遲 旭,盛傳倫*,王錦鴻
(1.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 感染科,吉林 長春130033;2.南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院 呼吸科,廣東 廣州510000)
基于CNPs的熒光DNA生物傳感器對EV71的檢測分析
遲 旭1,盛傳倫1*,王錦鴻2*
(1.吉林大學(xué)中日聯(lián)誼醫(yī)院 感染科,吉林 長春130033;2.南方醫(yī)科大學(xué)第三附屬醫(yī)院 呼吸科,廣東 廣州510000)
DNA生物傳感器是一種基于DNA堿基互補配對原則的高靈敏度、高特異性的DNA檢測方法,它通過檢測探針DNA與靶向DNA雜交引起的可檢測信號的改變,從而實現(xiàn)對靶向DNA的檢測[1,2]。目前,已報道了多種基于不同檢測信號的DNA生物傳感器[3],包括電化學(xué)生物傳感器、壓電生物傳感器[4]和DNA熒光傳感器等。其中,熒光DNA傳感器[5]因具有檢測靈敏度高,操作簡單,抗干擾能力強等優(yōu)點,是目前研究最為廣泛的DNA生物傳感器。
碳納米粒子(carbon nanoparticles,CNPs)為一種納米材料,可作為一種熒光淬滅劑,具有淬滅不同發(fā)射頻率的熒光基團的能力[6]。用納米材料作為熒光淬滅劑,就不用考慮熒光發(fā)射基團和淬滅基團的匹配選擇性。這種方法檢測的原理是:由于這些結(jié)構(gòu)富含π共軛結(jié)構(gòu),這樣就會靠π-π堆積作用吸附含有自由堿基的單鏈DNA (single-stranded DNA,ssDNA)探針,同時與標記的熒光基團發(fā)生電子轉(zhuǎn)移而淬滅它的熒光,當目標DNA出現(xiàn)的時候,由于與探針的雜交形成的雙鏈DNA不再有可利用的自由堿基,這樣就會從納米材料上解吸附,熒光信號也會相應(yīng)地增強,從而實現(xiàn)檢測。因此,現(xiàn)就基于CNPs的DNA熒光傳感器對手足口病毒EV71 DNA檢測的可行性及靈敏性進行分析。
1.1 主要試劑 本實驗所有核酸由生工生物工程(上海)股份有限公司及寶生物工程(大連)有限公司合成;所用核酸序列為PEV71(與手足口病毒EV71有關(guān)的修飾有羧基熒光素FAM熒光基團的單鏈DNA探針):5’-FAM-AGT CAG TGT GGA AAA TCT CTA GC-3’;T1(與PEV71完全互補的目標DNA):5’-GCT AGA GAT TTT CCA CAC TGA CT-3’;T2(與PEV71互補且存在一個堿基錯配的目標DNA):5’-GCT AGA GAT TGT CCA CAC TGA CT-3’;T3(與PEV71完全不互補的目標DNA):5’-TTT TTT TTT TTT TTT TTT TTT TT-3’。銦錫氧化物導(dǎo)電玻璃(ITO)購自中國深圳南玻公司;實驗所用水均為Millipore Milli-Q 純化過的超純水(電阻率大于18MΩ)。
1.2 主要儀器 本實驗所用儀器為掃描電子顯微鏡(XL30 ESEM FEG掃描電鏡加速電壓20 kV);能量分散X射線光譜儀(EDX);透射電子顯微鏡(HITACHIH-8100 EM加速電壓為200 kV);Cary 500 Scan UV-Vis-NIR光譜儀(Varian,Harbor City,CA,USA);Zeta PALS,ξ-電勢分析儀(Brookhaven Co.);熒光光譜用PerkinElmer LS55熒譜儀(PerkinElmer Instruments,UK);RF-5301PC熒光光譜儀(Shimadzu,Japan)。
1.3 CNPs制備[7]將干凈的燒杯倒扣于蠟燭火焰上收集蠟燭灰,將3 mg收集到的蠟燭灰超生分散于12 ml水/乙醇(1∶1)中。然后在3 000 rpm轉(zhuǎn)速下離心2 min 去除較大的蠟燭灰顆粒,然后將懸浮液在6 000 rpm轉(zhuǎn)速下離心2 min,收集黑色沉淀物,將其分散于12 ml水/乙醇(1∶1)中備后用。應(yīng)用電鏡對制備的CNPs進行低倍率及高倍率的掃描。
1.4 樣品制備 在形貌表征前,電沉積后的導(dǎo)電氧化銦錫(Indium tin oxide,ITO)玻璃經(jīng)過二次水以及乙醇沖洗以去掉物理吸附的支持電解質(zhì),然后用氮氣吹干。樣品的制備通常是將2 μl樣品的懸浮液滴于ITO表面,然后自然干燥。DNA粉末經(jīng)離心、水溶后,用Cary 500 Scan UV-Vis-NIR光譜儀測其在260 nm 波長下的吸光度來定量。ξ-電勢的測量在ξ-電勢分析儀上完成。用于熒光測定的每個樣品的體積均為400 μl。
1.5 EV71病毒DNA序列的檢測 ①分別在有/無CNPs的情況下用PEV71(50 nM)對EV71病毒DNA序列T1(30 nM和300 nM)進行檢測,并同時檢測PEV71、CNPs和PEV71+CNPs。激發(fā)波長為480 nm,記錄熒光發(fā)射光譜及在525 nm波長下的熒光強度。②應(yīng)用PEV71+CNPs體系,對與PEV71完全互補的目標序列T1(300 nM)、與PEV71互補且存在單堿基錯配的目標序列T2(300 nM)以及與PEV71完全不互補的目標序列T3(300 nM)分別進行檢測,并記錄其熒光發(fā)射光譜。③在CNPs濃度分別為0,7,13,20,27,33,40 μl的情況下,應(yīng)用PEV71+CNPs體系對T1進行檢測,并記錄PEV71+CNPs和PEV71+CNPs+T1的熒光強度。
2.1 CNPs的表征 圖1中a和b分別是制備的CNPs的低倍率、高倍率的掃描電鏡照片,從低倍率的掃描電鏡照片可以看出大量的納米顆粒,高倍率的掃描電鏡照片進一步顯示他們的形狀近乎球形,顆粒直徑達25-40 nm之間。這也可由其透射電鏡照片證實(圖1c)。
圖1 CNPs的掃描電鏡照片以及透射電鏡照片
2.2 可行性分析 為了驗證CNPs作為檢測平臺對EV71病毒DNA檢測的可行性,我們選擇了一段EV71病毒的DNA序列來進行實驗。圖2顯示了PEV71在不同條件下的熒光發(fā)射光譜。在沒有CNPs的情況下,PEV71由于存在未淬滅的FAM熒光基團而發(fā)射出強的熒光(曲線a)。然而,當有CNPs出現(xiàn)的時候,熒光強度淬滅了82%(曲線c)。當與T1混合40 min后,PEV71+CNPs體系的熒光得到強烈的增強,恢復(fù)80%的熒光(曲線d)。需要指出的是,在沒有CNPs的情況下自由的PEV71的熒光受T1的影響很小(曲線b)。同樣需要注意的是,由于CNPs本身的弱的熒光(曲線e)會對檢測整體的熒光造成影響,因此,所有在CNPs存在的情況下檢測的熒光都要扣除背景。圖2顯示了PEV71+CNPs體系的熒光變化程度(F/F0-1)隨不同濃度目標的熒光強度化的情況,F(xiàn)和F0分別是該體系有/無T1時在525 nm波長下的熒光強度。在當T1濃度從30 nM增加到300 nM時,F(xiàn)AM熒光強度急劇增強。
2.3 靈敏性分析 通過檢測PEV71+CNPs與T1、T2以及T3反映的熒光強度反映此檢測平臺的靈敏性。如圖3所示,PEV71+CNPs在300 nM T2條件(曲線c)下,其熒光強度F/F0的比值大約在300 nM T1條件(曲線b)下的80%。而PEV71+CNPs不與T3(曲線d)反應(yīng),其所產(chǎn)生的熒光與空白(曲線a)相差無幾。
2.4 CNPs的不同濃度對檢測的影響 PEV71+CNPs體系中CNPs的濃度對熒光淬滅和恢復(fù)都有一定的影響。圖4顯示了PEV71+CNPs體系中不同CNPs濃度下熒光淬滅和恢復(fù)的情況,其中CNPs的濃度依次為0,7,13,20,27,33,40 μl??梢?,CNPs濃度與淬滅程度呈正相關(guān)性。然而當CNPs濃度過高時,部分目標序列DNA也會被吸附至CNPs的空白區(qū)域上,不與單鏈DNA探針雜交,致使雜交效率和體系熒光恢復(fù)程度降低。
目前可知人類有超過4000種疾病與DNA有關(guān),因此通過對DNA檢測可以實現(xiàn)對疾病的早期診斷。此外,DNA檢測可以實現(xiàn)對病毒和細菌的種類、亞型診斷,因而對傳染病的治療具有重要的指導(dǎo)意義。DNA生物傳感器是一種基于DNA堿基互補配對原則的高靈敏度、高特異性的DNA檢測方法,它通過檢測探針DNA與靶向DNA雜交引起的信號改變,從而實現(xiàn)對靶向DNA的檢測。而隨著各種各樣納米材料的出現(xiàn),探索它們在生物技術(shù)中以醫(yī)學(xué)診斷為目的的應(yīng)用得到了廣泛的研究[8,9]。常見的納米材料主要包括:單壁碳納米管(Single-walled nanotubes,SWNTs)、多壁碳納米管(Multi-walled nanotubes,MWNTs)、石墨烯(Graphene)以及納米碳球(Carbon nanoparticles)等。近年來,納米材料在建立DNA生物傳感器中的作用亦受到關(guān)注。上海物理所的樊春海[10]小組開發(fā)出了一種應(yīng)用石墨烯為熒光基團淬滅劑的熒光增強多元DNA生物傳感器,通過石墨烯表面吸附的三種不同熒光探針實現(xiàn)三元DNA的同時檢測。
圖2 PEV71(50 nM)在不同條件下的熒光發(fā)射光譜 圖3 PEV71(50 nM)在不同條件下CNPs熒光淬滅和 圖4 在不同用量CNPs的情況下PEV71+PEV71+CNPs+T1熒光恢復(fù)的熒光強度
本研究所用的CNPs檢測體系對病毒DNA進行檢測的原理主要分為兩步:(1)由于單鏈核酸探針未配對堿基與富含π鍵的CNPs發(fā)生π-π堆積而把單鏈探針DNA吸附到表面,同時由于與探針標記的熒光基團發(fā)生電子轉(zhuǎn)移而引起熒光的淬滅。(2)在有目標DNA序列出現(xiàn)的情況下,由于與探針DNA雜交后形成雙鏈DNA中未配對堿基的消失,CNPs對雙鏈DNA吸附減弱,探針與目標DNA形成的雙鏈從CNPs表面脫離,同時恢復(fù)標記的熒光基團的熒光,從而利用增強的熒光來實現(xiàn)目標DNA序列的檢測。
我們根據(jù)Sun等[7]報道的從蠟燭灰中分離得到CNPs,并證實了能夠建立基于CNPs的DNA熒光生物傳感器,CNPs/DNA體系可有效地應(yīng)用熒光檢測DNA,也有望用作監(jiān)測其他生物分子之間相互作用的探針。CNPs能夠吸附單鏈DNA并具備強淬滅熒光基團的能力,當PEV71吸附于CNPs上時,熒光強度明顯降低。而這種吸附并不影響探針PEV71與目標序列的雜交,當PEV71+CNPs與T1混合后,熒光得到恢復(fù),目標序列的檢測濃度可達30 nM至300 nM,隨目標序列濃度升高,熒光強度也急劇升高。同時該體系具有很高的靈敏性和重復(fù)性,可區(qū)分單堿基錯配。同時,本研究也就CNPs的濃度變化對DNA檢測的影響進行了初步研究。CNPs濃度雖與猝滅程度呈正相關(guān),但其濃度過高可造成雜交效率和熒光恢復(fù)程度的降低,故此我們推薦選擇20 μl CNPs用于DNA檢測。
本研究以納米材料為檢測平臺利用熒光方法實現(xiàn)對生物分子的檢測,建立了一種靈敏且具選擇性的DNA傳感器,實現(xiàn)了對DNA的靈敏檢測,為DNA檢測精細化、便捷化提供了理論及實驗依據(jù)。
[1]張 澤,萬廣財,王 娜,等.電化學(xué)DNA生物傳感器的指示方法及其臨床研究進展[J].醫(yī)學(xué)綜述,2015,(22):4036.
[2]Zhu Y,Chandra P,Song KM,et al.Label-free detection of kanamycin based on the aptamer-functionalized conducting polymer/gold nanocomposite[J].Biosensors & bioelectronics,2012,36(1):29.
[3]黃智偉,黃 琛.DNA生物傳感器的進展[J].傳感器技術(shù),2001,(01):4.
[4]Xiao Y,Rowe AA,Plaxco KW.Electrochemical detection of parts-per-billion lead via an electrode-bound DNAzyme assembly[J].Journal of the American Chemical Society,2007,129(2):262.
[5]Zhao C,Wu L,Ren J,et al.A label-free fluorescent turn-on enzymatic amplification assay for DNA detection using ligand-responsive G-quadruplex formation[J].Chem Commun (Camb),2011,47(19):5461.
[6]王利勇,賈紅霞,成永強,等.水溶性碳納米粒子的制備及其在DNA和單核苷酸多態(tài)性分析中的應(yīng)用[J].中國科學(xué):化學(xué),2011,(09):1515.
[7]Li H,Zhang Y,Wang L,et al.Nucleic acid detection using carbon nanoparticles as a fluorescent sensing platform[J].Chem Commun (Camb),2011,47(3):961.
[8]Chen H,Wang J,Liang G,et al.A novel exonuclease III aided amplification method for sensitive nucleic acid detection based on single walled carbon nanotube induced quenching[J].Chem Commun (Camb),2012,48(2):269.
[9]Li R,Wu D,Li H,et al.Label-free amperometric immunosensor for the detection of human serum chorionic gonadotropin based on nanoporous gold and graphene[J].Analytical biochemistry,2011,414(2):196.
[10]李 靜,裴 昊,李 凡,等.基于氧化石墨烯淬滅效應(yīng)的DNA傳感器特異性檢測三聚氰胺[J].核技術(shù),2012,(05):386.
吉林省社會發(fā)展領(lǐng)域重點科技支撐項目(2011456)
1007-4287(2017)04-0702-03
2016-07-22)
*通訊作者