CN113533252A - 一种基于强耦合体系的传感器、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于强耦合体系的传感器、制备方法及其应用，其中基于强耦合体系的传感器包括：金属纳米颗粒；J聚集体染料，吸附于所述金属纳米颗粒表面；抗原，吸附于所述J聚集体染料表面，该基于强耦合体系的传感器应用在病毒检测中时能快速且准确的筛查出特定病毒携带者。

Description

一种基于强耦合体系的传感器、制备方法及其应用
技术领域
本发明属于生物检测技术领域，特别涉及一种基于强耦合体系的传感器、制备方法及其应用。
背景技术
对于病毒的快速高灵敏检测既是关键的生物医学问题，同时也是重要的社会公共安全问题。这是因为，很多情况下病毒如果不能在早期快速被检测发现，就会迅速蔓延成危害巨大的传染性疾病，造成巨大社会和经济损失，比如扎卡病毒、埃博拉病毒、新冠病毒等。
使用免疫检测技术检测病毒抗原或病毒引起的抗体是病毒检测的重要手段之一。目前对于病毒的快速和早期检测的主要方法有酶联免疫检测，纳米颗粒标记检测等。其中酶联免疫检测是将酶催化反应的放大作用和抗原抗体亲和反应的高度专一性、特异性相结合，以酶标记的抗原或抗体作为主要试剂进行免疫测试，所以具有很高的灵敏度，但现有的酶联免疫检测方法比较费时，不能很快的出检查结果。纳米颗粒标记检测方法操作简单快捷，结果清晰易辨，但灵敏度比较差。
因此提供一种快速且灵敏度高的病毒检测工具及方法对于快速且准确的筛查人群中的特定病毒携带者具有重要意义。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于强耦合体系的传感器、制备方法及其应用，该基于强耦合体系的传感器应用在病毒检测中时能快速且准确的筛查出特定病毒携带者。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
一种基于强耦合体系的传感器，包括：金属纳米颗粒；J聚集体染料，吸附于所述金属纳米颗粒表面；抗原，吸附于所述J聚集体染料表面。
优选的，所述金属纳米颗粒为具有局域表面等离子共振特性的金属纳米颗粒。
优选的，所述金属纳米颗粒为金纳米棒及银包金纳米颗粒中的至少一种。
进一步优选的，所述金属纳米颗粒为银包金纳米颗粒。
优选的，所述抗原为病毒相关的抗原。
本发明的另一个目的在于提供一种上述基于强耦合体系的传感器的制备方法：
一种如上所述基于强耦合体系的传感器的制备方法，包括以下步骤：
制备含金属纳米颗粒的溶液；
制备J聚体分子溶液：将1,1′-二乙基-2,2′-碘化氰单体溶液加热至初始温度后，加入氯化钠并加热至初始温度使氯化钠溶解，冷却后即得；
将J聚体分子溶液加入到含金属纳米颗粒的溶液中，静置反应后，将反应产物分散于水中，得到表面吸附有J聚体分子的金属纳米颗粒溶液；
将抗原溶液加入到表面吸附有J聚体分子的金属纳米颗粒溶液中，振荡、孵育、将反应产物分散于水中，即得。
优选的，所述含金属纳米颗粒的溶液为银包金纳米颗粒溶液，其制备步骤为：
S1.将氯金酸溶液加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌，然后加入硼氢化钠溶液并搅拌，反应得到晶种溶液；
S2.在S1制得的晶种溶液中加入十六烷基三甲基溴化铵溶液、氯金酸溶液、硝酸银溶液及L-抗坏血酸溶液，搅拌后，20-30℃下第一次水浴，得到金纳米棒溶液；
S3.将S2制得的金纳米棒溶液中加入硝酸银溶液、L-抗坏血酸溶液，60-70℃下第二次水浴，水浴后将溶液离心，分散于水中，得到银包金纳米颗粒溶液。
优选的，所述的初始温度为80-90℃。
基于强耦合体系的传感器在病毒筛查中的应用。
在上述应用过程中，所述基于强耦合体系的传感器能结合光谱检测设备对病毒进行筛查，且筛查时，其吸收光谱图能呈现两个吸收峰，定义强耦合体系的传感器的折射率传感响应ISC，其中ISC＝[(Ip1+Ip2)/2+Iv]/[(Ip1+Ip2)/2-Iv]，其中Ip1和Ip2是两个吸收峰的强度值，Iv是两个吸收峰之间的谷的强度值，通过将人体血清样品中的ISC值与标准病毒抗体样品的ISC值进行对比，实现对特定病毒携带者的筛选。
一种病毒检测试剂盒，包括如上所述的基于强耦合体系的传感器。
本发明的有益效果是：本发明的基于强耦合体系的传感器应用在病毒筛查中，只需要通过光谱检测设备对样品前后的光强度进行检测，一旦抗原与待检测样本结合，光强度就会发生变化，通过检测光强度就可以快速测得结果，实现高灵敏度检测；同时，该传感器不需要任何修饰即可完成对样本的检测，通过一步检测即能实现样本的快速识别；此外，本发明公开的基于强耦合体系的传感器所需要用到的样品极少，检测成本很低，污染很小；
同时纳米颗粒传感器的传统体系是，折射率改变，带来金属体系电子极化强度改变，从而带来共振峰位的移动；而本申请的基于强耦合体系的传感器，原理是折射率改变，带来体系电子跃迁几率的变化，从而带来光谱强度的变化，本申请利用特定的J聚集体染料，使得制备得到的传感器具有强耦合体系，利用分子激子的能级与等离子体的振动频率相匹配，使两者之间发生相干能量传递，形成新杂化态，使得其在光谱上表现为新的模式，会产生两个吸收峰和一个谷，如图1所示，相比于传统体系的纳米颗粒传感器，强耦合体系的灵敏度得到很大的提高，再通过定义强耦合体系的传感器的折射率传感响应ISC(其中ISC＝[(Ip1+Ip2)/2+Iv]/[(Ip1+Ip2)/2-Iv]，其中Ip1和Ip2是两个吸收峰的强度值，Iv是两个吸收峰之间的谷的强度值)，使得在实际应用中，通过将人体血清样品中的ISC值与标准病毒抗体样品的ISC值进行对比，能快速且准确的筛选出特定病毒携带者。
附图说明
图1为本发明的基于强耦合体系的传感器在病毒检测中的吸收光谱示意图；
图2为本发明实施例1的传感器的TEM图；
图3为本发明实施例1的检测原理图；
图4为利用实施例1的传感器在不同浓度的SARS-CoV-2抗体检测中ISC的值与抗体浓度之间的关系图；
图5为利用实施例2的传感器在不同浓度的HA特异性抗体检测中ISC的值与抗体浓度之间的关系图。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明做进一步的说明。
实施例1：
如图2所示，一种基于强耦合体系的传感器，包括：银包金纳米颗粒、J聚集体染料、SARS-CoV-2重组核蛋白；其中，J聚集体染料吸附于银包金纳米颗粒表面；SARS-CoV-2重组核蛋白吸附于所述J聚集体染料表面，图2圈中所示为SARS-CoV-2重组核蛋白。
上述基于强耦合体系的传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备银包金纳米颗粒的溶液：
S1.晶种溶液的制备：取25μL 0.1M的氯金酸溶液加入到10mL 0.1M的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌均匀，然后将0.6ml的0.01M的硼氢化钠溶液加入到溶液中，并快速搅拌5分钟，溶液由淡黄色变为香槟色，得到晶种溶液；
S2.金纳米棒溶液的制备：取100μL晶种溶液，在其中依次加入0.1M的十六烷基三甲基溴化铵溶液100mL、0.1M的氯金酸溶液0.5mL、0.1M的硝酸银溶液80μL及0.1M的L-抗坏血酸溶液0.55ml，搅拌5分钟，静置于25℃水浴锅内15小时，得到金纳米棒溶液；
S3.金纳米棒溶液的纯化：取100mL金纳米棒溶液分散于80ml 0.05M的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，加入2mL 4M氯化钠溶液，静置一夜，取上层清液，9000r/min，离心20分钟，将沉淀物分散于80mL 0.08M的十六烷基三甲基氯化铵溶液中。
S4.银包金纳米颗粒溶液的制备：取3ml纯化后的金纳米棒溶液，加入0.48mL0.01M的硝酸银溶液、0.11mL 0.1M L-抗坏血酸溶液，置于65℃水浴锅内4小时，取3mL水浴后的溶液，5000r/min，15分钟，离心两次，然后将沉淀物分散于200μL去离子水中，得到银包金纳米颗粒溶液。
(2)制备J聚体分子溶液：将1mL 2.5×10-5M的1,1′-二乙基-2,2′-碘化氰单体溶液在85℃下加热20分钟，加入292mg氯化钠并在85℃下加热4分钟，用吸管吹打溶液溶解氯化钠，用自来水冲洗冷却溶液至室温，溶液为亮黄色，即得；
(3)将50μL J聚体分子溶液加入到200μL银包金纳米颗粒的溶液中，静置反应10min，加入1.5mL去离子水，3200r/min，10min，离心2次，最后将沉淀物分散于3mL的去离子水中，并超声3min；
(4)取1ml步骤(3)制得的溶液于离心管中，避光放置，然后取5μL SARS-CoV-2重组核蛋白(N蛋白，1.618mg/mL)加入到离心管中，在速度为200rpm的摇床上振荡2h，之后加入1％的BSA溶液，继续孵育30min后，以2000r/min的转速离心2min，沉淀用等体积的去离子水重新分散，最后得到基于强耦合纳米体系的传感器。
一种SARS-CoV-2病毒检测试剂盒，包括如上所述的基于强耦合体系的传感器。
实施例2：
一种基于强耦合体系的传感器，包括：银包金纳米颗粒、J聚集体染料、H1N1重组核蛋白；其中，J聚集体染料吸附于银包金纳米颗粒表面；H1N1重组核蛋白吸附于所述J聚集体染料表面。
上述基于强耦合体系的传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备银包金纳米颗粒的溶液：
S1.晶种溶液的制备：取25μL 0.1M的氯金酸溶液加入到10mL 0.1M的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌均匀，然后将0.6ml的0.01M的硼氢化钠溶液加入到溶液中，并快速搅拌5分钟，溶液由淡黄色变为香槟色，得到晶种溶液；
S2.金纳米棒溶液的制备：取100μL晶种溶液，在其中依次加入0.1M的十六烷基三甲基溴化铵溶液100mL、0.1M的氯金酸溶液0.5mL、0.1M的硝酸银溶液80μL及0.1M的L-抗坏血酸溶液0.55ml，搅拌5分钟，静置于25℃水浴锅内15小时，得到金纳米棒溶液；
S3.金纳米棒溶液的纯化：取100mL金纳米棒溶液分散于80ml 0.05M的十六烷基三甲基溴化铵溶液中，加入2mL 4M氯化钠溶液，静置一夜，取上层清液，9000r/min，离心20分钟，将沉淀物分散于80mL 0.08M的十六烷基三甲基氯化铵溶液中。
S4.银包金纳米颗粒溶液的制备：取3ml纯化后的金纳米棒溶液，加入0.22mL0.01M的硝酸银溶液、0.11mL 0.1M L-抗坏血酸溶液，置于65℃水浴锅内4小时，取3mL水浴后的溶液，5000r/min，15分钟，离心两次，然后将沉淀物分散于200μL去离子水中，得到银包金纳米颗粒溶液。
(2)制备J聚体分子溶液：将1mL 2.5×10-5M的1,1′-二乙基-2,2′-碘化氰单体溶液在85℃下加热20分钟，加入292mg氯化钠并在85℃下加热4分钟，用吸管吹打溶液溶解氯化钠，用自来水冲洗冷却溶液至室温，溶液为亮黄色，即得；
(3)将50μL J聚体分子溶液加入到200μL银包金纳米颗粒的溶液中，静置反应10min，加入1.5mL去离子水，3200r/min，10min，离心2次，最后将沉淀物分散于3mL的去离子水中，并超声3min；
(4)取3ml步骤(3)制得的溶液于离心管中，避光放置，然后取10μL H1N1重组蛋白(浓度120ug/mL，HA蛋白)加入到离心管中，在速度为200rpm的摇床上振荡2h，之后加入1％的BSA溶液，继续孵育30min后，以2000r/min的转速离心2min，沉淀用等体积的去离子水重新分散，最后得到基于强耦合纳米体系的传感器。
一种H1N1病毒检测试剂盒，包括如上所述的基于强耦合体系的传感器。
试验例1
取浓度为2μg/mL的SARS-CoV-2抗体溶液于离心管中，用PBS稀释得到不同浓度的抗体溶液，分别取3μL加入到300μL基于实施例1的基于强耦合体系的传感器的溶液中，使SARS-CoV-2抗体在混合溶液中的浓度分别为0ng/mL、0.01ng/mL、0.02ng/mL、0.05ng/mL、0.1ng/mL、0.5ng/mL、1ng/mL、5ng/mL、10ng/mL、20ng/mL。静置孵育5min后依次记录其吸收光谱，检测原理如图3所示，实施例1的基于强耦合体系的传感器表面吸附有SARS-CoV-2重组核蛋白，其能与SARS-CoV-2抗体特异性结合，由于使用了特定的J聚集体染料，使得其在光谱上表现为新的模式，会产生两个吸收峰和一个谷，根据吸收光谱图，定义强耦合体系的传感器的折射率传感响应ISC，其中ISC＝[(Ip1+Ip2)/2+Iv]/[(Ip1+Ip2)/2-Iv]，其中Ip1和Ip2是两个吸收峰的强度值，Iv是两个吸收峰之间的谷的强度值，ISC的值与SARS-CoV-2抗体浓度之间的关系如图4所示。
由图4所示，本申请的基于强耦合体系的传感器应用在筛查人群中的SARS-CoV-2病毒携带者中时具有优异的灵敏度，通过ISC的值其能识别出浓度仅为0.01ng/mL抗体样本，通过将人体血清样品中的ISC值与图4中的ISC值进行对比，便能实现对SARS-CoV-2病毒携带者的快速检测与筛查。
试验例2
分别取3μL HA特异性抗体溶液加入到300μL基于实施例2的基于强耦合体系的传感器的溶液中，使HA特异性抗体在混合溶液中的浓度分别为0ng/mL、0.01ng/ml、0.1ng/mL、0.3ng/mL、1ng/mL、3ng/mL、10ng/mL。静置孵育5min后依次记录其吸收光谱，根据吸收光谱图，定义强耦合体系的传感器的折射率传感响应ISC，其中ISC＝[(Ip1+Ip2)/2+Iv]/[(Ip1+Ip2)/2-Iv]，其中Ip1和Ip2是两个吸收峰的强度值，Iv是两个吸收峰之间的谷的强度值，ISC的值与HA特异性抗体浓度之间的关系如图5所示。
由图5所示，本申请的基于强耦合体系的传感器应用在筛查人群中的H1N1病毒携带者中时具有优异的灵敏度，通过ISC的值其能识别出浓度仅为0.01ng/mL抗体样本，通过将人体血清样品中的ISC值与图5中的ISC值进行对比，便能实现对H1N1病毒携带者的快速检测与筛查。
需要说明的是，两个试验例得到的光谱以及ISC有差异是由于合成的强耦合体系传感器存在批次间的差异，为不可控因素。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于强耦合体系的传感器，其特征在于，包括：
金属纳米颗粒；
J聚集体染料，吸附于所述金属纳米颗粒表面；
抗原，吸附于所述J聚集体染料表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于强耦合体系的传感器，其特征在于：所述金属纳米颗粒为具有局域表面等离子共振特性的金属纳米颗粒。
3.根据权利要求2所述的一种基于强耦合体系的传感器，其特征在于：所述金属纳米颗粒为金纳米棒及银包金纳米颗粒中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种基于强耦合体系的传感器，其特征在于：所述抗原为病毒相关的抗原。
5.一种如权利要求1至4任一项所述基于强耦合体系的传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
制备含金属纳米颗粒的溶液；
制备J聚体分子溶液：将1,1′-二乙基-2,2′-碘化氰单体溶液加热至初始温度后，加入氯化钠并加热至初始温度使氯化钠溶解，冷却后即得；
将J聚体分子溶液加入到含金属纳米颗粒的溶液中，静置反应后，将反应产物分散于水中，得到表面吸附有J聚体分子的金属纳米颗粒溶液；
将抗原溶液加入到表面吸附有J聚体分子的金属纳米颗粒溶液中，振荡、孵育、将反应产物分散于水中，即得。
6.根据权利要求5所述的一种基于强耦合体系的传感器的制备方法，其特征在于：所述含金属纳米颗粒的溶液为银包金纳米颗粒溶液，其制备步骤为：
S1.将氯金酸溶液加入到十六烷基三甲基溴化铵溶液中，搅拌，然后加入硼氢化钠溶液并搅拌，反应得到晶种溶液；
S2.在S1制得的晶种溶液中加入十六烷基三甲基溴化铵溶液、氯金酸溶液、硝酸银溶液及L-抗坏血酸溶液，搅拌后，20-30℃下第一次水浴，得到金纳米棒溶液；
S3.将S2制得的金纳米棒溶液中加入硝酸银溶液、L-抗坏血酸溶液，60-70℃下第二次水浴，水浴后将溶液离心，分散于水中，得到银包金纳米颗粒溶液。
7.根据权利要求5所述的一种基于强耦合体系的传感器的制备方法，其特征在于：所述的初始温度为80-90℃。
8.如权利要求1-4任一项所述基于强耦合体系的传感器在病毒筛查中的应用。
9.根据权利要求8所述的基于强耦合体系的传感器在病毒筛查中的应用，其特征在于：所述基于强耦合体系的传感器能结合光谱检测设备对病毒进行筛查，且筛查时，其吸收光谱图能呈现两个吸收峰，定义强耦合体系的传感器的折射率传感响应ISC，其中ISC＝[(Ip1+Ip2)/2+Iv]/[(Ip1+Ip2)/2-Iv]，其中Ip1和Ip2是两个吸收峰的强度值，Iv是两个吸收峰之间的谷的强度值，通过将人体血清样品中的ISC值与标准病毒抗体样品的ISC值进行对比，实现对特定病毒携带者的筛选。
10.一种病毒检测试剂盒，其特征在于：包括权利要求1-4任一项所述的基于强耦合体系的传感器。
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