杂交链式反应技术结合纳米材料用于核酸检测的研究进展
发布时间：2021-01-30 17:44
核酸检测在疾病早期诊断、分期、治疗监测、预后判断以及产前基因诊断等许多方面有着重要意义,然而目前对核酸的检测技术不仅存在耗时长、成本高等问题,而且工作量大、操作繁琐,严重影响其在诊断中的应用。杂交链式反应（hybridization chain reaction,HCR）是一种新型信号扩增技术,它通过单链DNA（ssDNA）引发两种稳定的DNA发夹探针在恒温下发生杂交反应,从而放大检测信号,实现选择性检测靶分子的目的。不仅如此,HCR还可以结合不同的纳米材料用于检测各种目标物如核酸、蛋白质、细胞、金属离子等等。对HCR技术结合几种常见的纳米材料（银纳米颗粒、金纳米颗粒、氧化石墨烯以及几种其他纳米材料）用于核酸的检测进行了总结,并对今后的发展趋势进行了展望。
【文章来源】：中国材料进展. 2020,39(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
基于HCR与Au NPs的比色核酸检测法示意图
基于GO的荧光核酸检测法不仅操作简单，而且选择合适的荧光分子还能有效降低背景信号[45]，这些荧光分子主要包括有机荧光染料和荧光纳米粒子两种。Zhang等[46]开发了一种基于银纳米团簇(Ag NCs)与GO结合的通过HCR进行DNA检测的荧光生物传感器。如图4所示，首先在能够部分互补的发夹探针H1和H2的末端分别标记上Ag NCs，在没有靶标分子(TDNA)时，由于H1与H2的稳定性，不能触发HCR。此时，由于发夹探针的另一游离端能够通过π-π堆积紧密吸附到GO表面，使得Ag NCs靠近GO表面，荧光猝灭。但是在引入TDNA后，TDNA会与H1与H2发生HCR，产生多条长的ds DNA。这种ds DNA与GO的结合力比较弱，很容易从GO表面分离下来，进而能够产生较强的荧光信号。Zhang等在该实验方案中以人类免疫缺陷病病毒DNA(HIV-DNA)作为靶标分子，而且对HIV-DNA的检测限达到1.18×10-9mol/L，可用于临床样品。Yuan等[47]也利用GO的荧光猝灭特性设计了一种在同一个GO纸芯片上检测两种DNA(花生和大豆)并能有效区分其他DNA的方法，达到了1×10-9mol/L的检测限。这一检测方法不需要酶的参与，且纸芯片廉价、容易制备，有效缩短了检测时间，降低了检测成本。最近，Tang等[48]对HCR与GO结合的检测方案进行改进，提出了金黄色葡萄球菌的无酶荧光检测方法。该团队提出，协同使用FAM荧光基团和荧光染料SYBR Green I从而大幅增强扩增荧光信号，且在最佳条件下，对16SrRNA有更低的检测限，达5×10-11mol/L。该方法成功应用于牛奶中的金黄色葡萄球菌的检测，检出限为4×102CFU/m L。GO与HCR结合的传感平台也可用于mi RNA的检测。例如，Fan等[49]提出了一种基于GO的荧光生物传感器，将其用于mi RNA的检测。在该实验中，利用let-7a这一mi RNA作为靶标分子，发夹探针H1和H2的粘性末端带有荧光基团，而且H1和H2通过π-π堆积连接到GO表面，荧光被GO有效猝灭。在加入let-7a、解旋酶Rec QE和腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)后，Rec QE在ATP的驱动下与发夹探针结合并解开发夹探针的双链部分，使得let-7a可以快速触发HCR从而形成双链DNA产物，并使荧光显著增强。这一检测策略对mi RNA的检测限达到4.2×10-15mol/L，同时，这种解旋酶辅助的HCR/GO传感平台的灵敏度比没有酶的普通HCR/GO传感平台高2个数量级，并有效缩短了检测时间。
HCR反应系统包括两个可杂交互补并带有粘性末端的DNA发夹探针(H1和H2)，以及单链DNA(ss DNA)引发剂。在ss DNA(引发剂)诱发下，这两个发夹探针会自组装形成长的双链DNA(ds DNA)产物。具体过程如图1所示:亚稳态的H1和H2在水溶液中共存时并不发生任何反应，但当引入引发剂时，引发剂会激活并打开第一个发夹探针H1的茎环结构，随后，这个打开的H1会立即与第二个发夹探针H2杂交并打开H2的茎环结构，从而形成带有ss DNA粘性末端的ds DNA，这又导致了另一个H1发夹探针的打开并且诱发HCR整个过程的延续，最终产生长的ds DNA产物。这个过程会持续进行直到这两个发夹探针消耗殆尽或者形成的ds DNA产物的浓度达到阈值。3 HCR与纳米材料结合的应用
本文编号：3009317
【文章来源】：中国材料进展. 2020,39(04)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
基于HCR与Au NPs的比色核酸检测法示意图
基于GO的荧光核酸检测法不仅操作简单，而且选择合适的荧光分子还能有效降低背景信号[45]，这些荧光分子主要包括有机荧光染料和荧光纳米粒子两种。Zhang等[46]开发了一种基于银纳米团簇(Ag NCs)与GO结合的通过HCR进行DNA检测的荧光生物传感器。如图4所示，首先在能够部分互补的发夹探针H1和H2的末端分别标记上Ag NCs，在没有靶标分子(TDNA)时，由于H1与H2的稳定性，不能触发HCR。此时，由于发夹探针的另一游离端能够通过π-π堆积紧密吸附到GO表面，使得Ag NCs靠近GO表面，荧光猝灭。但是在引入TDNA后，TDNA会与H1与H2发生HCR，产生多条长的ds DNA。这种ds DNA与GO的结合力比较弱，很容易从GO表面分离下来，进而能够产生较强的荧光信号。Zhang等在该实验方案中以人类免疫缺陷病病毒DNA(HIV-DNA)作为靶标分子，而且对HIV-DNA的检测限达到1.18×10-9mol/L，可用于临床样品。Yuan等[47]也利用GO的荧光猝灭特性设计了一种在同一个GO纸芯片上检测两种DNA(花生和大豆)并能有效区分其他DNA的方法，达到了1×10-9mol/L的检测限。这一检测方法不需要酶的参与，且纸芯片廉价、容易制备，有效缩短了检测时间，降低了检测成本。最近，Tang等[48]对HCR与GO结合的检测方案进行改进，提出了金黄色葡萄球菌的无酶荧光检测方法。该团队提出，协同使用FAM荧光基团和荧光染料SYBR Green I从而大幅增强扩增荧光信号，且在最佳条件下，对16SrRNA有更低的检测限，达5×10-11mol/L。该方法成功应用于牛奶中的金黄色葡萄球菌的检测，检出限为4×102CFU/m L。GO与HCR结合的传感平台也可用于mi RNA的检测。例如，Fan等[49]提出了一种基于GO的荧光生物传感器，将其用于mi RNA的检测。在该实验中，利用let-7a这一mi RNA作为靶标分子，发夹探针H1和H2的粘性末端带有荧光基团，而且H1和H2通过π-π堆积连接到GO表面，荧光被GO有效猝灭。在加入let-7a、解旋酶Rec QE和腺嘌呤核苷三磷酸(ATP)后，Rec QE在ATP的驱动下与发夹探针结合并解开发夹探针的双链部分，使得let-7a可以快速触发HCR从而形成双链DNA产物，并使荧光显著增强。这一检测策略对mi RNA的检测限达到4.2×10-15mol/L，同时，这种解旋酶辅助的HCR/GO传感平台的灵敏度比没有酶的普通HCR/GO传感平台高2个数量级，并有效缩短了检测时间。
HCR反应系统包括两个可杂交互补并带有粘性末端的DNA发夹探针(H1和H2)，以及单链DNA(ss DNA)引发剂。在ss DNA(引发剂)诱发下，这两个发夹探针会自组装形成长的双链DNA(ds DNA)产物。具体过程如图1所示:亚稳态的H1和H2在水溶液中共存时并不发生任何反应，但当引入引发剂时，引发剂会激活并打开第一个发夹探针H1的茎环结构，随后，这个打开的H1会立即与第二个发夹探针H2杂交并打开H2的茎环结构，从而形成带有ss DNA粘性末端的ds DNA，这又导致了另一个H1发夹探针的打开并且诱发HCR整个过程的延续，最终产生长的ds DNA产物。这个过程会持续进行直到这两个发夹探针消耗殆尽或者形成的ds DNA产物的浓度达到阈值。3 HCR与纳米材料结合的应用
本文编号：3009317
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/cailiaohuaxuelunwen/3009317.html
