得Kass和Kdiss，进而计算出平衡常数K＝kass/kdiss。
在界面杂交反应达到平衡之前，记录了不同浓度靶核酸的计时电量响应，并且转化为d(ΔQ)/dt和ΔQ之间的关系。如表2所示，对于插入法，运用线性回归法计算了d(ΔQ)/dr、相关系数R和SL。基于公式(5)将SL值与靶标DNA的浓度作图。这样可由线性曲线的斜率和截距得出Kass＝9.5×106mol-1Lmin-1和Kdiss＝0.018min-1。同样动力学平衡常数K＝Kass/Kdiss＝5.28×108Lmol-1。结合自由能变(ΔG)与平衡常数K有关：ΔG＝-RT lnK＝-49.76kJmol-1。类似的，对于回填法获得传感器识别元件的平衡常数和ΔG分别为6.74×106Lmol-1和-39.0 kJmol-1(结果都小于mfold估算的结果)。这些结果表明了为什么在溶液中比在电极表面杂交更容易的热力学机理，并且进一步证明了通过插入法制备的捕获探针具有高的杂交活性。
表2插入法数据处理结果
靶标浓度(nM) 线性回归方程 R -SL(min-1)
10 -d[ΔQ]/dt＝0.0441-0.113ΔQ 0.997 0.113
20 -d[ΔQ]/dt＝0.05432-0.208ΔQ 0.983 0.208
30 -d[ΔQ]/dt＝0.06376-0.3103ΔQ 0.974 0.313
6.3、运用上述构建的插入法将一定浓度的FAM标记的捕获探针固定在金电极表面，浓度为50至200nM，以建立校准曲线，回归方程可以表示为Y＝-0.888+0.215X(R＝0.995)。其中Y是FAM的荧光强度，X是核酸链的浓度。图7显示为不同浓度FAM标记核酸链的荧光信号曲线图。
如图7所示，随着核酸链浓度的升高，其荧光信号亦增高。100n M的Dabcyl标记核酸链与100n M FAM标记的核酸链杂交后的信号为3.53a.u。未杂交的FAM标记的核酸链浓度为20.55n M，由于Dabcyl对FAM的淬灭效率为91％，所以溶液中核酸杂交效率为87.4％，大大优于界面杂交反应。
综上所述，通过阐述和比较回填法和插入法构建电化学核酸传感器识别元件的方法，本发明发现，虽然插入法相较于回填法获得的探针密度较低，但制备的传感器识别元件较为均一，保持了探针的杂交活性，因此具有更好的分析性能。同时结合计时电量法分析了此过程的热力学和动力学参数，有助于在分子水平上理解界面杂交反应的机制。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种通过插入法构建电化学核酸传感器识别元件的方法，其特征在于，包括：将巯基化的捕获探针插入到稀释剂巯基层，构建电化学核酸传感器识别元件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述稀释剂为MCH，所述方法为：用MCH对金电极进行封闭，然后将捕获探针固定于金电极上。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：将金电极用不同浓度的MCH溶液进行封闭，然后将巯基化的捕获探针固定于金电极上，所述MCH溶液的浓度为10-100μM。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述MCH溶液的浓度为20-100μM。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：金电极在MCH溶液中的封闭条件为4-42℃、0.5-2h；
将捕获探针溶解在固定缓冲液中，再通过金-硫醇配位键固定在金电极表面，固定条件为4℃、10-24h。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：捕获探针的浓度为≥1μM。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述固定缓冲液为10mM Tris-HCl，pH＝7.0。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述电极在进行封闭处理前，要进行前处理，前处理方式为：用0.3和/或0.05mm氧化铝浆料对裸金电极打磨抛光处理至“镜面状”，然后将打磨好的电极分别在超纯水、无水乙醇和超纯水中超声清洗，接着将电极在piranha溶液中浸泡后用大量超纯水冲洗，于氮气中干燥，最后将电极置于硫酸溶液中，进行CV扫描，并用大量超纯水冲洗，氮气干燥。
9.一种电化学分析方法，其特征在于：采用如权利要求1-8任一项所述的方法构建电化学核酸传感器识别元件，然后在电极表面加入不同浓度的靶基因溶液，孵育后进行电化学分析。
10.一种采用如权利要求1-8任一项所述的方法构建电化学核酸传感器的方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US8216446B1 (en) * 2005-08-19 2012-07-10 Universität Rostock Method for labelling and analysing nucleic acids
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Title
杨丽: "基于导电聚合物的化学传感器智能器件的构建" *

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