CN113504374A - 一种利用Fe3O4@MXene核壳结构纳米复合物实现β-淀粉样蛋白精确检测的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用Fe3O4@MXene核壳结构纳米复合物实现β‑淀粉样蛋白精确检测的方法。其采用FAM修饰的β‑淀粉样蛋白适配子（FAM‑aptAβ）作为荧光供体，Fe3O4@MXene核壳结构纳米复合物作为荧光受体。利用MXene的荧光淬灭性质达到FAM‑aptAβ荧光淬灭，利用Aβ与FAM‑aptAβ的强亲和性达到荧光恢复，不同浓度Aβ达到不同的荧光恢复效果，最终利用多体积微流控芯片作为荧光检测装置实现Aβ的精确检测。本发明方法克服了传统检测方法需要大型设备，检测精度低，周期长的缺陷，实现了疾病标志物的快速、精确检测，对临床疾病标志物的即时检验的具有重要借鉴价值。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感、功能材料和微纳检测技术领域，具体为一种利用Fe3O4@MXene核壳结构纳米复合物实现β-淀粉样蛋白精确检测的方法。
背景技术
阿尔兹海默症 (Alzheimer's Disease，AD ) 是临床上以进行性痴呆为特征的最常见的神经退行性疾病。迄今为止，仍没有有效的治疗手段，这使得该疾病成为了一个非常严重的健康和社会问题。虽然目前AD的发病机制尚不清楚，但是大量研究已经清楚地表明，大脑中β样淀粉样蛋白肽 (amyloid β-peptide, Aβ) 的异常聚集是AD神经病理学的典型特征。Aβ不仅在脑内能形成有规则组织的纤维聚集物的缠结还能形成高毒性可溶性低聚物，Aβ低聚物是AD病理学中致病的主要因素。因此，生理条件下对Aβ低聚物的敏感检测对AD的早期临床诊断至关重要。目前已经开发了许多检测AD患者大脑中Aβ低聚物水平的方法。酶联免疫吸附法 (Enzyme linked immunosorbent assay, ELISA) 作为目前临床检测的主要方法，其结果是可靠的，但是其费用昂贵，操作复杂，操作劳动强度大，有污染风险。因此研发一类检测灵敏，操作简单，样品无损的检测设备非常有必要。
荧光检测法以其灵敏度高、响应时间快、操作方便等优点引起了人们的广泛关注。特别是荧光标记适配子的引入，由于适配子对待测物质的高亲和性，消除了荧光淬灭剂的选择困难。同时，基于适配体的功能化纳米材料检测疾病标志物成为了近年来的热点。在过去的几年里,各种各样的纳米材料被设计用作纳米荧光淬灭，包括金纳米颗粒，氧化石墨烯，碳纳米管等等，由于这些材料具有体积小，比表面积大，荧光淬灭效率高等优异特性，实现荧光传感器高灵敏度，快速检测。
纳米材料优异的性能强烈依赖于纳米材料与生物分子之间的相互作用。MXene作为一种新型2D过渡金属碳化物，碳氮化物和氮化物，具有良好的强度，较大的比表面积等优异特性。在众多领域引起了广泛的关注和研究。MXene表面具有丰富的端氧或羟基，以及完整的金属原子层，可以通过氢键、范德华力、静电作用、配位键等与大多数生物分子相互作用，使得它们成为构建生物传感器的独特的纳米生物界面单元。此外，MXene固有的荧光淬灭能力使其在生物传感平台的开发中具有广阔的应用前景。然而，由于单纯MXene材料本身产生的自发荧光的限制，降低了荧光检测信噪比，使检测结果精确性降低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于二维纳米片层材料包覆磁性四氧化三铁核壳结构纳米复合物（Fe3O4 @ MXene）的微流控生物传感器，通过荧光共振能量转移原理精确检测阿尔兹海默症疾病标志物β-淀粉样蛋白Aβ的方法；该检测方法操作简单，样品无损，灵敏度高，精确度高。
本发明基于荧光共振能量转移原理实现疾病标志物β-淀粉样蛋白Aβ的精确检测；其采用羧基荧光素（Carboxyfluorescein，FAM）修饰的β-淀粉样蛋白适配子（FAM-aptAβ）作为荧光供体，二维纳米片层材料包覆磁性四氧化三铁核壳结构纳米复合物（Fe3O4@MXene）作为荧光受体，利用MXene的荧光淬灭性质达到FAM-aptAβ荧光淬灭，利用Aβ与FAM-aptAβ的强亲和性达到荧光恢复，不同浓度Aβ达到不同的荧光恢复效果。同时，Aβ的荧光检测在一个多体积的微流控芯片上进行，大大提高了检测的便携性。本发明的技术方案具体介绍如下。
一种利用Fe3O4@MXene核壳结构纳米复合物实现β-淀粉样蛋白精确检测的方法，包括以下步骤：
（1）采用羧基荧光素FAM修饰的β-淀粉样蛋白Aβ适配子FAM-aptAβ作为荧光供体，Fe3O4@MXene核壳结构纳米复合物作为荧光受体，将FAM-aptAβ与Fe3O4@MXene溶液混合孵育，由于Fe3O4@MXene表面MXene的DNA吸附性，FAM-aptAβ被吸附于Fe3O4@MXene表面，形成FAM-aptAβ/Fe3O4@MXene复合物，FAM-aptAβ荧光淬灭；
（2）将FAM-aptAβ/Fe3O4@MXene复合物加入待检测物Aβ溶液中，由于FAM-aptAβ与Aβ的亲和性远大于FAM-aptAβ与Fe3O4@MXene的吸附性，FAM-aptAβ从Fe3O4@MXene表面脱离并与Aβ结合，生成Aβ-FAM-aptAβ溶液，与此同时FAM-aptAβ的荧光恢复；
（3）利用Fe3O4本身的磁性，通过磁铁吸附作用，将Aβ-FAM-aptAβ溶液中可能产生背景荧光的多余FAM-aptAβ/Fe3O4@MXene复合物、Fe3O4@MXene复合物吸附在试管的底部，实现与上清液中Aβ-FAM-aptAβ的分离；
（4）将上清液Aβ-FAM-aptAβ通过微流控芯片进样口注入微流控芯片进行荧光检测；
（5）测试不同浓度梯度Aβ的荧光强度，绘制Aβ浓度对数（LgCAβ）-荧光强度曲线，寻找LgCAβ与荧光强度呈良好的线性关系的浓度范围，得出拟合曲线方程；
（6）将未知浓度样品上清液按照以上方法注入微流控进样口进行荧光检测。将获得的荧光强度带入拟合方程即可得到样品的浓度，实现待检测物Aβ的精确检测。
优选的，步骤（1）中，Fe3O4@MXene核壳结构纳米复合物通过下述方法获得：首先将Fe3O4纳米微球经阳离子聚电解质-聚二烯丙基二甲基氯化铵（Poly dimethyl diallylammonium chloride，PDDA）溶液处理使其表面携带NH4 +，获得PDDA-Fe3O4溶液，再将PDDA-Fe3O4溶液和MXene溶液搅拌混匀，基于 MXene表面携带的F-和OH-，通过搅拌，使得二维片层MXene完全包覆于Fe3O4表面，形成 Fe3O4@MXene纳米核壳结构；具体步骤如下：
a. 将Fe3O4纳米微球加入0.08-0.15wt%阳离子聚电解质-聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中，在室温条件下搅拌10-12小时；之后进行多次离心，超纯水洗涤几次以除去多余的PDDA，超纯水重悬沉淀制备成PDDA-Fe3O4溶液；
b. 按照PDDA-Fe3O4：MXene质量比为7:3~9:1，将PDDA-Fe3O4溶液逐滴加入预先制备好的5 mg/mL单层MXene溶液中搅拌混匀；
c. 混合孵育一段时间后，利用磁铁将Fe3O4@MXene吸附至试管底部，去除上清中未与PDDA-Fe3O4结合的多余MXene，得到纯净的Fe3O4@MXene溶液。
优选的，步骤（1）生成的FAM-aptAβ/Fe3O4@MXene复合物沉淀通过磁铁吸附作用收集，并用与原溶液同体积的去离子水重悬，以避免Fe3O4@MXene与FAM-aptAβ混合后，部分FAM-aptAβ未吸附到Fe3O4@MXene表面而影响到后续荧光检测。
优选的，步骤（4）中，微流控芯片为聚二甲基硅氧烷基多体积微流控芯片。
优选的，步骤（6）中，Aβ浓度为0.1-200 nM范围内，LgCAβ与荧光强度呈良好的线性关系，得出拟合曲线方程为“荧光强度=56.93+31.63 lgCAβ”。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、该方法采用一种新的方法合成了Fe3O4@MXene核壳纳米结构，并将其作为荧光共振能量转移的荧光受体，实现了较好的荧光淬灭效果（荧光淬灭率达85%左右）。
2. 该方法将样品处理后的上清液注入一个多体积微流控芯片中进行检测，一方面克服了传统检测方法需要大型设备，周期长的缺陷，大大提高了检测的便携性，该微流控芯片具有1792个腔室，实现了多次的平行检测，检测结果误差更小，进一步提高了检测精度。实现了疾病标志物Aβ的快速、简便、高灵敏度检测。
3、本发明方法除了可以用于阿尔兹海默症疾病标志物Aβ的检测，针对其它疾病标志物选用相应荧光标记适配子，也可以类似实现对其它疾病标志物的检测。
4、本发明所涉及的微流控芯片由“盖玻片-PDMS阵列层-基底玻璃层”结构组成，设有一个进样口，利用真空作用力实现被测样品的进样，摆脱了复杂的控制阀限制。同时，在整个进样及测试过程中，所需样品用量小且零损耗，整个样品需求量约为4.5 μL。
附图说明
图1为本发明方法的样品检测流程示意图。
图2为Fe3O4，MXene-Ti3C2及Fe3O4@MXene的结构表征图。a. Fe3O4纳米微球的TEM表征图。 b. PDDA- Fe3O4的TEM表征图。c. MXene的TEM表征图，插图为MXene花样衍射图。d-e.Fe3O4@MXene的SEM表征图。f. Fe3O4 及Fe3O4@MXene的粒径统计图。
图3为荧光淬灭与恢复图像及统计图。a. FAM-aptAβ中加入Fe3O4@MXene后荧光淬灭图像。b. FAM-aptAβ中加入不同浓度Fe3O4@MXene后，荧光淬灭效率统计图。c. FAM-aptAβ/Fe3O4@MXene中加入Aβ并除去Fe3O4@MXene后的荧光恢复图像。d. 荧光恢复前后荧光强度对比图。
图4为用注射样品后微流控芯片照片图及不同浓度Aβ检测图。a. 微流控整体器件照片。b. 微流控芯片检测区域放大图。c.不同浓度Aβ（0.1-200 nM）的荧光检测图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实现β-淀粉样蛋白精确检测的方法的流程图，其主要包括Fe3O4@MXene合成，荧光淬灭和恢复，微流控芯片检测三个部分，具体如下：
Fe3O4@MXene合成： Fe3O4纳米微球外层先包裹PDDA形成PDDA-Fe3O4，再包裹MXene形成Fe3O4@MXene核壳结构纳米复合物；
荧光淬灭和恢复：将FAM-aptAβ与Fe3O4@MXene孵育，FAM-aptAβ吸附于Fe3O4@MXene表面，FAM-aptAβ的荧光淬灭；当加入Aβ后，FAM-aptAβ脱离Fe3O4@MXene表面与Aβ结合，形成Aβ-Fe3O4@MXene复合物，与此同时FAM-aptAβ的荧光重新恢复。用磁铁吸附将Fe3O4@MXene与Aβ-FAM-aptAβ分离并除去Fe3O4@MXene；
微流控芯片检测：将Aβ-FAM-aptAβ通过微流控芯片进样口注入微流控芯片进行荧光检测。不同的Aβ浓度对应不同的荧光强度，绘制Aβ浓度的对数与荧光强度的曲线，寻找呈良好线性关系的浓度范围（0.1-200 nM），得出拟合曲线方程。在该浓度范围内的样品均可通过本传感器检测得到对应荧光强度，带入拟合方程后得到样品浓度。
实施例中，Fe3O4@MXene采用以下方法合成：
a. 将平均直径约500 nm的Fe3O4纳米微球（图2a）加入50 mL阳离子聚电解质-聚二烯丙基二甲基氯化铵 (PDDA，0.1%) 溶液中，在室温条件下剧烈搅拌10-12小时。之后进行多次离心，超纯水洗涤几次以除去多余的PDDA，超纯水重悬沉淀制备成PDDA-Fe3O4溶液。图2b为 PDDA- Fe3O4的TEM表征图。
b. 按照PDDA-Fe3O4：MXene质量比为7:3~9:1的比例，将PDDA-Fe3O4溶液逐滴加入预先制备好的单层MXene溶液中（5 mg/mL）搅拌混匀；图2c为 MXene（Ti3C2二维材料）的TEM表征图，插图为MXene花样衍射图。
c. 混合孵育一段时间后，利用磁铁将Fe3O4@MXene吸附至试管底部，去除上清中未与PDDA-Fe3O4结合的多余MXene，得到纯净的Fe3O4@MXene溶液；图2d为Fe3O4@MXene的SEM表征图，插图为单个Fe3O4@MXene微球的SEM放大图；图2e为Fe3O4 @MXene微球表面SEM放大图。图2f为Fe3O4及Fe3O4@MXene的粒径统计图，Fe3O4微球粒径在500 nm左右，合成Fe3O4@MXenee微球后粒径在800 nm左右。
实施例中，荧光淬灭过程及淬灭效果检测通过以下方法进行：
a. 将FAM-aptAβ与Fe3O4@MXene溶液混合孵育，由于Fe3O4@MXene表面MXene的DNA吸附性，FAM-aptAβ被吸附于Fe3O4@MXene表面，形成FAM-aptAβ/ Fe3O4@MXene复合物。与此同时，由于FAM-aptAβ与MXene之间发生荧光共振能量转移，FAM-aptAβ的荧光被淬灭；
b. 通过荧光显微镜观测荧光淬灭效果。将60 µL FAM标记的适配体加入不同浓度的等体积的Fe3O4@MXene中，混匀后在室温下避光孵育1小时，孵育完后将样品滴加到载玻片上，将载玻片放置在50 ℃热板上烘干，待样品烘干后滴加防淬灭剂随后盖上盖玻片在荧光显微镜下观察，荧光强度通过Image J软件进行统计。图3a为 FAM-aptAβ中加入Fe3O4@MXene后用荧光显微镜拍摄的图像，FAM-aptAβ荧光基本被淬灭，只看到微弱的荧光点。
c. 通过酶标仪进行荧光淬灭效果检测。将60 µL FAM标记的适配体加入不同浓度的等体积的Fe3O4@MXene中，混匀后在室温下避光孵育1小时，孵育完后将样品加入96孔板，每个样品设置2个副孔。采用BioTek酶标仪对样品荧光强度进行检测。图3b为同浓度FAM-aptAβ中加入不同浓度Fe3O4@MXene后，用酶标仪进行荧光检测，得到荧光淬灭效率统计图。可以看出通过调节Fe3O4@MXene浓度可以达到最大程度的荧光淬灭（淬灭率达85%左右）。
实施例中，荧光恢复过程及恢复效果检测通过以下方法进行：
a. 将一定量的Aβ加入到上述荧光淬灭的FAM-aptAβ/Fe3O4@MXene溶液中，在室温下孵育12小时。由于FAM-aptAβ与Aβ的亲和性远大于FAM-aptAβ与Fe3O4@MXene的亲和性，因此FAM-aptAβ脱离Fe3O4@MXene表面而与Aβ结合形成Aβ-FAM-aptAβ。
b. 用磁铁将上述溶液中Fe3O4@MXene吸附到底部与上清液中Aβ-FAM-aptAβ分离，将上清转移至新的试管或微流控芯片中进行荧光检测。
c. 通过荧光显微镜观测荧光淬灭效果。将上清滴加到载玻片上将载玻片放置在50 ℃热板上烘干，待样品烘干后滴加防淬灭剂随后盖上盖玻片在荧光显微镜下观察，荧光强度通过Image J软件进行统计。图3 c为FAM-aptAβ/Fe3O4@MXene中加入Aβ，并除去Fe3O4@MXene后的荧光显微镜拍摄图像，与图3a相比，荧光强度明显增强。
d. 通过酶标仪进行荧光淬灭效果检测。将上述清夜加入96孔板，每个样品设置2个副孔。采用BioTek酶标仪对样品荧光强度进行检测。图3d为荧光淬灭-荧光恢复样品的酶标仪荧光强度检测图。经过对比，在加入Aβ样品后，荧光强度明显恢复。
实施例中，微流控芯片为聚二甲基硅氧烷基多体积微流控芯片，微流控芯片由“盖玻片-PDMS阵列层-基底玻璃层”结构组成，设有一个进样口，具有1792个腔室。图4a为注射红色染料后微流控芯片光学照片图，图4为微流控芯片检测区域的放大图；样品通过真空产生的PDMS负压驱动样品自吸附并自分离至微流控芯片各个腔室，具体方法如下：
a. 将微流控芯片进样口用胶带封闭，将芯片放入真空箱中抽真空。
b. 真空半小时后取出芯片，用进样针戳破封闭进样口胶带，将样品加入进样口。
c. 样品依靠真空产生的气压几秒内迅速被吸入各个腔室。
d. 在芯片上加一层盖玻片，以防止样品蒸干。用荧光显微镜检测芯片各个腔室荧光信号。图4 c为不同浓度Aβ样品（0.1-200 nM）的荧光检测图。
本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种利用Fe3O4@MXene核壳结构纳米复合物实现β-淀粉样蛋白精确检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用羧基荧光素FAM修饰的β-淀粉样蛋白Aβ适配子FAM-aptAβ作为荧光供体，Fe3O4@MXene核壳结构纳米复合物作为荧光受体，将FAM-aptAβ与Fe3O4@MXene溶液混合孵育， FAM-aptAβ被吸附于Fe3O4@MXene表面，获得使得FAM-aptAβ荧光淬灭效果达到最大程度的FAM-aptAβ/Fe3O4@MXene复合物；
（2）将收集的FAM-aptAβ/Fe3O4@MXene复合物分别加入一系列不同浓度梯度的Aβ溶液中，形成Aβ-FAM-aptAβ；
（3）利用Fe3O4本身的磁性，通过磁铁吸附作用，将一系列Aβ-FAM-aptAβ溶液中可能产生背景荧光的多余FAM-aptAβ/Fe3O4@MXene复合物、Fe3O4@MXene复合物吸附在试管的底部，实现与上清液中Aβ-FAM-aptAβ的分离；
（4）将步骤（4）获得的一系列上清液分别通过微流控芯片进样口注入微流控芯片进行荧光检测得到相对应的一系列荧光检测结果；
（5）根据测量的一系列不同浓度梯度的Aβ后得到的荧光检测结果，绘制Aβ浓度对数LgCAβ-荧光强度曲线，寻找LgCAβ与荧光强度呈良好的线性关系的浓度范围，得出拟合曲线方程；
（6）将待测未知浓度的Aβ样品按照步骤（1）-（4）处理获得的上清液注入微流控进样口进行荧光检测，将获得的荧光强度带入拟合曲线方程即可得到样品的浓度，实现待检测物Aβ的精确检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）中，Fe3O4@MXene核壳结构纳米复合物通过下述方法获得：首先将Fe3O4纳米微球经阳离子聚电解质-聚二烯丙基二甲基氯化铵PDDA溶液处理使其表面携带NH4 +，获得PDDA-Fe3O4溶液，再将PDDA-Fe3O4溶液和MXene溶液搅拌混匀，基于 MXene表面携带的F-和OH-，通过搅拌，使得二维片层MXene完全包覆于Fe3O4表面，形成 Fe3O4@MXene核壳纳米结构。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，Fe3O4@MXene核壳结构纳米复合物的制备方法具体如下：
a. 将Fe3O4纳米微球加入0.08-0.15wt%阳离子聚电解质-聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中，在室温条件下搅拌10-12小时；之后进行多次离心，超纯水洗涤几次以除去多余的PDDA，超纯水重悬沉淀制备成PDDA-Fe3O4溶液；
b. 按照PDDA-Fe3O4：MXene质量比为7:3~9:1，将PDDA-Fe3O4溶液逐滴加入预先制备好的5 mg/mL单层MXene溶液中搅拌混匀；
c. 混合孵育一段时间后，利用磁铁将Fe3O4@MXene吸附至试管底部，去除上清中未与PDDA-Fe3O4结合的多余MXene，得到纯净的Fe3O4@MXene沉淀，用去离子水重悬沉淀，得到纯净的Fe3O4@MXene溶液。
4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，MXene为二维Ti3C2材料。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）生成的FAM-aptAβ/Fe3O4@MXene复合物沉淀通过磁铁吸附作用收集，并用与原溶液同体积的去离子水重悬，以避免Fe3O4@MXene与FAM-aptAβ混合后，部分FAM-aptAβ未吸附到Fe3O4@MXene表面而影响到后续荧光检测。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，微流控芯片为聚二甲基硅氧烷基多体积微流控芯片。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（5）中，Aβ浓度为0.1-200 nmol/L范围内，LgCAβ与荧光强度呈良好的线性关系，得出拟合曲线方程为“荧光强度=56.93+31.63lgCAβ” 。
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