CN1464070A - 提高dna检测灵敏度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于DNA碱基配对原理上的一种提高灵敏度的检测DNA杂交与错配的方法。分别采用不同粒径的纳米金颗粒作为石英晶体微天平(QCM)的表面处理剂和作为DNA检测器的识别放大器。通过双官能团的连接剂对石英晶体微天平金属表面的修饰，将纳米金属颗粒固定在QCM表面上，然后将单链DNA探针固定在这个用纳米金属颗粒修饰的表面上，该DNA探针与待测定的靶标DNA单链杂交，靶标DNA比探针长，其一部分与探针DNA互补，固定在石英晶体微天平上，另一部分与连结有纳米金属颗粒的互补DNA单链配对，以增大其重量，从而提高石英晶体微天平对靶标DNA的检测灵敏度。此方法其检测灵敏度可达到10－16M以上。
Description
技术领域
本发明属于DNA检测领域，特别涉及基于DNA碱基配对原理上的一种提高灵敏度的检测DNA杂交与错配的方法。
背景技术
近年来，基因分析广泛应用于医学，法学，环境等诸多领域，成为科学研究的热点。如何从分子水平上检测基因突变，快速而灵敏的检测到基因突变的数量，从而为寻找基因突变与病变之间的相关性提供基本数据一直是人们研究的主要议题。因此开发一种简便、经济的快速检测微量基因突变的手段显得十分的重要和迫切。石英晶体微天平(QCM)可以适时的检测DNA，方法快速简便，但是目前这种方法灵敏度还比较低，无法达到临床应用的程度，因此限制了这种方法的推广，如[a].Payolsky，F.；Lichtenstein，A.；Willner，I.J.Am.Chem.Soc.2001，123，5194-5205；[b].Bardea，a.；Dagan，A.；Ben-Dov，I；Amit，B.；Willner，I.Chem.Commun.1998，839；[c].Payolsky，F.；Lichtenstein，A.；Willner，I.J.Am.Chem.Soc.2000，122，418-419所报道的。
有鉴于此，本发明人等曾经利用过包以DNA单链的纳米金颗粒来增大此类DNA传感器的灵敏度，如[a].Zhao，H.Q.；Lin，L.；Li，J.R.；Tang，J.A.；Duan，M.X.；Jiang，L.Journal of NanoparticleResearch 2001，3，321；[b].Lin，L.；Zhao，H.Q.；Li，J.R.；Tang，J.A.；Duan，M.X.；Jiang，L.Biochem.Biophys.Res.Commun.2000，274，7；[c].Zhao，H.Q.；Lin，L.；Tang，J.A.；Duan，M.X.；Jiang，L.Chinese science Bulletin 2001，13，1074。并且在国外也有类似的报道，如[a].Patolsky，F.；Ranjit，K.T.；Lichtenstein，A.；Willner，I.Chem.Commun.2000，1025；[b].Zhou，X.C.；O’Shea，S.J.；Li，S.F.Y.Chem.Commun.2000，953；[c].Weizmann，Y.；Patolsky，F.；Willner，I.Analyst.2001，126，1502。利用包以DNA单链的纳米金颗粒来增大此类DNA传感器的灵敏度，这种方法收到了很好的效果，其DNA检测灵敏度能达到10-14mol/L，而且具有易于安装，价格低廉等优点。在利用包以DNA单链的纳米金颗粒的放大效应时，发现这一效应与金属颗粒尺寸有关，当颗粒尺寸在50nm以下时，颗粒愈大，效应愈明显，但当颗粒尺寸大于50nm时，其放大效应将逐步消失。
发明内容
本发明的目的是克服纳米金颗粒作为DNA传感器增感放大器时，增感颗粒重量的增加所带来的DNA检测灵敏度下降的问题。本发明利用纳米金属颗粒在QCM表面的固定技术，提高DNA探针在QCM表面的固定量和牢固度，实现了DNA的检测极限降低到10-16mol/L以下，提供了一种提高DNA检测灵敏度的方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
采用一定粒径的纳米金属颗粒作为石英晶体微天平(QCM)的表面处理剂和作为DNA检测器的识别放大器，重点是利用这两种方法的结合来提高DNA检测灵敏度。
以DNA的碱基匹配进行杂交的原理为基础，采用石英晶体微天平技术，利用双官能团化合物与QCM表面金属及金属纳米颗粒之间可以形成化学键来实现石英晶体微天平表面的纳米修饰和DNA探针的固定。利用金属纳米颗粒自身具有的大比重和生物相容性好的特点，把它作为重量传感器，来达到增感目的。将DNA杂交检测前对QCM表面的修饰和后续的倍增杂交两项技术相结合，使增感纳米颗粒的粒径范围进一步扩大，大大降低了DNA的检出极限。本发明包括双官能团化合物对QCM表面的修饰、纳米颗粒的连接、DNA探针在修饰的纳米金属表面的固定、探针与靶标DNA的杂交以及纳米颗粒的增感等几个步骤。
本发明的提高DNA检测灵敏度的方法步骤为：
(1).双官能团化合物在石英晶体微天平表面的固定
本发明人选用能与QCM的电极表面金属以及纳米金属颗粒同时作用的双官能团化合物分子作为连接剂，对石英晶体微天平表面做了修饰，以实现后续对纳米金属颗粒的组装。
在保湿的密闭室中，将浓度为5×10-4mol/L的双官能团化合物连接剂滴加到清洁的QCM的电极表面上，浸泡30分钟左右后分别用乙醇或癸醇和二次重蒸水冲洗，自然晾干。经石英晶体微天平测试，有质量变化，说明顺利的完成了修饰。
(2).纳米金属颗粒在石英晶体微天平表面的组装
在保湿的密闭室中，将步骤(1)中固定有双官能团化合物连接剂的QCM的电极表面用金属纳米溶胶浸泡至吸附达到饱和，分别用缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，自然晾干。经石英晶体微天平测试，有较大的质量变化，说明纳米金属颗粒成功的完成在QCM的电极表面的组装。当用金纳米颗粒做修饰时，通过对DNA探针固定量及对靶标DNA杂交率的考察，确定采用粒径为20nm的金颗粒对QCM的电极表面修饰，最有利于提高DNA的检测灵敏度。
(3).DNA探针在修饰过纳米金属颗粒后的QCM的电极表面的固定
在步骤(2)组装有纳米金属颗粒的QCM的电极片上，滴加摩尔浓度为10-5mol/L的DNA探针的缓冲溶液，在保湿的密闭室中放置一段时间后，分别用缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，晾干后测定晶体震荡频率变化值；重复以上步骤，直到DNA探针在修饰过纳米金属颗粒后的QCM的电极表面达到吸附饱和。结果显示，DNA探针迅速吸附并固定在修饰过纳米金属颗粒后的QCM的电极表面，且在1小时左右达到吸附饱和状态，经测试发现，当用金纳米颗粒对QCM的电极表面进行修饰时，能将DNA探针在晶片上的饱和吸附量提高约为3～5倍。
(4).DNA的杂交检测
在保湿的密闭室中，在温度为15℃～65℃下，将浓度为10-16mol/L的互补DNA序列的待测靶标溶液滴加到经步骤(3)处理过的QCM的电极表面上进行探针DNA与靶标DNA的杂交，然后用缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，并用石英晶体微天平检测其频率变化，得到有靶标DNA的QCM的电极晶片，待用。
(5).纳米金属颗粒对DNA传感器的倍增
在金属纳米颗粒溶胶中，加入含有与靶标DNA末端互补的DNA的磷酸缓冲溶液，静置若干时间，随后用磷酸缓冲溶液对其进行稀释，进一步放置40～60小时。然后高速离心移去上层清液，以除去未与纳米金属颗粒结合的DNA。沉淀物质即为DNA功能化的纳米金属颗粒。将下层沉淀用磷酸缓冲溶液清洗，再离心分离出沉淀。重复以上洗涤过程两次，然后将经过DNA功能化的纳米金属颗粒分散到缓冲溶液的容器里备用。在保湿的密闭室中，将用纳米金属颗粒功能化的的DNA滴加到步骤(4)中有靶标DNA的QCM的电极晶片上，在15℃～65℃下进行杂交后用缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，并用石英晶体微天平分别检测其频率变化。
本发明中用于固定纳米金属颗粒的双官能团化合物，其官能团分别可以为不同链长的双巯基、双氨基或各类一端带有巯基或氨基的醇类化合物，化合物的链长可以改变。
所述的待测靶标DNA的长度可在17～25bp范围；DNA探针的长度、被纳米金属颗粒功能化的DNA长度均可在8～13bp范围变化。
所述的纳米金属颗粒可以为金、银或铂等。
所述的QCM检测器的表面电极可以为金或铂。
所述的缓冲溶液是磷酸缓冲溶液，其pH＝6.83。
所述的DNA探针的缓冲溶液是磷酸缓冲溶液，其pH＝6.83.
所述的步骤(3)用于修饰QCM检测器电极表面的纳米金属颗粒的粒径范围为5～60nm，当修饰金属为金时，以20nm的金溶胶对表面DNA探针的固定作用和杂交效果为最佳。
所述的步骤(5)用于倍增的纳米金属颗粒的粒径范围为5～100nm。
通过双官能团的连接剂对石英晶体微天平金属表面的修饰，将纳米金属颗粒固定在QCM表面上，然后将单链DNA探针固定在这个用纳米颗粒修饰的表面上，该DNA探针与待测定的靶标DNA单链杂交，靶标DNA比探针长，其一部分与探针DNA互补，固定在石英晶体微天平上，另一部分与连结有纳米金属颗粒的互补DNA单链配对，以增大其重量，从而提高石英晶体微天平对靶标DNA的检测灵敏度。此方法其检测灵敏度可达到10-16M以上。
本发明的最大优点是采用自组装技术，以一种较为温和的方式固定了DNA探针，研制了一种新型的高灵敏度检测DNA的方法。通过控制不同粒径的纳米金属颗粒对石英晶体微天平做表面修饰，使DNA探针的固定程度和吸附量大大提高，并使后续的杂交过程达到最大的杂交率，这样，作为放大器的纳米金属粒径增长时，倍增效果和纳米金属颗粒粒径的增长趋势一致。
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
附图说明
图1.本发明的技术路线示意图；
图2.本发明实施例2的QCM质量变化～时间的关系图。
具体实施方式
实施例1：采用1，6-己二硫醇做连接剂组装5 nm金颗粒在QCM表面，用20nm金颗粒做增感放大器来做DNA检测
取AT-cut 9MHz的QCM金片，使用前用热的Piranha溶液(98％H2SO4：30％H2O2)浸泡3min，用二次重蒸水充分冲洗，用石英晶体微天平测定其频率。用1，6-己二硫醇修饰QCM表面，半小时后用乙醇和二次重蒸水冲洗，晾干，QCM检测后滴加20微升的5nm金溶胶，浸泡4h，冲洗，晾干测频。滴加2×10-6mol/L的HS-DNA，浸泡1h后充分冲洗晾干后测频。滴加2×10-16mol/L靶标DNA，40℃杂交2h后用磷酸缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，并用石英晶体微天平分别检测其频率变化。滴加20nm金溶胶功能化的DNA 20微升，杂交2h后用磷酸缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，并用石英晶体微天平检测，其频率变化约为44ng，与文献([a].Zhao，H.Q.；Lin，L.；Li，J.R.；Tang，J.A.；Duan，M.X.；Jiang，L.Journal of Nanoparticle Research 2001，3，321；[b].Lin，L.；Zhao，H.Q.；Li，J.R.；Tang，J.A.；Duan，M.X.；Jiang，L.Biochem.Biophys.Res.Commun.2000，274，7)中报道的没有纳米颗粒修饰的QCM表面上检测DNA的灵敏度10-14mol/L相比，提高了两个数量级，可达到10-16mol/L，磷酸缓冲溶液的pH＝6.83。
实施例2：采用1，6-己二硫醇做连接剂组装20nm金颗粒在QCM表面用20nm金颗粒做增感放大器来做DNA检测
在一保湿的密闭小室中，将1，6-己二硫醇的0.5％的乙醇溶液滴加到QCM表面，半小时后用乙醇和二次重蒸水冲洗，晾干，QCM检测后滴加20微升的20nm金溶胶，浸泡4h，冲洗，晾干测频，约有50ng左右的质量变化。滴加2×10-6mol/L的HS-DNA，浸泡1h后充分冲洗晾干后测频，质量变化为107ng，而直接在裸露的QCM表面上固定HS-DNA，质量变化为28ng。滴加2×10-16mol/L靶标DNA，40℃杂交2h后用磷酸缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，其频率变化为93ng。滴加20nm金溶胶功能化的DNA 20微升，40℃杂交2h后用磷酸缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，检测其频率变化为164ng。而相应的在裸露QCM表面上杂交分别有4ng和7ng的质量变化。所以通过本发明把原有的检测灵敏度提高了至少2个数量级，达到10-16mol/L。
如图2所示，QCM质量变化～时间的关系图，其中(i)为20nm金颗粒修饰QCM表面后做杂交检测，而(ii)为杂交在裸露的QCM表面完成的。
实施例3：采用1-氨基6-巯基己硫醇做连接剂组装10nm金颗粒在QCM表面用20nm金颗粒做增感放大器来做DNA检测
用1-氨基6-巯基己醇修饰QCM表面，QCM检测后滴加20微升的5nm金溶胶，浸泡4h，冲洗，晾干测频。滴加2×10-6mol/L的HS-DNA，浸泡1h后充分冲洗晾干后测频。滴加2×10-16mol/L靶标DNA，40℃杂交2h后用磷酸缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，并用石英晶体微天平分别检测其频率变化。与20nm金溶胶功能化的DNA 20微升杂交，并用石英晶体微天平分别检测其频率变化发现其检测灵敏度可达到10-16mol/L。
实施例4：采用1，6-己二硫醇做连接剂组装20nm金颗粒在QCM表面用68nm金颗粒做增感放大器来做DNA检测
用1，6-己二硫醇修饰QCM表面，固定20nm金溶胶后滴加2×10-6mol/L的HS-DNA，浸泡1h后充分冲洗晾干后测频。滴加2×10-16mol/L靶标DNA，杂交后与68nm金溶胶功能化的DNA杂交2h后用石英晶体微天平检测可检测到340ng的质量变化。与文献([a].Zhao，H.Q.；Lin，L.；Li，J.R.；Tang，J.A.；Duan，M.X.；Jiang，L.Journal ofNanoparticle Research 2001，3，321；[b].Lin，L.；Zhao，H.Q.；Li，J.R.；Tang，J.A.；Duan，M.X.；Jiang，L.Biochem.Biophys.Res.Commun.2000，274，7)中报道的没有纳米颗粒修饰的QCM表面上检测DNA的灵敏度10-14mol/L相比，检测灵敏度提高了两个数量级。
实施例5：采用双硫醇做连接剂组装20nm铂颗粒在QCM表面用68nm铂颗粒做增感放大器来做DNA检测
用1，6-己二硫醇修饰QCM的铂表面，固定20nm铂溶胶后滴加2×10-6mol/L的HS-DNA，浸泡1h后充分冲洗晾干后测频。滴加2×10-16mol/L靶标DNA，杂交后与68nm铂溶胶功能化的DNA杂交2h后用石英晶体微天平检测可检测到90ng的质量变化。与文献([a].Zhao，H.Q.；Lin，L.；Li，J.R.；Tang，J.A.；Duan，M.X.；Jiang，L.Journal ofNanoparticle Research 2001，3，321；[b].Lin，L.；Zhao，H.Q.；Li，J.R.；Tang，J.A.；Duan，M.X.；Jiang，L.Biochem.Biophys.Res.Commun.2000，274，7)中报道的没有纳米颗粒修饰的QCM表面上检测DNA的灵敏度10-14mol/L相比，灵敏度提高了两个数量级。
实施例6：采用1，10-双硫醇做连接剂组装20 nm铂颗粒在QCM表面用68nm铂颗粒做增感放大器来做DNA检测
用1，10-双硫醇修饰QCM的铂表面，固定20nm铂溶胶后滴加2×10-6mol/L的HS-DNA，浸泡1 h后充分冲洗晾干后测频。滴加2×10-16mol/L靶标DNA，杂交后与68nm铂溶胶功能化的DNA杂交2h后用石英晶体微天平检测可检测到76ng的质量变化。与文献([a].Zhao，H.Q.；Lin，L.；Li，J.R.；Tang，J.A.；Duan，M.X.；Jiang，L.Journal ofNanoparticle Research 2001，3，321；[b].Lin，L.；Zhao，H.Q.；Li，J.R.；Tang，J.A.；Duan，M.X.；Jiang，L.Biochem.Biophys.Res.Commun.2000，274，7)中报道的没有纳米颗粒修饰的QCM表面上检测DNA的灵敏度10-14mol/L相比，灵敏度提高了两个数量级。
Claims (9)
1.一种提高DNA检测灵敏度的方法，其特征是：该方法的步骤为：
(1).双官能团化合物在石英晶体微天平表面的固定
在保湿的密闭室中，将浓度为5×10-4mol/L的双官能团化合物连接剂的溶液滴加到清洁的QCM的电极表面上，浸泡后，分别用乙醇或癸醇和二次重蒸水冲洗，自然晾干；
(2).纳米金属颗粒在石英晶体微天平表面的组装
在保湿的密闭室中，将步骤(1)中固定有双官能团化合物连接剂的QCM的电极表面用金属纳米溶胶浸泡至吸附达到饱和，然后分别用缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，自然晾干；
(3).DNA探针在修饰过纳米金属颗粒后的QCM的电极表面的固定
在步骤(2)组装有纳米金属颗粒的QCM的电极片上，滴加10-5mol/L的DNA探针的缓冲溶液，在保湿的密闭室中放置一段时间后，分别用缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，晾干后测定晶体震荡频率变化值；重复以上步骤，直到DNA探针在修饰过纳米金属颗粒后的QCM的电极表面达到吸附饱和；
(4).DNA的杂交检测
在保湿的密闭室中，在温度为15℃～65℃下，将浓度为10-16mol/L的互补DNA序列的待测靶标溶液滴加到经步骤(3)处理过的QCM的电极表面上进行探针DNA与靶标DNA的杂交，然后用缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，并用石英晶体微天平检测其频率变化，得到有靶标DNA的QCM的电极晶片，待用；
(5).纳米金属颗粒对DNA传感器的倍增
在金属纳米颗粒溶胶中，加入含有与靶标DNA末端互补的DNA的磷酸缓冲溶液，静置，随后用磷酸缓冲溶液对其进行稀释，进一步放置；然后高速离心移去上层清液，以除去未与纳米金属粒子结合的DNA；沉淀物质即为DNA功能化的纳米金属颗粒，将下层沉淀用磷酸缓冲溶液清洗，再离心分离出沉淀；重复以上洗涤过程，然后将经过DNA功能化的纳米金属颗粒分散到缓冲溶液的容器里备用；在保湿的密闭室中，将功能化的纳米金属颗粒的DNA滴加到步骤(4)中有靶标DNA的QCM的电极晶片上，在15℃～65℃下进行杂交后用缓冲溶液和二次重蒸水冲洗，并用石英晶体微天平分别检测其频率变化；
所述的缓冲溶液是磷酸缓冲溶液，其pH＝6.83。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述的双官能团化合物的官能团是不同链长的双巯基、双氨基或各类一端带有巯基或氨基的醇类化合物。
3.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述的待测靶标DNA的长度在17～25bp范围。
4.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述的DNA探针的长度、被纳米金属颗粒功能化的DNA长度均在8～13bp范围。
5.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述的金属纳米颗粒为金、银或铂。
6.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述的QCM检测器表面电极可为金或铂。
7.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述的步骤(3)用于修饰QCM检测器电极表面的纳米金属颗粒的粒径范围为5～60nm。
8.如权利要求7所述的方法，其特征是：所述的纳米金属颗粒的粒径为20nm。
9.如权利要求1所述的方法，其特征是：所述的步骤(5)用于倍增的纳米金属颗粒的粒径范围为5～100nm。
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