CN113308516A

CN113308516A - 基于DNA树枝结构@Zr-MOF检测HBV-DNA的SPRi传感器的制备与应用

Info

Publication number: CN113308516A
Application number: CN202110477407.3A
Authority: CN
Inventors: 丁世家; 吴文雯; 凡宁可
Original assignee: Chongqing Medical University
Current assignee: Chongqing Medical University
Priority date: 2021-04-29
Filing date: 2021-04-29
Publication date: 2021-08-27
Anticipated expiration: 2041-04-29
Also published as: CN113308516B

Abstract

本发明公开了一种基于DNA树枝结构@Zr‑MOF检测HBV‑DNA的SPRi传感器的制备与应用。所述传感器的制备方法包括：DNA链S1、S2、S3经自组装制得DNA树枝结构；将HBV‑DNA与Linker DNA混合，用作启动树枝结构的自组装反应体系；将固定有捕获探针的芯片组装在SPRi平台上，先将HBV‑DNA与Linker的复合物注入SPRi平台中，复合物与捕获探针结合，HBV‑DNA与捕获探针杂交；然后注入树枝结构，与HBV‑DNA杂交，引起第一次SPR信号放大；最后注入Zr‑MOF，Zr‑MOF通过锆氧键与树枝结构交联，引起第二次SPR信号大幅度增长，通过检测SPR信号，实现对HBV‑DNA的检测。本发明的方法能极大地提高HBV‑DNA的检测灵敏度。

Description

基于DNA树枝结构@Zr-MOF检测HBV-DNA的SPRi传感器的制备与应用

技术领域

本发明涉及乙肝病毒检测技术领域，特别是涉及一种基于DNA树枝结构@Zr-MOF检测HBV-DNA的SPRi传感器的制备与应用。

背景技术

乙型肝炎病毒引起的病毒性肝炎是一种全球性的严重公共卫生问题，会进一步导致其他有害后果，比如肝硬化和肝细胞癌。根据世界卫生组织(WHO)的数据，全世界有超过4亿人感染乙型肝炎病毒，由乙肝病毒感染引起的肝病导致了每年约100万人死亡(MaHony，1999)。而控制疾病传播的方法之一是尽早对病毒进行快速有效的诊断，所以许多研究都致力于HBV-DNA检测以及其定量系统的开发(Shakoori等人，2015年)。

近年来，随着纳米技术的飞速发展，基于纳米科学构建的检测乙肝病毒的生物传感策略取得了很多重要进展(Shakoori等人，2015年)，有利于对HBV进行有效的治疗及检疫。聚合酶链式反应(PCR)、DNA微阵列、电化学生物传感器、表面增强拉曼光谱、比色法等多种检测方法被构建以实现对HBV-DNA的灵敏检测。在众多发展起来的技术中，PCR因其靶扩增策略的优越效率而成为HBV-DNA超灵敏检测的最广泛的技术。但是PCR扩增需要精密设计多种引物及特殊的DNA聚合酶，还要求精确控制温度，实验过程非常繁琐复杂且成本较高，极大地限制了它的实际应用。

表面等离子体共振成像(SPRi)的生物传感器是一种高通量、免标记的技术，可以实时、可视化地检测各种临床上感兴趣的分析物。与其他传感方法(表面增强拉曼散射、荧光和电化学)相比，基于SPRi的生物传感器不需要额外的染料、标签或特殊试剂来产生输出信号。鉴于这些优点，该生物传感平台是检测多种HBV-DNA的理想传感平台。然而，由于缺乏有效的SPR信号放大，利用基于SPRi的生物传感方法检测低丰度的HBV-DNA仍然是一项具有挑战性的工作。

基于DNA自组装的靶物质检测与扩增技术是一种不依赖于酶的动态纳米技术，其概念的提出依赖于作为遗传物质的DNA具有碱基互补配对特性。无酶的DNA纳米自组装结构展现了独特的优势(生物兼容性、设计灵活、可控尺寸等)和其应用潜力。其中非线性HCR组装策略成功在SPR界面组装并显著改善了分析性能，突破了一维的限制，能够在多维空间形成树枝状纳米结构。但DNA自组装结构的质量较小，提高SPR传感器的灵敏度的能力有限。

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基于DNA树枝结构@Zr-MOF检测HBV-DNA的SPRi传感器的制备与应用，通过在组装DNA树枝型纳米结构的单链DNA末端修饰磷酸基团，使Zr-MOF(金属有机框架材料，MOF材料)可以通过锆氧键连接在树枝结构上，引起显著的SPR响应，极大地提高检测灵敏度，从而构建了一种在SPRi平台高灵敏、免标记检测HBV-DNA的传感策略。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种检测HBV-DNA的SPRi传感器的制备方法，包括如下步骤：

(a)制备DNA树枝结构：将三条末端修饰了磷酸基团且碱基序列彼此互补DNA链S1、S2、S3混合孵育，得到DNA树枝结构；

(b)制备HBV-DNA与Linker复合物：将HBV-DNA与Linker DNA混合孵育，用作启动DNA树枝结构的自组装反应体系；

(c)将固定有捕获探针的SPRi芯片组装在SPRi平台上，先将步骤(b)中HBV-DNA与Linker复合物注入SPRi平台中，所述复合物与捕获探针结合，HBV-DNA与捕获探针杂交；然后将步骤(a)所得DNA树枝结构注入SPRi平台中，与被捕获的HBV-DNA杂交，并引起第一次SPR信号放大；最后注入Zr-MOF(金属有机框架材料，MOF材料)，Zr-MOF通过锆氧键与树枝结构交联，引起第二次SPR信号的大幅度增长，通过检测SPR信号，实现对HBV-DNA的检测。

进一步，所述DNA链S1、S2、S3的5′端修饰有磷酸基团。

进一步，所述步骤(a)中，所述S1的核苷酸序列为：

5′-CCTTAGCATTCGGACTATGGCATGAGCGTGATAGGGGT-3′(SEQ ID NO.1)，

进一步，所述步骤(a)中，所述S2的核苷酸序列为：

5′-CTCATGCCATAGTCCATTAGCTTGCTCGTGATAGGGGT-3′(SEQ ID NO.2)，

进一步，所述步骤(a)中，所述S3的核苷酸序列为：

5′-AGCAAGCTAATGGTGAGCACGGCAGGCGTGATAGGGGT-3′(SEQ ID NO.3)，

进一步，所述步骤(b)中，所述linker DNA的核苷酸序列为：

5′-CCTGCCGTGCTCACCGAATGCTAAGGTACCGTCCCCTTC-3′(SEQ ID NO.4)。

进一步，所述步骤(b)中，所述HBV-DNA的核苷酸序列为：

5′-ACG GCA GAT GAA GAA GGG GAC GGT A-3′(SEQ ID NO.5)。

进一步，所述步骤(c)中，所述捕获探针的核苷酸序列为：

5′-TTC ATC TGC CGT TTT-3′(SEQ ID NO.6)。

进一步，所述步骤(a)中，S1、S2、S3的摩尔比为1∶1∶1。

进一步，所述步骤(a)中，S1、S2、S3通过DNA自组装形成树枝结构。

进一步，所述步骤(a)中，孵育温度为24-28℃，优选为26℃；孵育时间为30-60min，优选为30min。

进一步，所述步骤(a)中，孵育在缓冲液中进行，所述缓冲液选TNaK缓冲液、PBS缓冲液中的至少一种。

进一步，所述步骤(b)中，Linker DNA与HBV-DNA的摩尔比为1∶1。

进一步，所述步骤(b)中，孵育温度为24-28℃，优选为26℃；孵育时间为30-60min，优选为30min。

进一步，所述步骤(b)中，在缓冲液中进行反应，所述缓冲液选TNaK缓冲液、PBS缓冲液中的至少一种。

进一步，所述步骤(c)中，所述Zr-MOF的制备方法为：将1，4-苯二甲酸、氧氯化锆八水合物(ZrOCl₂·8H₂O)分别用有机溶剂溶解，然后将两种溶液混合在一起，再加入酸，然后于110-130所述℃孵育10-14小时，然后离心、洗涤、干燥得Zr-MOF纳米颗粒粉末。

可选地，1，4-苯二甲酸、氧氯化锆八水合物的摩尔比100∶1。

可选地，所述有机溶剂选自DMF、甲醇的至少一种，优选为DMF。

可选地，所述酸选自乙酸、甲酸、苯甲酸的至少一种，优选为乙酸。

进一步，所述步骤(c)中，所述SPRi芯片为金阵列芯片。

进一步，所述步骤(c)中，所述SPRi片上捕获探针的固定方式为：将巯基标记的捕获探针滴加在经过前处理的芯片表面，置于4℃孵育过夜；然后用6-巯基乙醇封闭非特异性吸附位点。

可选地，所述捕获探针的浓度为1μM。

可选地，所述芯片的前处理方式为：用食人鱼溶液对芯片进行处理，再用去离子水超声清洗，清洗后再用氮气吹干待用。

进一步，所述步骤(c)中，所述SPRi平台中还需要加入缓冲液，所述缓冲液选TNaK缓冲液、PBS缓冲液中的至少一种。

本发明第二方面提供一种根据上述方法制备得到的SPRi传感器。

本发明第三方面提供一种基于DNA树枝结构@Zr-MOF检测HBV-DNA的SPRi传感方法，采用第二方面所述的SPRi传感器。

如上所述，本发明的基于DNA树枝结构@Zr-MOF检测HBV-DNA的SPRi传感器的制备与应用，具有以下有益效果：

本发明构建了一种基于DNA树枝结构与Zr-MOF复合物的SPRi传感器，用于免标记、高灵敏检测HBV-DNA，本发明的原理为：本发明将三条末端修饰有磷酸基团且碱基序列彼此互补DNA链S1、S2、S3组装形成DNA树枝型纳米结构，而Zr-MOF(金属有机框架材料)可以通过锆氧键连接在树枝结构上，引起显著的SPR响应，极大地提高检测灵敏度，从而构建了一种在SPRi平台高灵敏、免标记检测HBV-DNA的传感策略。

附图说明

图1显示为本发明所述方法的检测原理图。

图2显示为实施例2中MOF结构的SEM表征结果图(A、B)与紫外吸收光谱图(C)。

图3显示为实施例2中由树枝结构层层组装形成的SPRi平台在有无靶物质存在时的SPR信号响应结果图。

图4显示为实施例2中由MOF结构与树枝结构交联形成的SPRi平台在有无靶物质存在时的SPR信号响应结果图。

图5显示为实施例2中树枝结构的性能分析图。

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SPRi传感器及HBV-DNA检测方法，其原理为：基于DNA树枝结构@Zr-MOF用于免标记和高灵敏的HBV-DNA检测。本发明将三条末端修饰有磷酸基团且碱基序列彼此互补DNA链S1、S2、S3在组装形成DNA树枝型纳米结构，而Zr-MOF(金属有机框架材料)可以通过锆氧键连接在树枝结构上，引起显著的SPR响应，极大地提高检测灵敏度，从而构建了一种在SPRi平台高灵敏、免标记检测HBV-DNA的传感策略。

本发明的具体实施过程如下：

实施例1

制备SPRi传感器并检测HBV-DNA

1、材料

从Sigma-Aldrich(St Louis，MO，USA)获得6-巯基-1-己醇(MCH)，1，4-苯二甲酸，DMF。HPLC纯化的寡核苷酸由上海生工合成。所有溶液均用超纯水(Millipore水净化系统)配制。所用试剂均为分析级。

2、检测仪器

用SPRi平台分析HBV-DNA，SPRi平台由激发SPR效应的激光光源、传感器芯片和用于图像采集的CCD摄像机组成，该平台能够通过金阵列芯片以及两个独立通道同时探测多个目标。光源由红色发光二极管(LED，650nm)发出，利用薄片偏振器获得光的p偏振态，并在金阵列芯片和棱镜之间补充匹配液(n1/41.616)隔绝空气。由一台12位CCD相机(QImaging公司：Refiga 1300)拍摄通过棱镜反射的图像。所有的传感结果都用LabVIEW编写的实验室开发的程序进行分析，传感结果图显示了共振单位(RU)的时间进程。RU被定义为SPR角，其中1000RU等于角度变化约0.1°，SPR角的变化与传感器表面质量的变化成正比。SPRi生物传感器通过测量在固定入射角下反射光的强度变化来检测芯片表面物质之间的相互作用。

3、检测原理

图1显示了本发明的DNA树枝结构@Zr-MOF用于免标记和高灵敏的HBV-DNA检测原理，具体为：首先三条5′端修饰有磷酸基团且碱基序列彼此互补的DNA链S1、S2、S3通过碱基序列互补形成DNA树枝结构，在靶DNA(HBV-DNA)存在的情况下，加入Linker DNA后能被连接到金膜表面，引起第一次SPR信号放大。通过往系统中引入Zr-MOF(MOF，金属有机框架材料)，Zr-MOF通过锆氧键与DNA树枝结构交联，引起第二次SPR信号大幅度放大，实现对HBV-DNA的高灵敏免标记检测。

S1的核苷酸序列为：

5′-CCTTAGCATTCGGACTATGGCATGAGCGTGATAGGGGT-3′(SEQ ID NO.1)。

S2的核苷酸序列为：

5′-CTCATGCCATAGTCCATTAGCTTGCTCGTGATAGGGGT-3′(SEQ ID NO.2)。

S3的核苷酸序列为：

5′-AGCAAGCTAATGGTGAGCACGGCAGGCGTGATAGGGGT-3′(SEQ ID NO.3)。

linker DNA的核苷酸序列为：

5′-CCTGCCGTGCTCACCGAATGCTAAGGTACCGTCCCCTTC-3′(SEQ ID NO.4)。

HBV-DNA的核苷酸序列为：

5′-ACG GCA GAT GAA GAA GGG GAC GGT A-3′(SEQ ID NO.5)。

4、制备过程

(1)金膜表面处理：

用食人鱼溶液(H₂SO₄：H₂O₂＝3∶1)对金阵列芯片处理，再用去离子水超声清洗3次，清洗三次后再用氮气吹干待用。

(2)固定捕获探针：

将1μM巯基标记的捕获探针滴加在处理好的芯片表面，置于4℃孵育过夜；所述捕获探针为巯基修饰的捕获探针，具体序列为：5′-TTC ATC TGC CGT TTT-3′(SEQ ID NO.6)。

(3)采用MCH(6-巯基乙醇)封闭芯片：捕获探针组装好的芯片表面用去离子水冲洗后，用氮气吹干，再滴加40μL 1mM MCH封闭1小时(封闭非特异性吸附位点)。封闭后再次用去离子水冲洗，氮气吹干后待用。

(4)制备DNA树枝结构：将三条5′端修饰有磷酸基团且碱基序列彼此互补的DNA链S1、S2、S3按照1∶1∶1的摩尔比，加入0.01M的PBS缓冲液中，体系组成为10μM的S1、S2、S3各30μL加入至80μL PBS中，总体积为200μL，于26℃混合孵育30min，通过DNA自组装形成DNA树枝结构。

(5)制备HBV-DNA与Linker复合物：将HBV-DNA与Linker DNA按照1：1：1的摩尔比，加入0.01M的PBS缓冲液中，体系组成为为10μM的HBV-DNA与LinkerDNA各30μL加入至140μLPBS中，总体积为200μL，于26℃混合孵育30min，用作启动DNA树枝结构的自组装反应体系。

(6)制备Zr-MOF结构：将1，4-苯二甲酸(100mg)溶解于1mL DMF中，将氧氯化锆八水合物(21mg)溶解于3mL DMF中；然后将两种溶液混合在一起，再加入2mL乙酸，所得溶液在油浴中于120℃孵育12小时；然后将所得反应液离心，去上清，用DMF洗涤，然后再离心，重复1-3次，最后干燥得Zr-MOF纳米颗粒粉末，置于4℃储存。使用前将Zr-MOF纳米颗粒粉末用去离子水配制成浓度为0.05mg/mL的溶液，用于后续使用。

(7)SPRi检测：将步骤(3)所得芯片组装在SPRi传感平台上，首先将0.01M的PBS以8μL min^-1的速度注入仪器，待仪器的信号趋于稳定后，以50μL min^-1的速度通入靶标DNA(HBV-DNA)与Linker DNA的混合物，2分40秒后，混合物通到达芯片的位置与捕获探针发生结合，此时再将进样速度减慢至5μL min^-1，以保证靶标与捕获探针有足够的杂交时间。当SPR信号再次稳定后，将S1、S3、S3自组装形成的树枝结构注入流通池，与所捕获的HBV-DNA杂交。树枝结构所引起的SPR信号稳定后，再将Zr-MOF以相同的速率通入到流通池中，通过锆氧键与树枝结构交联，引起SPR信号大幅度增长。通过检测SPR信号，实现对HBV-DNA的检测。

实施例2

验证检测HBV-DNA的SPRi传感方法的可行性

1、MOF的表征

通过SEM对实施例1合成的Zr-MOF做了相关表征，结果如图2-A和2-B所示。SEM显示合成的Zr-MOF为均一的六方体，体积为600nm左右。

同时，还检测了实施例1中MOF的紫外吸收光谱，，结果如图2-C所示。从图2-C可以看出，在240nm处有特征的吸收峰。

以上结果均与Zr-MOF的特征相符合，说明实施例1成功合成了Zr-MOF。

2、可行性分析

为了验证DNA树枝结构在SPRi平台组装的可行性，向检测系统中依次通入HBV-DNA与Linker DNA的混合物，并将检测SPR信号，结果如图3所示。从图3的SPR信号响应(红色曲线)可以看出，孵育在金膜表面的捕获探针可以成功捕获HBV-DNA与Linker DNA的混合物；加入S1、S2、S3的混合物后，能够再次引起SPR响应，说明由S1-S3组装的DNA树枝结构能与Linker DNA结合并成功的组装在金膜表面。而在没有靶物质时(黑色曲线)，Linker DNA不能与捕获探针结合，进一步，DNA树枝结构也不能被组装到金膜表面。

接下来验证MOF与DNA树枝结构的交联，如图4所示，红色曲线代表了靶DNA存在时，MOF与DNA树枝结构的成功交联，在树枝结构组装到金膜表面后，再往检测系统中加入MOF；当MOF到达金膜的位置后，停止进样，可以观察到SPR信号逐渐增长，这说明锆氧键的逐渐形成使MOF与DNA树枝发生结合。而SPRi系统中不存在靶DNA时(黑色曲线)，树枝结构不能连接到芯片上，相应的，MOF也不会与树枝结构发生交联。

另外，本实施例还探讨了单链DNA与DNA树枝结构结合MOF的能力，如图5所示，与单链DNA(图5所示的B)相比，树枝结构(图5所示的A)能够提供更多的结合位点与MOF结合，从而引起了更大的SPR信号相应。这说明了本发明的方法用于检测HBV-DNA具有良好的可行性。

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。

SEQUENCE LISTING

<110> 重庆医科大学

<120> 基于DNA树枝结构@Zr-MOF检测HBV-DNA的SPRi传感器的制备与应用

<130> PCQYK2110478-HZ

<160> 6

<170> PatentIn version 3.5

<210> 1

<211> 38

<212> DNA

<213> Artificial

<220>

<223> S1

<400> 1

ccttagcatt cggactatgg catgagcgtg ataggggt 38

<210> 2

<211> 38

<212> DNA

<213> Artificial

<220>

<223> S2

<400> 2

ctcatgccat agtccattag cttgctcgtg ataggggt 38

<210> 3

<211> 38

<212> DNA

<213> Artificial

<220>

<223> S3

<400> 3

agcaagctaa tggtgagcac ggcaggcgtg ataggggt 38

<210> 4

<211> 39

<212> DNA

<213> Artificial

<220>

<223> linker DNA

<400> 4

cctgccgtgc tcaccgaatg ctaaggtacc gtccccttc 39

<210> 5

<211> 25

<212> DNA

<213> Artificial

<220>

<223> Artificial

<400> 5

acggcagatg aagaagggga cggta 25

<210> 6

<211> 15

<212> DNA

<213> Artificial

<220>

<223> 捕获探针

<400> 6

ttcatctgcc gtttt 15

Claims

1.一种检测HBV-DNA的SPRi传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(a)制备DNA树枝结构：将三条修饰了磷酸基团且碱基序列彼此互补DNA链S1、S2、S3混合孵育，得到DNA树枝结构；

(b)制备HBV-DNA与Linker复合物：将HBV-DNA与Linker DNA混合，用作启动DNA树枝结构的自组装反应体系；

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述DNA链S1、S2、S3的5′端修饰有磷酸基团；

和/或，所述步骤(a)中，所述S1的核苷酸序列为：

5′-CCTTAGCATTCGGACTATGGCATGAGCGTGATAGGGGT-3′(SEQ ID NO.1)：

所述S2的核苷酸序列为：

5′-CTCATGCCATAGTCCATTAGCTTGCTCGTGATAGGGGT-3′(SEQ ID NO.2)；

所述S3的核苷酸序列为：

5′-AGCAAGCTAATGGTGAGCACGGCAGGCGTGATAGGGGT-3′(SEQ ID NO.3)；

所述linker DNA的核苷酸序列为：

5′-CCTGCCGTGCTCACCGAATGCTAAGGTACCGTCCCCTTC-3′(SEQ ID NO.4)；

所述步骤(b)中，所述HBV-DNA的核苷酸序列为：

5′-ACG GCA GAT GAA GAA GGG GAC GGT A-3′(SEQ ID NO.5)：

所述步骤(c)中，所述捕获探针的核苷酸序列为：

5′-TTC ATC TGC CGT TTT-3′(SEQ ID NO.6)。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(a)中，S1、S2、S3的摩尔比为1∶1∶1；

和/或，所述步骤(a)中，S1、S2、S3通过DNA自组装形成树枝结构；

和/或，所述步骤(a)中，孵育温度为24-28℃，孵育时间为30-60min；

和/或，所述步骤(a)中，在缓冲液中进行孵育，所述缓冲液选TNaK缓冲液、PBS缓冲液中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(b)中，Linker DNA与HBV-DNA的摩尔比为1∶1；

和/或，所述步骤(b)中，孵育温度为24-28℃，孵育时间为30-60min；

和/或，所述步骤(b)中，孵育在缓冲液中进行，所述缓冲液选TNaK缓冲液、PBS缓冲液中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(c)中，所述Zr-MOF的制备方法为：将1，4-苯二甲酸、氧氯化锆八水合物(21mg)分别用有机溶剂溶解，然后将两种溶液混合在一起，再加入乙酸，然后于110-130所述℃孵育10-14小时，然后离心、洗涤、干燥得Zr-MOF纳米颗粒粉末。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：1，4-苯二甲酸、氧氯化锆八水合物的摩尔比100∶1；

和/或，所述有机溶剂选自DMF、甲醇中的至少一种；

和/或，所述酸选自乙酸、甲酸、苯甲酸的至少一种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(c)中，所述SPRi芯片为金阵列芯片；

和/或，所述步骤(c)中，所述SPRi芯片上捕获探针的固定方式为：将巯基标记的捕获探针滴加在经过前处理的芯片表面，置于4℃孵育过夜；然后用6-巯基乙醇封闭非特异性吸附位点。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述步骤(c)中，所述SPRi平台中还需要加入缓冲液，所述缓冲液选TNaK缓冲液、PBS缓冲液中的至少一种。

9.根据权利要求1-8任一项所述的方法制备得到的SPRi传感器。

10.一种基于DNA树枝结构@Zr-MOF检测HBV-DNA的SPRi传感方法，采用权利要求9所述的SPRi传感器。