CN204982143U

CN204982143U - 一种基于贵金属纳米阵列和sers技术的dna芯片

Info

Publication number: CN204982143U
Application number: CN201520540611.5U
Authority: CN
Inventors: 黄青; 孙克喜; 孟国文
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2025-07-22

Abstract

本实用新型公开了一种基于贵金属纳米阵列和SERS技术的DNA芯片。该DNA芯片的衬底为以贵金属纳米阵列为衬底的SERS衬底；在贵金属纳米列阵上划分有若干区域，在每个区域的表面上修饰连接有不同的若干DNA探针使DNA芯片成为含有不同探针DNA的芯片。该DNA芯片为利用贵金属纳米阵列和表面增强拉曼光谱(SERS)技术而设计一种DNA芯片，利用这些探针DNA对目标DNA进行检测产生SERS信号，根据SERS信号的频率变化、幅值差异来实现对目标DNA的识别以及定量检测，实现目标DNA和基因的检测和分析。

Description

一种基于贵金属纳米阵列和SERS技术的DNA芯片

技术领域

本实用新型涉及生物检测、生物技术和纳米技术领域，尤其涉及一种基于贵金属纳米阵列和SERS技术的DNA芯片。

背景技术

DNA芯片又称基因芯片(genechip)是生物芯片的一种，是指将大量探针分子固定于支持物上，根据碱基互补配对原理，与标记的样品分子进行杂交，通过检测杂交信号的强度及分布进而得到靶分子的序列和数量的信息。DNA芯片的支持物包括玻片、硅片、NC膜、Nylon膜等。DNA芯片技术可广泛应用于疾病诊断和治疗、农作物的优育优选、司法鉴定、食品卫生监督、环境检测等许多领域。目前DNA芯片的检测技术包括荧光、质谱以及同位素标记，其中荧光是最主要的检测方法。但这些方法存在一些局限性，例如：荧光的光谱谱带较宽，从而限制了对体系的多重检测；不同荧光染料需要不同波段的激发光激发，增加了检测成本；荧光染料在激发光的激发下容易出现光漂白的现象等。

表面增强拉曼光谱(SERS)技术是一种先进的无损检测技术，它是当分子吸附在一些特殊金属(主要为贵金属)或半导体纳米结构表面时，其拉曼散射信号被增强多个数量级的现象。SERS为Surface-enhancedRamanscattering的英文缩写，中文意义为表面增强拉曼散射。它具有快速、简单、灵敏度高、指纹识别以及可重复性好的优势。SERS技术已经得到广泛，在化学、生物和医学以及环境等领域都发挥着越来越重要的作用。相比于荧光，SERS的具有丰富的特征拉曼光谱线，且拉曼光谱谱带窄，能够为分析物提供更加丰富的结构信息。现在利用SERS在一些体系中甚至能达到单分子水平的检测灵敏度。但是,目前还没有出现利用SERS技术而设计的基因芯片。

实用新型内容

本实用新型的目的在于利用贵金属纳米阵列和表面增强拉曼光谱(SERS)技术而设计一种基于贵金属纳米阵列和SERS技术的DNA芯片，实现目标DNA和基因的检测和分析。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种基于贵金属纳米阵列和SERS技术的DNA芯片：该DNA芯片的衬底为以贵金属纳米阵列为衬底的SERS衬底，SERS为Surface-enhancedRamanscattering的英文缩写，中文意义为表面增强拉曼散射；在贵金属纳米列阵上划分有若干区域，在每个区域的表面上修饰连接有不同的若干DNA探针使DNA芯片成为含有不同探针DNA的芯片。

作为上述方案的进一步改进，探针DNA的一端修饰巯基，通过巯基使得探针DNA与SERS衬底结合在一起。

作为上述方案的进一步改进，所述贵金属纳米阵列为金Au纳米阵列。

作为上述方案的进一步改进，所述贵金属纳米阵列为银Ag纳米阵列。

作为上述方案的进一步改进，SERS衬底还包括AAO模板，AAO是AnodicAluminumOxideTemplate的英文缩写，中文意义为阳极氧化铝模板，贵金属纳米阵列设置在AAO模板上。

优选地，贵金属纳米阵列采用电镀或溅射的方式设置在AAO模板上。

本实用新型利用SERS技术，设计以贵金属金(Au)或银(Ag)纳米阵列为衬底的DNA芯片。在制作时可选取或自行制备贵金属纳米阵列，然后在纳米阵列不同区域的表面修饰连接不同探针DNA，在使用时可根据DNA碱基互补配对的原理利用这些探针DNA对目标DNA进行检测，再根据实际需要，进一步滴加具有特征拉曼信号的报告DNA，并根据DNA杂交前后芯片上的SERS信号(包括频率、强度)变化、差异来实现对目标DNA的识别和定量检测。

附图说明

图1为本实用新型较佳实施例提供的DNA芯片的DNA检测原理示意图。

图2为本实用新型较佳实施例提供的DNA芯片的制作及检测流程示意图。

图3为图2中DNA芯片的结构示意图。

图4为DNA芯片的锥形孔AAO模板制备流程图。

图5为DNA芯片的具有格子状Ag纳米柱阵列的SERS衬底的制备流程示意图。

图6为利用DNA芯片的探针DNA直接检测目标DNA时的光谱图，具体的光谱为：底部为探针DNA的SERS光谱；顶部为探针DNA与不同浓度目标DNA杂交后的SERS光谱。

图7为在DNA芯片上连接探针DNA的SERS衬底上滴加待测的目标DNA，然后检测与目标DNA部分片段互补配对报告DNA的SERS信号图，SERS信号为：底部光谱为报告DNA未经任何处理直接测试得到的SERS信号；顶部光谱为检测不同浓度下目标DNA的SERS信号。

图8为检测目标DNA与报告DNA混合后的SERS信号图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施实例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

首先申明本发明中的DNA有三种：探针DNA、目标DNA、以及报告DNA。其中探针DNA用来捕获目标DNA，报告DNA用来发出探测信号的。请一并参阅图1、图2、图3，本实用新型的DNA芯片，其衬底为以贵金属纳米阵列为衬底的SERS衬底；在贵金属纳米列阵上划分有若干区域，在每个区域的表面上修饰连接有不同的若干DNA探针，使DNA芯片成为含有不同探针DNA的芯片(如图3所示)。利用这些DNA探针对目标DNA进行检测产生SERS信号，根据SERS信号的频率变化、幅值差异来实现对目标DNA的识别以及定量检测(如图2所示)。

本实用新型的DNA芯片的基本原理如图1所示：选取或自行制备贵金属纳米阵列，然后在纳米阵列不同区域的表面修饰连接不同探针DNA，然后根据DNA碱基互补配对的原理利用这些探针DNA对目标DNA进行检测，再根据实际需要，进一步滴加具有特征拉曼信号的报告DNA，并根据DNA杂交前后芯片上的SERS信号(包括频率、强度)变化、差异来实现对目标DNA的识别和定量检测，主要指频率变化、幅值差异。

如图2所示，本实用新型利用商业贵金属(Au或Ag)纳米阵列作为DNA芯片的衬底，或者，可以自己利用AAO模板方法制备得到排列整齐、间距合适、SERS活性强的金或银的贵金属纳米阵列作为DNA芯片的衬底，其中金、银纳米陈列可以通过电镀或溅射的方法得到。在贵金属纳米列阵上划分大小合适的小区域(在图中标注为11，12，13；…21,22,23…；31,32,33…)，在每个区域上可以连接上不同的DNA探针，连接方法可以用巯基连接的方式，从而得到适用于SERS测量的DNA芯片。

在DNA芯片上滴加含有目标DNA的溶液，在合适的条件下(等待时间、温度等)，使不同的探针DNA与相应的目标DNA进行互补配对，然后检测杂交后的SERS信号，并分析芯片上的DNA的SERS信号(包括频率、强度)变化、差异，初步判断检测目标DNA的情况。

可在DNA芯片上滴加或浸泡与目标DNA某一段互补配对的报告DNA，其一端带有容易产生SERS信号的分子基团，然后通过检测报告DNA的SERS信号，达到检测和识别目标DNA的目的。

本实用新型以在锥形孔AAO模板表面通过离子溅射的方法得到的Ag纳米柱阵列为SERS衬底，制备了基于SERS技术的DNA芯片(原理性实验)，具体步骤如下：

1、表面带有纳米尖端结构锥形孔AAO模板的制备

(1)AAO模板的一次氧化：将抛光后的高纯铝片在0.3M的草酸溶液中用40V直流电压阳极氧化6h，然后在60℃的6wt﹪磷酸和1.8wt﹪铬酸的混和溶液中浸泡9h，以除去第一次阳极氧化在高纯铝片表面获得的不规则孔的氧化铝膜。

(2)表面带有尖端纳米结构的AAO模板的制备：具体的制备方法如图4所示，图4为锥形孔AAO模板制备流程图。将步骤(1)中所得到的铝基底利用交叉氧化扩孔的方法制备表面具有尖端纳米结构的氧化铝模板。首先把铝基底在0.3M的草酸溶液中用40V直流电压阳极氧化40s，接着把所得到的模板在40℃下5％的磷酸溶液中扩孔2min,重复交替上述氧化和扩孔过程18次。

2、划分不同区域的格子及Ag纳米柱阵列的制备

如图5所示，图5为格子状Ag纳米柱阵列DNA芯片SERS衬底的制备流程示意图，主要包括对1中得到的模板进行光刻处理以及离子溅射两个步骤。

(1)AAO模板的光刻处理

将1中制备的锥形孔AAO模板置于旋涂仪上，在4000转每分钟的转速下，滴加2mL正性光刻胶于模板上，旋涂光刻胶20s。然后把旋涂过光刻胶的AAO模板置于95摄氏度的烘箱中烘15-20分钟。然后取出模板置于紫外灯下进行曝光36s，接着置于显影液中进行冲洗，然后用大量去离子水进行清洗。这样就把我们想要的格子状区域的表面带有尖端纳米结构的AAO模板暴露出来，而格子周围的模板区域还覆盖有光刻胶。

(2)划分不同区域的格子状Ag纳米柱阵列的制备

利用EMITHCHK550离子溅射仪在AAO模板的表面溅射一层Ag，溅射距离(样品与靶材之间的垂直距离)约为2cm，溅射电流选择20mA，溅射时间为16min。Ag颗粒聚集在暴露出的AAO模板的“锥形孔”壁的上端面，形成位于“锥形孔”壁的上端面的Ag“纳米柱”阵列；同时“锥形孔”的内壁上也获得了大量直径更细小的纳米颗粒。而在覆盖有光刻胶的区域只能形成一层Ag膜。

3、连接探针DNA制成DNA芯片

DNA的修饰方法选择在探针DNA一端修饰巯基，然后通过巯基使得探针DNA与SERS衬底结合在一起。一般做法是：把巯基化的探针DNA用0.5M的二硫苏糖醇(DTT)或0.1M(2-羧乙基)膦盐酸盐(TCEP)溶液处理以减少可能存在的二硫键，然后使用NAP-5色谱柱对探针DNA进行纯化处理。接着把纯化后的探针DNA稀释至5及15μM/L，然后每次取10μL滴加在分割好的Ag纳米柱阵列SERS衬底上面，在5℃条件下保持12小时。接着用大量去离子水清洗掉Ag纳米柱阵列SERS衬底上面未结合牢固的探针DNA，然后用高纯氮气把SERS衬底吹干，可以通过SERS测量检验探针DNA是否连接成功。

4、待测样品中目标DNA的SERS检测

相比于商业化的生物芯片在多个格子连接多种探针DNA，在本实施例中我们只选择了一种探针DNA、一种目标DNA和相应的报告DNA进行原理性试验。本方案选择目标DNA为屎肠球菌的DNA片段，有资料统计在引起尿路感染的致病菌中，肠球菌感染居第2位；腹腔、盆腔感染，肠球菌居第3位；败血症，肠球菌居第3位，病死率达到了12.6％～57％；但是目前对于屎肠球菌的治疗还没有什么很好的特效药，因此这种检测具有非常重要的实际意义。本方案中用到的探针、目标和报告DNA序列如表1所示。DNA修饰与互补配对原理图如图4所示，具体的操作过程如下：

表1本实施例中用到的DNA序列

(1)把目标DNA溶解在含有6×SSPE(0.9MNaCl,10mMNaH₂PO₄·H₂O,1mMEDTA,pH7.4)、20％(v/v)甲酰胺及0.1％(w/v)SDS的混合溶液中，然后把目标DNA稀释成不同的浓度(0.1-2μM/L)，然后对样品进行SERS测量，记录其SERS光谱，如图6所示，图6在连接探针DNA的芯片上滴加目标DNA，测量其SERS光谱。底部为5μM的探针DNA的SERS光谱，其他为探针DNA与不同浓度目标DNA杂交后的SERS光谱。

(2)把报告DNA溶解在含有0.1％(w/v)SDS的磷酸盐缓冲液中，并稀释到5μM/L。利用报告DNA，我们尝试了在以下两种条件下对目标DNA的SERS测量。

1)第一种情况，在连接探针DNA的SERS衬底上滴加不同浓度的目标DNA溶液各10μL(在30℃条件下保持4h)，然后把SERS衬底用大量去离子水进行清洗，接着用高纯氮气把SERS衬底吹干，并测试其SERS信号；然后往杂交后的不同SERS衬底上各滴加10μL浓度为5μM/L的报告DNA溶液(在30℃条件下保持4h)，接着用大量去离子水对SERS衬底进行冲洗，用高纯氮气把SERS衬底吹干，并测试其SERS信号，如图7所示，图7在连接探针DNA的衬底上滴加目标DNA，然后再与报告DNA互补配对的SERS信号。底部光谱为报告DNA未经任何处理直接测试得到的SERS信号，其他为检测不同浓度目标DNA的SERS信号。

2)第二种情况，先把5μM/L放入报告DNA溶液与不同浓度的目标DNA溶液进行混合，并在30℃条件下保持4h使其进行互补配对，接着分别取10μL互补配对后的不同浓度的DNA溶液滴加在连接有探针DNA的SERS衬底上并在30℃条件下保持4h，接着用大量去离子水对SERS衬底进行冲洗，用高纯氮气把SERS衬底吹干，并测量其SERS信号，如图8所示，图8的检测目标DNA与报告DNA混合后的SERS信号，图中标出了目标DNA的浓度。

(3)DNA的SERS信号分析

Ag纳米柱阵列SERS衬底连接有探针DNA及其与目标DNA互补配对后的SERS光谱如图7、8所示，其中底部为5μM的探针DNA的SERS光谱，顶部为探针DNA与不同浓度目标DNA杂交后的SERS光谱。拉曼光谱上主要振动峰666cm^-1(归属于鸟嘌呤的呼吸振动)、731cm^-1(归属于腺嘌呤的呼吸振动)、790cm^-1(胸腺嘧啶与胞嘧啶的振动峰)、1323cm^-1(归属于单链DNA骨架的振动峰)、1469cm^-1(归属于腺嘌呤及单链DNA骨架的振动峰)比较显著。考察它们对应的比值，分析发现I(731cm^-1)/I(790cm^-1)与被检测的目标DNA的浓度之间有线性的数值关系，如图7所示。在SERS衬底表面修饰5μM的探针DNA，可以检测到约0.25μM的目标DNA。通过降低探针DNA的浓度，目标DNA的检测极限有望得到进一步降低。

为了提高对目标DNA检测的特异性和灵敏度，进一步使用报告DNA，通过检测报告DNA上面拉曼染料分子的信号。滴加或浸泡了报告DNA的SERS信号如图7和图8所示，互补配对后的报告DNA与直接测的报告DNA的主要峰一致，当目标DNA的浓度低至0.1μM时仍然具有较好SERS信号。

同时我们也测试了先把报告DNA与目标DNA混合，然后再与探针DNA互补配对的SERS信号。我们发现这种情况下报告DNA的SERS信号检测极限有所提高，当报告DNA的浓度低至0.1μM时仍然具有较好SERS信号。另外，在实验中我们发现把衬底浸泡在不同浓度的目标DNA和报告DNA溶液中，由于被检测分子数的增加因此检测极限也会相应的提高。

以上内容是结合具体的附图对本实用新型所作的详细说明，不能认定本实用新型具体实施仅限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单替换和变更，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定的实用新型保护范围。

Claims

1.一种基于贵金属纳米阵列和SERS技术的DNA芯片，其特征在于：该DNA芯片的衬底为以贵金属纳米阵列为衬底的SERS衬底；在贵金属纳米列阵上划分有若干区域，在每个区域的表面上修饰连接有不同的若干DNA探针使DNA芯片成为含有不同探针DNA的芯片。

2.根据权利要求1所述的基于贵金属纳米阵列和SERS技术的DNA芯片，其特征在于：探针DNA的一端修饰巯基，通过巯基使得探针DNA与SERS衬底结合在一起。

3.根据权利要求1所述的基于贵金属纳米阵列和SERS技术的DNA芯片，其特征在于：所述贵金属纳米阵列为金Au纳米阵列。

4.根据权利要求1所述的基于贵金属纳米阵列和SERS技术的DNA芯片，其特征在于：所述贵金属纳米阵列为银Ag纳米阵列。

5.根据权利要求1所述的基于贵金属纳米阵列和SERS技术的DNA芯片，其特征在于：SERS衬底还包括AAO模板，AAO是AnodicAluminumOxideTemplate的英文缩写，中文意义为阳极氧化铝模板，贵金属纳米阵列设置在AAO模板上。

6.根据权利要求5所述的基于贵金属纳米阵列和SERS技术的DNA芯片，其特征在于：贵金属纳米阵列采用电镀或溅射的方式设置在AAO模板上。