CN113155807A - 一种基于表面增强拉曼光谱技术的microRNA超灵敏检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于表面增强拉曼光谱技术的microRNA超灵敏检测方法。首先先制备带有内标分子4‑MBA的金包银核壳结构纳米颗粒以及带有金纳米颗粒的硅片作为二维基底,通过microRNA循坏放大系统,制备出能特异性识别microRNA的捕获探针,利用捕获探针将金包银核壳纳米颗粒与二维基底耦合起来,使标记分子拉曼信号获得巨大增强,最终得到高灵敏SERS光谱检测结果,并根据SERS探针的拉曼信号强度与二维基底硅片上的二阶峰信号强度的比值,推算出溶液中microRNA的浓度。本发明提供的的这种microRNA表面增强拉曼光谱检测方法可作为一种简单、快速、高效的检测血清中microRNA的超灵敏定量检测方法加以推广应用。
Description
技术领域
本发明属于生物医学microRNA检测技术领域,具体涉及一种基于表面增强拉曼光谱技术的microRNA超灵敏检测方法。
背景技术
目前检测microRNA的传统方法有印迹法、微阵列技术、实时定量聚合酶链反应(RT-PCR)等。由于microRNA在总RNA样本中的丰度较低,且易于降解,这些传统方法在敏感性和特异性方面存在固有的局限性。因此,迫切需要能够克服上述缺点的快速、超灵敏、特异的检测方法。
激光拉曼光谱可以在分子水平上探测物质结构,它具有直接、准确、快速、无损等优点。目前,拉曼光谱技术已被广泛地应用于生物医学、高分子化学、生物化学、环境科学等许多领域的研究。但是,由于常规拉曼散射固有的散射截面非常小(每个分子只有10cm-1-30cm-1)导致拉曼散射效率极低,并且常规拉曼光谱信号极易受到强烈的荧光背景信号的干扰,这些缺点大大限制了拉曼光谱技术在生物医学领域的实际临床应用。而表面增强拉曼散射不但能够很好的猝灭生物样品的荧光,能够用相对较弱的激光功率去激发生物分子,获得理想的SERS光谱信号,对生物分子没有损伤,而且具有极高的检测灵敏度,甚至可以实现单分子检测。因此,利用SERS技术对血液中的生化分子进行超灵敏定量检测研究,很可能成为一种方便、无损、极具潜力的检测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用SERS技术能够特异性检测血清中microRNA的方法。该方法以4-MBA作为拉曼信号标记分子,合成Ag@4-MBA@Au纳米颗粒,通过冰冻法将Probe DNA接到核壳纳米颗粒表面。再制备表面带金纳米颗粒的硅片,通过直接与SHDNA链孵育,形成带DNA链的二维基底,通过循环放大系统制备能特异性识别microRNA的CaptureDNA,利用Capture DNA将核壳纳米颗粒与二维基底耦合起来。根据拉曼标记分子4-MBA的SERS强度变化以及硅片二阶峰的校准功能,可以实现microRNA的高灵敏度定量检测,为早期癌症筛查、治疗监测和预后评估提供一种可靠的临床辅助方法。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种基于表面增强拉曼光谱技术的microRNA超灵敏检测方法,包括如下步骤:
1)制备表面增强拉曼光谱(SERS)基底
1-1)合成银纳米胶体AgNPs:取0.017g的AgNO3颗粒,加入100mL超纯水,剧烈搅拌至沸腾后,加入3mL质量分数为1%的柠檬酸钠,在沸腾状态下继续剧烈搅拌60-70分钟,溶液颜色由透明逐渐变为灰绿色,室温冷却;
1-2)合成金纳米胶体AuNPs:在99mL超纯水中加入1%的氯金酸溶液,剧烈搅拌至沸腾状态后加入1mL质量分数为1%的柠檬酸钠,继续加热搅拌20-30分钟,溶液颜色逐渐变为深酒红色,室温冷却;
1-3)合成Ag@4-MBA溶液:在银纳米胶体AgNP中加入4-MBA信号分子1mM,搅拌10-12h,得到Ag@4-MBA溶液,将该溶液离心洗涤后重悬于超纯水中;
1-4)合成带有SERS信号分子的金包银核壳结构纳米颗粒Ag@4-MBA@Au NPs:取聚乙烯吡咯烷酮于超纯水中加热搅拌,使聚乙烯吡咯烷酮完全溶解在超纯水中,配成聚乙烯吡咯烷酮溶液;在聚乙烯吡咯烷酮溶液中加入氢氧化钠、抗坏血酸和制备好的Ag@4-MBA溶液,搅拌反应10-20分钟后,逐滴加入氯金酸,反应30-50分钟,形成Ag@4-MBA@Au NPs,将溶液离心洗涤后重悬于超纯水中,放置4℃冰箱保存;
1-5)合成带有聚乙烯吡咯烷酮包裹的金纳米胶体:将聚乙烯吡咯烷酮溶解在无水乙醇中,配置成1%的聚乙烯吡咯烷酮溶液,取AuNPs胶体离心洗涤后重悬在聚乙烯吡咯烷酮溶液中,再次离心洗涤后重悬在无水乙醇中,放入冰箱4℃保存。
1-6)合成表面带有金纳米颗粒的硅片:将硅片裁剪成5mmx5mm的正方形,放在乙醇中超声8-10分钟,取出干燥后备用;将带有聚乙烯吡咯烷酮包裹的金纳米胶体与二氯甲烷混合均匀,加入超纯水,剧烈震荡30秒,随后加入正己烷,静置分层后,用硅片倾斜浸入液体中,利用提拉法将金膜附在硅片上并取出硅片,形成表面带有金纳米颗粒的硅片;
2)修饰DNA单链
2-1)制备Probe DNA-Ag@4-MBA@Au NPs:取3uLProbe DNA加入3uLTCEP活化巯基,反应1小时后,在100uLAg@4-MBA@Au NPs溶液中加入活化后的Probe DNA,在室温下孵育30分钟后,放入-20℃冰箱,冰冻2-3小时,使Probe DNA接在核壳纳米颗粒上,随后室温解冻后,形成Probe-Ag@4-MBA@Au NPs溶液,将该溶液离心洗涤后重悬在超纯水中;
2-2)制备SH DNA-Si芯片:取3uLSH DNA加入3uLTCEP活化巯基,反应1小时后加超纯水稀释,将SH DNA溶液滴在表面带有金纳米颗粒的硅片上,在室温下孵育12小时,随后用超纯水冲洗,再用6-巯基-1-己醇浸泡硅片30分钟,然后用大量超纯水清洗除去未特异性结合的DNA,室温晾干;
3)构建microRNA循环放大系统
将10uL发夹DNA链H1、10uL发夹DNA链H2和10uL不同浓度的microRNA充分混合,在室温下反应2小时,得到产物捕获DNA双链溶液;
4)SERS检测传感器的组装
将探针DNA-Ag@4-MBA@Au NPs溶液和捕获DNA双链溶液混合,滴在SH DNA-Si芯片上,在室温下共同孵育2-4小时,随后用PBS缓冲液冲洗硅片,再用大量超纯水冲洗硅片,室温晾干,为接下来的SERS检测做准备;
5)MicroRNA的检测
用拉曼光谱仪检测不同浓度microRNA,
在一定的检测条件下,用拉曼光谱仪检测不同浓度microRNA的金包银核壳纳米颗粒Ag@4-MBA@Au NPs中的4-MBA SERS信号与硅片上二阶峰的信号,拉曼测试条件为:λ=785nm,50倍镜,扫描波数范围为600-1800cm-1,积分1次。
本发明涉及到的碱基序列如下:
本发明采用以上技术方案,利用硅片作为基板,采用Ag@4-MBA@AuNPs作为表面增强拉曼散射(SERS)检测的基底,通过循环放大系统制备能特异性识别microRNA的CaptureDNA双链,利用双链把Ag@4-MBA@AuNPs与硅片耦合起来,形成具有高选择性、高灵敏性和高特异性的生物传感器来检测乳腺癌中的肿瘤标志物microRNA,利用硅片拉曼光谱中的二阶峰位936cm-1的SERS光谱强度作为内标校准,对拉曼信号分子4-MBA光谱信号进行强度归一化处理,能够避免生物分子指纹区拉曼信号对定量检测的影响,进一步提高该SERS光谱探针的检测灵敏度。此外,拉曼信号分子位于银核与金壳的中间层,从而保证了标记分子的性质、空间结构和数量等不受检测环境的影响,进而确保检测结果的可靠性。因此,本发明所构建的SERS生物传感器在乳腺癌中microRNA的检测方面展现出巨大的潜力,为早期癌症筛查等提供一种可靠的临床辅助分析方法。
附图说明
图1为SERS光谱检测血清中microRNA-21的实验示意图。
图2为合成的金包银核壳结构纳米粒子(Ag@4-MBA@Au)的透射电镜图(TEM)。
图3为Ag NPs、Ag@4-MBA和Ag@4-MBA@Au纳米溶胶的紫外-可见吸收光谱图。
图4为Ag NPs、Ag@4-MBA和Ag@4-MBA@Au纳米颗粒的SERS光谱图。
图5为Au NPs和Ag@4-MBA@Au冰冻前后对比图。
图6为microRNA-21的浓度为1fM到10nM范围内的SERS光谱图。
图7为以硅片光谱中位于936cm-1处的峰值强度对SERS光谱进行归一化处理后与浓度在1fM到10nM范围内的microRNA的标准曲线。
具体实施方式
为了使本发明所述的内容更加便于理解,下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明。
1.试剂
硝酸银(AgNO3)、无水乙醇,氯金酸(HAuCl4)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、柠檬酸钠(Na3C6H5O7),抗坏血酸(AA)、氢氧化钠(NaOH),4-巯基苯甲酸(4-MBA)、三(2-羧乙基)膦(TCEP)、二氯甲烷(CH2Cl2)、正己烷(C6H14)、6-巯基-1-己醇(MCH)、硅片(Si Chip)、磷酸盐缓冲液(PBS,pH=7.2和8.5)。
各碱基序列如下:
2.制备SERS基底
1)合成银纳米胶体AgNPs:取0.017g的AgNO3颗粒,加入100mL超纯水,剧烈搅拌至沸腾后,加入3mL质量分数为1%的柠檬酸钠,在沸腾状态下继续剧烈搅拌60分钟,溶液颜色由透明逐渐变为灰绿色,室温冷却;
2)合成金纳米胶体AuNPs:在99mL超纯水中加入1mL质量分数为1%的氯金酸溶液,剧烈搅拌至沸腾状态后加入1mL质量分数为1%的柠檬酸钠,继续加热搅拌20分钟,溶液颜色逐渐变为深酒红色,室温冷却;
3)合成Ag@4-MBA溶液:取2mLAgNPs溶液,离心洗涤后重悬于2mL超纯水中,在该溶液中加入10uL 1mM 4-MBA溶液,搅拌12h,得到Ag@4-MBA溶液,将该溶液离心洗涤后重悬于1mL超纯水中;
4)合成带有SERS信号分子的金包银核壳结构纳米颗粒Ag@4-MBA@Au NPs:取1.16g聚乙烯吡咯烷酮于20mL超纯水中加热搅拌,使聚乙烯吡咯烷酮完全溶解在超纯水中,配成聚乙烯吡咯烷酮溶液;取2mL聚乙烯吡咯烷酮溶液中加入500uL 200mM氢氧化钠、500uL100mM抗坏血酸和10uL Ag@4-MBA溶液,搅拌反应10分钟后,0.02mL/min滴加0.1mM氯金酸,反应40分钟,形成Ag@4-MBA@Au NPs,将溶液离心洗涤后重悬于100uL超纯水中,放置4℃冰箱保存;
5)合成带有聚乙烯吡咯烷酮包裹的金纳米胶体:将1g聚乙烯吡咯烷酮溶解在100mL无水乙醇中,配置成1%的聚乙烯吡咯烷酮溶液,取2mLAuNPs离心洗涤后重悬在1mL聚乙烯吡咯烷酮溶液中,再次离心洗涤后重悬在1mL无水乙醇中,放入冰箱4℃保存;
6)合成表面带有金纳米颗粒的硅片:将硅片裁剪成5mmx5mm的正方形,放在乙醇中超声10分钟,取出干燥后备用;取100uL聚乙烯吡咯烷酮包裹的金纳米胶体与1mL二氯甲烷混合均匀,加入2mL超纯水,剧烈震荡30秒,随后加入200uL正己烷,静止分层后,用硅片倾斜浸入液体中,利用提拉法将金膜附在硅片上并取出硅片,形成表面带有金纳米颗粒的硅片;
3.修饰DNA单链
1)制备探针DNA-Ag@4-MBA@Au NPs:取3uL探针DNA加入3uL10mMTCEP活化巯基,反应1小时后,在100uLAg@4-MBA@Au NPs溶液中加入活化后的探针DNA。在室温下孵育30分钟后,放入冰箱-20℃,冰冻2小时,随后室温解冻后,形成探针DNA -Ag@4-MBA@Au NPs溶液,将该溶液离心洗涤后重悬在100uL超纯水中;
2)制备SH DNA-Si芯片:取3uLSH DNA加入3uLTCEP活化巯基,反应1小时后加超纯水稀释,将SH DNA溶液滴在表面带有金纳米颗粒的硅片上,在室温下孵育12小时,随用超纯水冲洗,再用100uL 40uM 6-巯基-1-己醇浸泡硅片30分钟,然后用大量超纯水清洗除去未特异性结合的DNA,室温晾干;
4.构建循环放大系统
将10uL发夹DNA链H1、10uL发夹DNA链H2和10uL不同浓度的microRNA-21充分混合,在室温下反应2小时,得到产物Capture DNA双链溶液;
5.SERS检测传感器的组装
将100uL探针DNA-Ag@4-MBA@Au NPs溶液和捕获DNA双链溶液混合,滴在SH DNA-Si芯片上,在室温下共同孵育3小时,随后用PBS缓冲液冲洗硅片,再用大量超纯水冲洗硅片,室温晾干,为接下来的SERS检测做准备;
6.MicroRNA-21的检测
用拉曼光谱仪检测不同浓度microRNA-21,拉曼测试条件为:λ=785nm,50倍镜,扫描波数范围为600-1800cm-1,积分1次。
本发明的实验流程图如图1所示,通过氯金酸生成金壳,包裹在银核外层形成金包银核壳纳米颗粒,通过透射电镜(TEM)可清晰观察其结构。如图2所示,TEM图显示Ag@4-MBA@Au核壳纳米胶体颗粒,粒径约为50nm。另外,将合成的Au@4-MBA@Ag胶体通过紫外-可见吸收光谱表征,如图3展现的红色谱线表示Ag NPs的最大吸收峰位于413cm-1左右,在Ag NPs表面修饰内标分子4-MBA后,如图蓝色线所展示的那样,最大吸收峰红移到418cm-1,说明4-MBA成功修饰到AgNPs表面,黑线表示的是包裹金壳,合成了Au@4-MBA@Ag核壳胶体,此时展现出两个峰包,其中在543cm-1出现了金的吸收峰,而在410cm-1处的峰包是银的吸收峰,进一步证明核壳结构的形成。
为了证明核壳纳米颗粒对SERS强度的影响,对胶体进行SERS光谱检测,如图4所示,单纯的4-MBA没有任何的拉曼峰,有AgNPs作为增强基底,4-MBA的特征峰显现,利用Au作为外壳把4-MBA包裹起来,形成了非常强的拉曼信号。
为表征金包银核壳纳米颗粒利用冰冻法修饰上了捕获序列,对冰冻前后的Au@4-MBA@Ag胶体颜色进行对比,如图5所示冰冻前的胶体颜色是粉红色的,无捕获序列的情况下,胶体会发生聚集现象,变为浅紫色,并且解冻后胶体不会恢复原来的状态。有捕获序列存在的情况下,胶体很稳定,冰冻后没有聚集情况发生。通过观察颜色可以证明捕获序列接在了Au@4-MBA@AgNPs表面。
对标准样品进行表征,如图6所示,本研究取了10-8到10-15八个浓度梯度的microRNA-21的标样,并对其进行SERS光谱定量检测。以硅片的拉曼光谱中位于936cm-1处的峰值强度对SERS光谱进行归一化处理后,用拉曼信号标记分子4-MBA光谱中位于1078cm-1处的峰值强度与浓度在1fM到10nM范围内的microRNA-21的标准曲线。且其计算所得的相关系数是R2=0.98078,表明了microRNA-21浓度与SERS强度呈现一个良好的线性关系。所以本方法可以实现microRNA超灵敏定量SERS光谱检测。
Claims (6)
1.一种基于表面增强拉曼光谱技术的microRNA超灵敏检测方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)制备表面增强拉曼光谱基底
1-1)合成银纳米胶体AgNPs:将AgNO3溶液在剧烈搅拌下加热至沸腾状态,加入还原剂柠檬酸钠溶液,使AgNO3溶液保持沸腾状态,继续搅拌60-70分钟后,室温冷却;
1-2)合成金纳米胶体AuNPs:在水中加入氯金酸溶液,加热搅拌至沸腾状态,加入还原剂柠檬酸钠,继续加热搅拌20-30分钟,室温冷却;
1-3)合成Ag@4-MBA溶液:在银纳米胶体AgNPs中加入4-MBA信号分子,搅拌10h-12h,得到Ag@4-MBA溶液,将该溶液离心洗涤后重悬于水中;
1-4)合成带有SERS信号分子的金包银核壳结构纳米颗粒Ag@4-MBA@Au NPs:在聚乙烯吡咯烷酮溶液中加入氢氧化钠、抗坏血酸和制备好的Ag@4-MBA溶液,搅拌反应10-20分钟后,逐滴加入氯金酸溶液,反应30-50分钟,形成金包银核壳纳米颗粒Ag@4-MBA@Au NPs,将溶液离心洗涤后重悬于水中;
1-5)合成带有聚乙烯吡咯烷酮包裹的金纳米胶体:将金纳米胶体AuNPs离心后重悬于聚乙烯吡咯烷酮溶液中,再次离心重悬在无水乙醇溶液中,放入冰箱4℃保存;
1-6)合成表面带有金纳米颗粒的硅片:将硅片置于乙醇中超声8-10分钟,取出干燥后备用;将带有聚乙烯吡咯烷酮包裹的金纳米胶体与二氯甲烷和水充分混合,随后加入正己烷,静置分层后,用硅片浸入液体中,利用提拉法将金膜附在硅片上并取出硅片,形成表面带有金纳米颗粒的硅片;
2)修饰DNA单链
2-1)制备Probe DNA-Ag@4-MBA@Au NPs:将单链Probe DNA溶液与Ag@4-MBA@Au NPs溶液混合,放入-20℃冰箱,冰冻2-3小时,随后室温解冻后,形成ProbeDNA-Ag@4-MBA@Au NPs溶液,将该溶液离心洗涤后重悬在水中;
2-2)制备SH DNA-Si芯片:将SH DNA溶液与表面带有金纳米颗粒的硅片在室温下孵育10-12小时,用水清洗硅片后,用6-巯基-1-己醇浸泡硅片30-40分钟,随后用水冲洗硅片,室温晾干;
3)构建microRNA循环放大系统
将发夹DNA链H1、发夹DNA链H2和不同浓度的microRNA链充分混合,在室温下反应2小时,得到产物捕获DNA双链溶液;
4)SERS检测传感器的组装
将ProbeDNA-Ag@4-MBA@Au NPs溶液和捕获DNA双链溶液混合,滴在SH DNA-Si芯片上,在室温下共同孵育3-4小时,随后用PBS缓冲液冲洗硅片并室温晾干,为接下来的SERS检测做准备;
5)MicroRNA的检测
在一定的检测条件下,用拉曼光谱仪检测不同浓度microRNA的金包银核壳纳米颗粒Ag@4-MBA@Au NPs中的4-MBA SERS信号与硅片上二阶峰的信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面增强拉曼光谱技术的microRNA超灵敏检测方法,其特征在于:步骤1-6)中,将硅片裁剪成5mmx5mm的正方形,再置于乙醇中超声。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面增强拉曼光谱技术的microRNA超灵敏检测方法,其特征在于:步骤2)、步骤3)涉及的碱基序列序列如下:
Probe DNA:5’-ATTCGGTCAACAGATTTTTTTTTT-3’;
SH DNA:5’-TGGTGCACGATGAGTTTTTTTTTT-3’;
H1:5’-TCTGTTGACCGAATATCAACATCAGTCTGATAAGCTAAGCCGTGTAGTCTTATCAGACT-3’;
H2:5’-CTCATCGTGCACCAGGTGATAAGACTACACGGCTTAGCTTATCAGACTAGCCGTGTAG-3’。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面增强拉曼光谱技术的microRNA超灵敏检测方法,其特征在于:步骤5)用硅片的二阶峰做内标进行强度校准,SERS信号分子与内标信号强度比率为SERS光谱中4-MBA在1078cm-1峰位的强度与硅片的二阶峰在936cm-1峰位处强度的比值I1078/I936。
5.根据权利要求4所述的一种基于表面增强拉曼光谱技术的microRNA超灵敏检测方法,其特征在于:利用SERS信号分子与内标信号强度比值I1078/I936随microRNA浓度变化做出一条检测microRNA的工作曲线,利用这条工作曲线进行microRNA超灵敏定量检测,检测限为1fM。
6.根据权利要求1所述的一一种基于表面增强拉曼光谱技术的microRNA超灵敏检测方法,其特征在于:拉曼测试条件为:λ=785nm,扫描波数范围为600-1800cm-1。
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