CN114235926B - 光电化学生物传感平台及构建方法与其在piRNA检测中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子核心及生物医药技术领域，涉及敏感元件的制造及基因检测，具体涉及光电化学生物传感平台及构建方法与其在piRNA检测中的应用，包括电极，电极表面依次附着光敏层、金纳米颗粒层，金纳米颗粒层通过连接链连接纳米二氧化硅；光敏层的材质为黑磷/红磷异质结与碲化铋的杂化体，连接链由DNA探针1与DNA探针2互补杂交形成，DNA探针1与金纳米颗粒层连接，DNA探针2与纳米二氧化硅连接；连接链能够识别靶piRNA，识别靶piRNA后DNA探针1与DNA探针2解旋，DNA探针2与纳米二氧化硅从电极表面释放，且DNA探针1与靶piRNA互补杂交。本发明能够灵敏检测血清中的piRNA。

Description

光电化学生物传感平台及构建方法与其在piRNA检测中的 应用
技术领域
本发明属于电子核心及生物医药技术领域，涉及敏感元件的制造及基因检测，具体涉及光电化学生物传感平台及构建方法与其在piRNA检测中的应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
piRNA是一种能够与piwi蛋白相互作用的非编码小RNA。piRNA充当piwi蛋白的向导，用于调节靶基因的表达以及转录和转录后水平的修饰。piRNA不仅在调节生殖方面发挥重要作用，而且在遗传、发育、癌症等疾病中也发挥着重要作用，因而被认为是一类很有前途的生物标志物。所以需要提供一种新的灵敏检测piRNA的方法。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供光电化学生物传感平台及构建方法与其在piRNA检测中的应用，能够灵敏检测血清中的piRNA。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一方面，一种光电化学生物传感平台，包括电极，所述电极表面依次附着光敏层、金纳米颗粒层，金纳米颗粒层通过连接链连接纳米二氧化硅；所述光敏层的材质为黑磷/红磷异质结与碲化铋的杂化体，所述连接链由DNA探针1与DNA探针2互补杂交形成，所述DNA探针1与金纳米颗粒层连接，所述DNA探针2与纳米二氧化硅连接；所述连接链能够识别靶piRNA，识别靶piRNA后DNA探针1与DNA探针2解旋，DNA探针2与纳米二氧化硅从电极表面释放，且DNA探针1与靶piRNA互补杂交。双链特异性核酸酶能够特异性切割DNA探针1与靶piRNA所形成互补双链中的DNA探针1，靶piRNA被释放并能够继续与另一连接链的DNA探针1结合并释放DNA探针2和纳米二氧化硅，形成反应循环。
本发明利用黑磷/红磷异质结@碲化铋杂化体作为光敏材料，利用DNA探针1与DNA探针2形成的连接链，实现双链特异性核酸酶促信号放大的目的，最终实现对靶piRNA的特异性、超灵敏检测。
另一方面，一种上述光电化学生物传感平台的构建方法，包括以下步骤：
以黑磷/红磷异质结与碲化铋的杂化体作为光敏材料，在电极表面制备光敏层，在光敏层表面沉积金纳米颗粒层获得光响应层；
将DNA探针1与DNA探针2孵育互补，添加纳米二氧化硅，通过化学反应使DNA探针2与纳米二氧化硅连接获得复合探针体系；
将复合探针体系与光响应层进行混合孵育，使DNA探针1与金纳米颗粒层与连接，即得。
第三方面，一种上述光电化学生物传感平台在piRNA检测和/或在搭建检测piRNA系统中的应用。
第四方面，一种piRNA的检测方法，将待测液和双链特异性核酸酶滴加上述光电化学生物传感平台上进行孵育，将孵育后的光电化学生物传感平台作为工作电极进行光电化学检测。
第五方面，一种piRNA的检测试剂盒，包括上述光电化学生物传感平台和双链特异性核酸酶。
本发明的有益效果为：
本发明通过黑磷/红磷异质结@碲化铋杂化体和双链特异性核酸酶进信号放大策略构建了光电化学生物传感平台。本发明构建的光电化学生物传感平台用于血清中piRNA的检测，具有灵敏度高、特异性好、准确度高等优点，本发明以结直肠癌相关的piRNA-823为例进行实验，表明该光电化学生物传感平台能够对piRNA进行超灵敏检测。该光电化学生物传感平台能够检测的piRNA-823浓度范围为0.1fM至1nM，检测限低至0.016fM。该传感平台不仅能够检测结直肠癌相关的piRNA(piRNA-823)，也可以通过替换相应的复合探针体系检测其它疾病相关的piRNA，在疾病检测领域具有广阔的应用前景。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为实施例1的黑磷/红磷异质结的扫描电镜图；
图2为实施例1的碲化铋的扫描电镜图；
图3为实施例1的羧基修饰的纳米二氧化硅的傅里叶变换红外光谱；
图4为实施例1的光电流与piRNA-823浓度之间的拟合直线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，需要提供一种新的灵敏检测piRNA的方法，本发明提出了光电化学生物传感平台及构建方法与其在piRNA检测中的应用。
本发明的一种典型实施方式，提供了一种光电化学生物传感平台，包括电极，所述电极表面依次附着光敏层、金纳米颗粒层，金纳米颗粒层通过连接链连接纳米二氧化硅；所述光敏层的材质为黑磷/红磷异质结与碲化铋的杂化体，所述连接链由DNA探针1与DNA探针2互补杂交形成，所述DNA探针1与金纳米颗粒层连接，所述DNA探针2与纳米二氧化硅连接；所述连接链能够识别靶piRNA，识别靶piRNA后DNA探针1与DNA探针2解旋，且DNA探针1与靶piRNA互补杂交。DNA探针1与靶piRNA的互补链中的DNA探针1被双链特异性核酸酶切割，靶piRNA被释放并与另一连接链的DNA探针1结合，形成反应循环。
该实施方式的一些实施例中，DNA探针1通过金硫键(Au-S键)与金纳米颗粒层连接。DNA探针1通过修饰产生巯基，巯基能够与金纳米颗粒产生Au-S键。
该实施方式的一些实施例中，DNA探针2通过酰胺键与纳米二氧化硅连接。纳米二氧化硅可以通过化学改性接枝羧基，DNA探针2通过改性产生氨基，改性后的DNA探针2能够与改性后的纳米二氧化硅进行酰胺化反应。
该实施方式的一些实施例中，金纳米颗粒层、纳米二氧化硅位于连接链的同侧。
该实施方式的一些实施例中，所述电极为玻碳电极。
本发明的另一种实施方式，提供了一种上述光电化学生物传感平台的构建方法，包括以下步骤：
以黑磷/红磷异质结与碲化铋的杂化体作为光敏材料，在电极表面制备光敏层，在光敏层表面沉积金纳米颗粒层获得光响应层；
将DNA探针1与DNA探针2孵育互补，添加纳米二氧化硅，通过化学反应使DNA探针2与纳米二氧化硅连接获得复合探针体系；
将复合探针体系与光响应层进行混合孵育，使DNA探针1与金纳米颗粒层与连接，即得。
本发明中，黑磷/红磷异质结与碲化铋进行混合即得黑磷/红磷异质结与碲化铋的杂化体。
该实施方式的一些实施例中，黑磷/红磷异质结的制备方法为：以乙二胺为溶剂，以红磷为原料，用溶剂热法制备黑磷/红磷异质结。本发明所述的溶剂热法是指密闭条件下，在有机溶剂体系下，加热进行高温高压(高于环境温度及压力)反应。溶剂热法的反应条件为：温度为120～220℃，时间为4～24h。为了避免红磷氧化层的影响，采用水热法将红磷表面的氧化层去除。具体过程为，将红磷加入至水中，密闭后，加热至140～220℃，反应2～24h。
该实施方式的一些实施例中，采用电化学沉积在光敏层表面制备金纳米颗粒层。
该实施方式的一些实施例中，纳米二氧化硅进行羧基修饰。修饰过程为：先采用(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷对纳米二氧化硅表面进行硅烷修饰，使纳米二氧化硅表面改性为氨基，再加入二酸酐(例如戊二酸酐等)进行酰胺化反应，使纳米二氧化硅表面带有羧基。
该实施方式的一些实施例中，将复合探针体系与前体进行混合孵育后，添加6-巯基-1-己醇。以封闭电极表面的非特异性吸附位点。
本发明的第三种实施方式，提供了一种上述光电化学生物传感平台在piRNA检测和/或在搭建检测piRNA系统中的应用。
本发明的所述在光电化学生物传感平台在piRNA检测中的应用，可以以疾病的诊断与治疗为目的，也可以以非疾病的诊断与治疗为目的。
本发明的第四种实施方式，提供了一种piRNA的检测方法，将待测液和双链特异性核酸酶滴加上述光电化学生物传感平台上进行孵育，将孵育后的光电化学生物传感平台作为工作电极进行光电化学检测。
本发明的所述piRNA的检测方法，可以以疾病的诊断与治疗为目的，也可以以非疾病的诊断与治疗为目的。
该实施方式的一些实施例中，孵育后，滴加双链特异性核酸酶终止液。
该实施方式的一些实施例中，采用电化学工作站的三电极体系进行光电化学检测。以光电化学生物传感平台为工作电极，以铂片电极为对电极，以银/氯化银电极或甘汞电极为参比电极，以氮气饱和的抗坏血酸水溶液为电解液，以氙灯或LED灯为光源，采用计时电流法收集光电流信号，光电流信号与piRNA的浓度呈线性关系，从而能够计算待测液中piRNA的浓度。
本发明的第五种实施方式，提供了一种piRNA的检测试剂盒，包括上述光电化学生物传感平台和双链特异性核酸酶。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
制备光敏材料：将1g红磷加至盛有30mL超纯水的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，将反应釜转移到烘箱中并于180℃保温10h以去除红磷表面的氧化层；反应釜自然冷却至室温后，用超纯水反复洗涤红磷并于真空干燥和研磨后得到纯化红磷。将纯化红磷加至盛有20mL乙二胺的聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，并于160℃保温10h，反应釜自然冷却至室温后，离心收集黑色沉淀物，依次用超纯水和无水乙醇洗涤3次，在环境气氛中干燥24h，得到黑磷/红磷异质结，其扫描电镜图如图1所示。将黑磷/红磷异质结与碲化铋按照重量比为4:1混合，得到黑磷/红磷异质结@碲化铋杂化体。碲化铋的扫描电镜图如图2所示。
制备羧基修饰的纳米二氧化硅：将0.2g购买的直径约15m的二氧化硅微球超声分散于20mL甲苯中，加入1mL(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷和10μL三乙胺，于110℃回流5h，离心并用丙酮洗涤3次后得到硅烷修饰的二氧化硅微球。将0.2g硅烷修饰的二氧化硅微球分散于10mL无水乙醇中，连续搅拌下滴加10mL含有0.8g戊二酸酐的无水乙醇溶液，于37℃搅拌6h，所得产物用无水乙醇洗涤3次并于50℃干燥12h，得到羧基修饰的纳米二氧化硅，其傅里叶变换红外光谱如图3所示。
制备复合探针体系：将50μL浓度均为20μM的巯基修饰DNA探针1和氨基修饰DNA探针2的超纯水溶液等体积混合，于37℃孵育90min，得到100μL浓度为10μM的DNA探针1-DNA探针2溶液备用。将100μL浓度为2mg/mL的羧基修饰的纳米二氧化硅溶液、5mg N-(3-二甲氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐和5mg N-羟基琥珀酰亚胺超声分散于1mL MES缓冲液(10mM,pH5.5)中于30℃反应30min，将上述DNA探针1-DNA探针2溶液加入上述溶液中于20℃反应12h，离心并用超纯水洗涤3次得到二氧化硅微球-DNA探针2-DNA探针1复合探针体系，依据DNA探针1-DNA探针2的浓度，将复合探针体系水溶液配制成浓度为0.1μM。
制备光电化学生物传感平台：将10μL浓度为2.5mg/mL的黑磷/红磷异质结@碲化铋杂化体滴在玻碳电极上并于25℃干燥4h；以1％HAuCl4超纯水溶液为电解质，在-0.2V电压下反应30s将金纳米颗粒电沉积在黑磷/红磷异质结@碲化铋杂化体的表面，用超纯水冲洗电极；将10μL浓度为0.1μM的复合探针体系水溶液滴在金纳米颗粒层表面，于4℃反应12h形成Au-S键，用超纯水冲洗电极以去除物理吸附的复合探针体系；向电极滴加10μL浓度为1μM的6-巯基-1-己醇溶液反应40min，以封闭电极表面的非特异性吸附位点，用超纯水冲洗电极以去除物理吸附的6-巯基-1-己醇。
检测原理：第一，在光敏材料方面，黑磷与红磷之间形成II型异质结抑制了光生电子和空穴的复合；碲化铋具有优异的电子传输性能，能够将黑磷/红磷异质结的光生电子快速传输到玻碳电极和外电路。碲化铋在光照下能够产生载流子；碲化铋作为一种热电材料能够在温差条件下生成载流子，黑磷具有光热效应，光照下黑磷产生的热量导致碲化铋产生温差而生成载流子。上述光敏材料的协同作用获得了强大的光电流。采用电化学工作站的三电极体系测试10μL浓度均为2.5mg/mL的不同光敏材料修饰在玻碳电极上的光电流响应，结果显示，红磷、黑磷(购得)、碲化铋、黑磷/红磷异质结、红磷@碲化铋杂化体(按重量比4：1混合)、黑磷@碲化铋杂化体(按重量比4：1混合)、黑磷/红磷异质结@碲化铋杂化体的光电流分别为0.27、0.68、2.17、2.69、1.42、1.63、25.22μA/cm2，黑磷/红磷异质结@碲化铋杂化体的光电流显著高于单组分和双组分的光电流。
第二，在检测以及酶促信号放大方面，复合探针体系孵育至电极表面增加了空间位阻，显著降低了生物传感器的光电流。靶piRNA相比于DNA探针2更容易与DNA探针1互补杂交，使得复合探针体系中的DNA探针1与DNA探针2解旋，DNA探针2与纳米二氧化硅从电极表面释放，从而增大了生物传感器的光电流。双链特异性核酸酶能够特异性切割DNA探针1与靶piRNA所形成互补双链中的DNA探针1，靶piRNA被释放并能够继续与另一连接链的DNA探针1结合并释放DNA探针2和纳米二氧化硅，形成反应循环，结果生物传感器的光电流倍增。生物传感器的光电流与靶piRNA的浓度正相关，从而能够通过检测光电流来计算piRNA的浓度。
光电化学检测piRNA与标准曲线绘制：采用电化学工作站的三电极体系。以上述玻碳电极为工作电极，铂片为对电极，银/氯化银电极为参比电极，0.01M的抗坏血酸水溶液(氮气饱和)为电解液，使用发射光波长为420nm、输出功率为150W的LED灯为光源辐照工作电极。将10μL含piRNA的待测液、0.2μL双链特异性核酸酶以及1μL双链特异性核酸酶主缓冲液滴在电极上孵育3h；然后，滴加5μL双链特异性核酸酶终止液(10mM EDTA)反应10min以灭活双链特异性核酸酶。用电解液洗涤工作电极并进行光电化学测试，偏置电压为0.1V，辐照在计时电流程序开始第10s时开启并在第20s时关闭。以光电流为纵坐标，以piRNA-823浓度为横坐标，线性拟合各点得到如图4所示的标准曲线。piRNA-823的线性检测浓度范围为0.1fM至1nM，检测限低至0.016fM。
血清piRNA-823的浓度检测：以上述玻碳电极为工作电极，铂片为对电极，银/氯化银电极为参比电极，0.01M的抗坏血酸水溶液(氮气饱和)为电解液，使用发射光波长为420nm、输出功率为150W的LED灯为光源辐照工作电极。将10μL结直肠癌患者的血清、0.2μL双链特异性核酸酶以及1μL双链特异性核酸酶主缓冲液滴在电极上孵育3h；然后，滴加5μL双链特异性核酸酶终止液(10mM EDTA)反应10min以灭活双链特异性核酸酶。用电解液洗涤工作电极并进行光电化学测试，偏置电压为0.1V，辐照在计时电流程序开始第10s时开启并在第20s时关闭。将获得的光电流代入图4中的拟合方程，计算出血清中piRNA-823的浓度为98.9fM，接近用RT-qPCR测试的结果97.2fM，检测结果表明该检测方法具有良好的准确性。
DNA探针1的序列为(5'-3')：SH-(CH2)6-GCAGCTATGCTCACCACTAT ACCACCAACGCT，见SEQ ID NO.1。
DNA探针2的序列为(5'-3')：TCCGGTGAGCAGTT-(CH2)6-NH2，见SEQ ID NO.2。
下划线处为DNA探针1与DNA探针2的互补序列。
待测piRNA(piRNA-823)的序列为(5'-3')：
AGCGUUGGUGGUAUAGUGGUGAGCAUAGCUGC，见SEQ ID NO.3。
实施例2：
以实施例1制备光电化学生物传感平台的玻碳电极为工作电极，铂片为对电极，银/氯化银电极为参比电极，0.01M的抗坏血酸水溶液(氮气饱和)为电解液，使用发射光波长为420nm、输出功率为150W的LED灯为光源辐照工作电极。将10μL健康对照的血清、0.2μL双链特异性核酸酶以及1μL双链特异性核酸酶主缓冲液滴在电极上孵育3h；然后，滴加5μL双链特异性核酸酶终止液(10mM EDTA)反应10min以灭活双链特异性核酸酶。用电解液洗涤工作电极并进行光电化学测试，偏置电压为0.1V，辐照在计时电流程序开始第10s时开启并在第20s时关闭。将获得的光电流代入图4中的拟合方程，计算出血清中piRNA-823的浓度为10.56fM，接近用RT-qPCR测试的结果11.33fM，检测结果表明该检测方法具有良好的准确性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
SEQUENCE LISTING
<110> 山东大学
<120> 光电化学生物传感平台及构建方法与其在piRNA检测中的应用
<130>
<160> 3
<170> PatentIn version 3.3
<210> 1
<211> 32
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 1
gcagctatgc tcaccactat accaccaacg ct 32
<210> 2
<211> 14
<212> DNA
<213> 人工合成
<400> 2
tccggtgagc agtt 14
<210> 3
<211> 32
<212> RNA
<213> 人工合成
<400> 3
agcguuggug guauaguggu gagcauagcu gc 32

Claims (14)

1.一种光电化学生物传感平台，包括电极，所述电极表面依次附着光敏层、金纳米颗粒层，金纳米颗粒层通过连接链连接纳米二氧化硅；所述光敏层的材质为黑磷/红磷异质结与碲化铋的杂化体，所述连接链由DNA探针1与DNA探针2互补杂交形成，所述DNA探针1与金纳米颗粒层连接，所述DNA探针2与纳米二氧化硅连接；所述连接链能够识别靶piRNA，识别靶piRNA后DNA探针1与DNA探针2解旋，DNA探针2与纳米二氧化硅从电极表面释放，且DNA探针1与靶piRNA互补杂交。
2.如权利要求1所述的光电化学生物传感平台，其特征是，DNA探针1通过金硫键与金纳米颗粒层连接；
或，DNA探针2通过酰胺键与纳米二氧化硅连接。
3.如权利要求1所述的光电化学生物传感平台，其特征是，金纳米颗粒层、纳米二氧化硅位于连接链的同侧。
4.一种权利要求1～3任一所述的光电化学生物传感平台的构建方法，其特征是，包括以下步骤：
以黑磷/红磷异质结与碲化铋的杂化体作为光敏材料，在电极表面制备光敏层，在光敏层表面沉积金纳米颗粒层获得光响应层；
将DNA探针1与DNA探针2孵育互补，添加纳米二氧化硅，通过化学反应使DNA探针2与纳米二氧化硅连接获得复合探针体系；
将复合探针体系与光响应层进行混合孵育，使DNA探针1与金纳米颗粒层连接，即得。
5.如权利要求4所述的光电化学生物传感平台的构建方法，其特征是，黑磷/红磷异质结的制备方法为：以乙二胺为溶剂，以红磷为原料，用溶剂热法制备黑磷/红磷异质结。
6.如权利要求5所述的光电化学生物传感平台的构建方法,其特征是，所述溶剂热法的反应条件为：温度为120～220℃，时间为4～24h。
7.如权利要求5所述的光电化学生物传感平台的构建方法,其特征是，采用水热法将红磷表面的氧化层去除。
8.如权利要求7所述的光电化学生物传感平台的构建方法,其特征是，将红磷加入至水中，密闭后，加热至140～220℃，反应2～24h。
9.如权利要求4所述的光电化学生物传感平台的构建方法，其特征是，采用电化学沉积在光敏层表面制备金纳米颗粒层；
或，加入复合探针体系进行混合孵育后，添加6-巯基-1-己醇；
或，纳米二氧化硅进行羧基修饰。
10.如权利要求9所述的光电化学生物传感平台的构建方法，其特征是，纳米二氧化硅进行羧基修饰过程为：先采用(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷对纳米二氧化硅表面进行硅烷修饰，使纳米二氧化硅表面改性为氨基，再加入二酸酐进行酰胺化反应，使纳米二氧化硅表面带有羧基。
11.一种权利要求1～3任一所述的光电化学生物传感平台在piRNA检测和/或在搭建检测piRNA系统中的应用。
12.一种piRNA的检测方法，其特征是，将待测液和双链特异性核酸酶滴加权利要求1～3任一所述的光电化学生物传感平台上进行孵育，将孵育后的光电化学生物传感平台作为工作电极进行光电化学检测。
13.如权利要求12所述的piRNA的检测方法，其特征是，孵育后，滴加双链特异性核酸酶终止液；
或，采用电化学工作站的三电极体系进行光电化学检测。
14.一种piRNA的检测试剂盒，其特征是，包括权利要求1～3任一所述的光电化学生物传感平台和双链特异性核酸酶。
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