一种功能性树枝状DNA、基于该树枝状DNA的纳米传感探针及该纳米传感探针的应用

技术领域

本发明属于分析化学领域，涉及一种新型纳米传感探针，具体涉及一种功能性树枝状DNA、基于该树枝状DNA的纳米传感探针及该纳米传感探针的应用。

背景技术

等离子体共振增强发光原理可用于放大光学信号和提高光学检测灵敏度，近年来引起广泛关注，这一效应主要发生在金、银等贵金属及其纳米材料上。只要金属与发光物质满足两个条件：(1)金属的吸收峰和发光物质的发射峰存在重叠，(2)金属与发光物的距离介于5～20nm之间，那么发光物质的能量就可以通过近场作用被转移到金属表面的自由电子上，使之集体震荡并产生与发光物质相似的发射光谱，从而增强发光强度。

然而，近年来大部分研究都集中于等离子体共振增强荧光(metal enhancedfluorescence,MEF)上，对于等离子体共振增强化学发光(metal enhancedchemiluminescence,MEC)的文章大部分还处于探索机理阶段，在高灵敏化学发光免疫分析中应用较少，在细胞胞内化学发光成像则更少。化学发光和荧光的主要区别是：发光物质来源于化学反应、不需要外接光源，即属于自发光、因而可以避免入射光散射光的干扰，分析更灵敏，操作更简单。

如前所述，为了达到最佳的MEC效果，发光物质与金属之间应满足一定距离；迫切需要开发可靠的支架，以低成本、高效、可控的方式将发光物和金属精准隔离。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种功能性树枝状DNA、基于该树枝状DNA的MEC纳米传感探针及该纳米传感探针的应用。

本发明上述目的通过如下技术方案实现：

一种功能性树枝状DNA，由Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y4l这6种DNA的Y型结构按照摩尔比1Y0:3Y1:6Y2:12Y3:(23Y4+1Y4l)依次混合反应制备得到；其中，Y0由如下核苷酸序列的Y0a、Y0b、Y0c等摩尔比混合反应制备得到，Y1由如下核苷酸序列的Y1a、Y1b、Y1c等摩尔比混合反应制备得到，Y2由如下核苷酸序列的Y2a、Y2b、Y2c等摩尔比混合反应制备得到，Y3由如下核苷酸序列的Y3a、Y3b、Y3c等摩尔比混合反应制备得到，Y4由如下核苷酸序列的Y4a、Y4b、Y4c等摩尔比混合反应制备得到，Y4l由如下核苷酸序列的Y4a、Y4b、Y4p等摩尔比混合反应制备得到；

Sequences of oligonucleotides(5'-3')

一种基于上述功能性树枝状DNA的纳米传感探针，在树枝状DNA的Y4a与Y3a、Y3b形成的G四链体结构上结合血红素hemin形成DNA酶DNAzyme，在树枝状DNA的Y4b、Y4c末端标记氨基上结合银纳米粒子AgNPs。

一种上述纳米传感探针的制备方法：常温下，取过量1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐、N-羟基琥珀酰亚胺将AgNPs的羧基活化1h，取1.0mL AgNPs，用0.4M NaOH调节溶液pH为9.0，缓慢加入640μL 170.2nM所述功能型树枝状DNA，不断搅拌，混合孵育18h；随后，将10μL 10μM SH-A15加入溶液，封闭2h；将122μL 0.01M PBS加入到溶液中继续反应6h，接着缓慢加入21μL 2M NaCl，3h后重复该步骤，12h后缓慢加入26μL 2M NaCl，3h后重复该步骤，使AgNPs能够耐盐而不改光学性质，继续反应48h；未组装的DNA通过离心除去，沉淀溶于1.0mL 20mM KCl与200mM NaCl的混合溶液；最后加入一定量的hemin，常温避光搅拌反应2h以形成hemin/G四链体DNA酶；未组装的DNA和过量的hemin通过离心除去，弃去上清液，沉淀溶于1.0mL 20mM KCl与200mM NaCl的混合溶液，使用前在4℃暗处保存。

优选地，上述制备方法中，所述银纳米粒子通过如下方法制备：在柠檬酸三钠存在时，使用还原剂NaBH

更优选地，上述制备方法中，银纳米粒子具体制备方法为：10mL 1mM AgNO

优选地，上述制备方法中，离心除去未组装的DNA的离心参数为15000rpm、15min、14℃；离心除去未组装的DNA和过量的hemin的离心参数为15000rpm、15min、4℃。

上述纳米传感探针在制备检测心血管疾病多组分生物标志物的化学发光免疫检测试剂方面的应用。

优选地，所述生物标志物包括肌钙蛋白T和糖类蛋白125。

上述纳米传感探针在制备对细胞内相关蛋白进行化学发光成像的试剂方面的应用。

优选地，所述细胞内相关蛋白包括萤火虫荧光素酶。

有益效果：

1、本发明提供的功能性树枝状DNA(FDD)作为一种简单可靠的多功能纳米支架。在FDD内部，分别于特定位置设计了两个G四链体结构的分裂片段，它们单独不起作用，靠近则能协同捕获hemin分子形成G四链体/hemin模拟酶(DNAzyme)，DNAzyme可以模拟辣根过氧化物酶的活性、催化过氧化氢氧化鲁米诺的化学发光，从而扮演了发光物质的角色。鉴于鲁米诺-鲁米诺CL体系的发射峰为～425nm，银纳米粒子(AgNPs)具有最合适的光谱重合度和最有效的表面等离子体共振，所以选择AgNPs为本实验的金属材料、结合在FDD的末端、并通过设计AgNPs和DNAzyme之间的“间隔DNA”的序列长度，来调控AgNPs与DNAzyme的距离，起到等离子体共振增强化学发光(MEC)的作用。

2、本发明提供的MEC纳米传感探针具有以下优点：(1)该探针是DNA组装而来，原料易得，制备工艺简单。(2)DNAzyme可以克服自然酶稳定性低、修饰困难等缺点。此外，只有在FDD组装成功时才形成完整的DNAzyme，其它时候分裂酶不能捕捉hemin形成DNAzyme、因此提供较低背景。(3)FDD支架有效地携带了所有的内部DNAzyme，具有良好的细胞通透性，使MEC纳米传感探针能够用于细胞内分析物的检测。(4)间隔物的设计很容易；由于每3个DNA碱基长度约1nm，可在DNAzyme和AgNPs之间方便地通过调节DNA序列长度来控制距离，获得最佳的MEC效应。

附图说明

图1为探针FDD/hemin/AgNPs的结构(A)和等离子体共振增强化学发光原理(B)；

图2为免疫传感器的制备和多组分免疫反应的步骤；

图3为AgNPs(A)、FDD(B，C)和FDD/AgNPs的透射电镜谱图(D，E)；

图4为FDD在制备时从0代(G0)、1代(G1)、2代(G2)、3代(G3)到4代(G4)的凝胶电泳图(A)和FDD在G3、G4的动态光散射谱图(B)；

图5中(A)为对照组DNA(1)、G四链体DNA(2)和FDD(3)在1μM的圆二色谱表征图；(B)为纯hemin(1)、G四链体DNA/hemin(2)、FDD/hemin(3)在100nM的化学发光值；

图6中(A)为AgNPs(1)、FDD/AgNPs(2)的紫外吸收峰表征和鲁米诺过氧化氢化学发光体系的发射峰表征(3)；(B)为FDD/hemin/AgNPs、FDD/hemin、DNAzyme/AgNPs、DNAzyme在同浓度下的化学发光值；(C)为基于6nm、10nm粒径AgNPs的FDD/hemin和FDD/hemin/AgNPs在相同浓度下的化学发光放大倍数；(D)为FDD/hemin与AgNPs结合前(a)与后(b)的化学发光动力学曲线；

图7为银絮凝实验：以紫外吸收光谱优化树枝状DNA的用量；

图8中(A)为4×12阵列传感器芯片应用于生物标志物“组合”的联合检测，(B)为单次流程中两种蛋白的同时光学成像检测，(C)为两种靶标蛋白各自的标准曲线；

图9为肌钙蛋白T(cTnT)传感阵列对以下物质的化学发光响应：(1)空白溶液，(2)1.0ng mL

图10中(A)为MEC/MEF纳米探针的细胞内传感示意图；(B)为MEF纳米探针进入H9c2细胞的荧光显微镜成像图，从左到右：暗场，明场，合并；(C)为MEC纳米探针进入H9c2细胞的CL成像图，从左到右：DNAzyme，FDD/hemin，FDD/hemin/AgNPs；(D)为不同浓度的FDD/hemin/AgNPs进入H9c2细胞的CL成像图；

图11为探针及其两大应用的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例具体介绍本发明实质性内容，但并不以此限定本发明的保护范围。

一、实验材料

醛基改性玻璃片；形成树枝状的各种序列的DNA；硝酸银；柠檬酸三钠；硼氢化钠；N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)；1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)；血红素(hemin)；包被抗体(Ab1)；二抗(Ab2)；链霉亲和素；化学发光底物(鲁米诺和过氧化氢)等。

天能凝胶CCD成像系统；微量紫外分光光度计；透射电子显微镜；扫描电子显微镜；高速低温离心机；分析天平；旋转混合器；磁力搅拌器等等。

二、实验方法

1、树枝状DNA和银纳米粒子的合成

首先，设计16种DNA的序列，分为{Y0a、Y0b、Y0c}、{Y1a、Y1b、Y1c}、{Y2a、Y2b、Y2c}、{Y3a、Y3b、Y3c}、{Y4a、Y4b、Y4c}、{Y4a、Y4b、Y4p}6组，将各组分别混合温育1小时，形成Y0、Y1、Y2、Y3、Y4、Y4l这6种DNA的Y型结构，再将它们以1:3:6:12:(23+1)的比例依次混合，从G0代经G1、G2、G3、G4各反应1小时，自组装生成功能化的树枝状DNA(图1中A)。其中，Y4p末端的生物素可使探针通过亲和素-生物素的特异性识别应用于阵列芯片上的免疫反应，Y4a和Y3a/Y3b上包含split part(G四链体一分为二的分裂结构)，可在特定条件下形成G四链体结构，结合hemin形成DNAzyme，Y4b/Y4c的末端标记氨基可与AgNPs的羧基共价结合，此外G3和G4树枝状DNA的尺寸差距控制在最适合MEC效应的5～20nm(图1中B)。

表1.DNA序列

上表中，下划线序列表示G四链体结构被一切为二的两部分(G四链体分裂结构)。二者可以协同与hemin发生反应生成DNAzyme，用以催化化学发光。NH

2、银纳米粒子的制备

在柠檬酸三钠存在时，使用还原剂NaBH

3、FDD/hemin/AgNPs的合成

室温下，取过量EDC、NHS将AgNPs的羧基活化1h，取1.0mL AgNPs，用0.4M NaOH调节溶液pH为9.0左右，缓慢加入640μL 170.2nM FDD，不断搅拌，混合孵育18h。随后，将10μL 10μM SH-A15加入溶液，封闭2h。将122μL 0.01M PBS加入到溶液中继续反应6h，接着缓慢加入21μL 2M NaCl，3h后重复该步骤，12h后缓慢加入26μL 2M NaCl，3h后重复该步骤，使AgNPs能够耐盐而不改光学性质，继续反应48h。未组装的DNA通过离心除去(15000rpm，15min，14℃)，沉淀溶于1.0mL 20mM KCl与200mM NaCl的混合溶液。最后加入一定量的hemin，室温避光搅拌反应2h以形成hemin/G四链体DNA酶。未组装的DNA和过量的hemin通过离心除去(15000rpm，15min，4℃)，尽量弃去上清液，沉淀溶于1.0mL 20mM KCl与200mM NaCl的混合溶液，使用前在4℃暗处保存。溶液中模拟酶的最终浓度约108.9nM。

其中，SH-A15的序列为HS-AAAAAAAAAAAAAAA(5'-3')。

4、免疫传感阵列的构造与多组分免疫分析

在醛基改性玻璃片表面以手工贴膜的方式粘贴一层疏水、无光活性膜，构建出48个传感池，并以4行×12列模式排列，如图2所示。利用抗体上的氨基与玻璃片上的芳香醛基的相互作用，将6μL待测物包被抗体(Ab1)10μg mL

免疫分析的原理也如图2所示，将6μL待测物标准溶液加入免疫传感池中反应15min，其中，1、2行用于检测cTnT，3、4行用于检测糖类蛋白125(CA 125)，实验时加入对应行即可)；冲洗干燥后，依次将6μL 2.0μg mL

5、细胞内相关蛋白的检测方案

将MEF/MEC探针与心肌细胞H9c2进行孵育，以探究所提出的纳米探针在细胞内的潜在应用(之所以先用MEF探针，是为了摸索MEC探针的进细胞时间)。

在细胞内物质荧光检测中，本研究将荧光分子Alexa Fluor 488固定在FDD的Y4a’的5’末端形成FDD/Alexa-Fluor 488/AgNPs的MEF探针(3.63nM)。尔后，将MEF纳米探针与H9c2细胞在37℃下孵育3小时，弃去培养基，用0.01M pH 7.4PBS洗涤细胞3次。最后使用高分辨率荧光成像系统记录细胞的荧光图像。

在细胞内物质化学发光检测中，本研究将hemin(5.44nM)、FDD/hemin(5.44nM)以及使用0.01M pH 7.4PBS和DMEM稀释的不同浓度的FDD/hemin/AgNPs纳米探针(0.05nM、0.54nM和5.44nM)分别与H9c2细胞在37℃下孵育3小时，弃去培养基后，用0.01M pH 7.4PBS洗涤细胞3次，并在每孔加入100μL CL底物(鲁米诺和H

三、实验结果

1、AgNPs、FDD、FDD/AgNPs的表征

利用透射电子显微镜(TEM)对制备好的AgNPs外观和尺寸进行观察，所制AgNPs均为球形，平均粒径约为10nm，如图3中A所示。对FDD进行观察，同样呈现球形结构，粒径在50nm左右，如图3中B，C所示。对FDD/AgNPs表征，发现有一片50nm左右较大球体与10nm左右较小球体的连接结构，如图3中D，E所示。

通过凝胶电泳验证了树枝状DNA在制备时0代、1代、2代、3代到4代逐渐增大的过程(图4中A)，以动态光散射表征出树枝状DNA的4代末梢与3代末梢的间隔恰好是等离子共振需要满足的最佳距离11nm(图4中B)，这是4代末梢上的银纳米粒子与3代末梢上的DNA酶产生等离子体共振的先决条件。

2、FDD与hemin形成DNA酶的验证

如图5中A所示，作为空白对照的对照组DNA圆二色谱只有很微弱的吸收(图5中A的1)，而树枝状DNA在240nm和265nm处有两个明显的圆二色谱吸收(图5中A的3)，这与完整的G四链体DNA(图5中A的2)的吸收峰相吻合。这个现象说明，树枝状DNA中具有稳定的G四链体结构，从而可以进一步形成G四链体/hemin的DNA酶，这个结论也由静态化学发光检测得到了证明(图5中B)。化学发光结果表明，hemin溶液自身的发光强度较弱(图5中B的1)，而完整的G四链体/hemin复合物(图5中B的2)以及FDD/hemin形成的复合物(图5中B的3)可以观察到较强的化学发光，这说明FDD和hemin反应后形成了FDD/hemin模拟酶。

3、FDD/hemin的信号放大

虽说一个FDD负载24个模拟酶，但实际检测中信号放大的倍数为9。我们假设反应过程中hemin没有损失，用hemin投入溶液中的总量减去最后离心上清液中游离的hemin，计算得到传感探针中活性DNA酶的浓度估计为104.5nM，而AgNPs的浓度约11.2nM，计算得每个AgNPs上的活性DNA酶估计为9个，这意味着FDD/hemin在未加AgNPs时已经能有1:9的信号放大。

4、FDD/hemin/AgNPs的MEC功能验证

通过紫外、化学发光等手段，研究AgNPs对FDD-鲁米诺-H

首先，用紫外可见吸收光谱(UV-vis)表征AgNPs和FDD/AgNPs(图6中A)。与AgNPs的紫外曲线(线1)相比，FDD/AgNPs在～260nm处有一个强的吸收峰(线2)，这是DNA的特征吸收峰，进一步佐证了表明树枝状DNA与AgNPs的充分结合。此外，AgNPs在392nm的特征吸收峰也红移到了FDD/AgNPs所显示的398nm，与鲁米诺化学发光体系的发射峰(线3)更加接近。光谱的重叠充分显示出等离子体共振的可行性。

然后，我们对比了两种不同的DNAzyme修饰AgNPs，分别为本工作中的FDD/hemin/AgNPs(DNA酶与AgNPs距离控制在5～20nm之内)和作为对比的DNAzyme/AgNPs(DNA酶与AgNPs距离为0)(图6中B)。相同浓度下FDD/hemin/AgNPs化学发光值比未结合AgNPs时的FDD/hemin放大了～6.4倍；而相同浓度下DNAzyme/AgNPs化学发光值比未结合AgNPs时的DNAzyme减小。这说明了当DNA酶和银纳米粒子的距离控制在5～20nm时，产生了化学发光的等离子体共振增强效应，距离过近则有猝灭现象。

接着，对比了两种不同粒径的银纳米粒子，发现在相同浓度下，6nm银纳米粒子的信号放大的能力明显不及10nm银纳米粒子(图6中C)。这说明等离子体共振化学发光增强和粒径息息相关，与文献报道的结果相符合。

最后，表征了相同条件下FDD/hemin在与AgNPs结合前后的CL动力学曲线(图6中D)，发现FDD与AgNPs结合后明显发光更强，但达到最高值较慢且衰减较快，一方面可能是位阻原因导致扩散较慢，一方面则是MEC加快了化学发光的衰减速率。

5、材料用量的优化

通过银絮凝实验(在AgNPs加入10％氯化钠，当粒子表面无遮掩时，紫外会发生改变，如果得到遮掩，紫外会渐渐回归本来的吸收峰)，对比FDD与AgNPs结合前后的紫外吸收光谱，确定树枝状DNA用量640μL时，银纳米粒子上覆盖的DNA达到饱和(图7)。因为在这一条件下，紫外光谱已经接近银纳米粒子本来的紫外吸收。

6、应用1：MEC探针在多组分化学发光免疫分析中的应用

依据文献报道，将心血管疾病标志物cTnT和辅助诊断标志物糖类蛋白125(CA125)构成一个“组合”，结合4×12可抛式阵列传感器芯片采取联合成像，基于夹心免疫原理，待测样本对应的靶标蛋白越多，则显微镜或相机拍摄到的光点越亮(图8中A)，最终，可以在单次实验所用芯片的不同位置，同时获取两种蛋白标志物的直观图像，并可从标准曲线推算出同一份样本中不同标志物各自的定量信息。如图8中B、C所示，cTnT和CA125区域内的光点强度都随着它们的浓度升高而增强，光强与浓度的对数值在一定范围内呈线性正相关，检测范围分别为1.0×10

经过50天的存放，CL信号能保持最初的91.4％，说明了探针的稳定性；通过将空白溶液、其他抗原、cTnT以及cTnT和其他抗原的混合物在cTnT免疫传感阵列上进行温育，评价该免疫传感阵列和其他非特异性吸附分析物之间的交叉反应性，如图9所示，cTnT免疫传感阵列只有目标cTnT存在时才会产生强的信号响应，表明该cTnT免疫传感阵列特异性良好，可忽略交叉反应的影响。将探针与芯片应用于对临床病人血清的检测中，并将所得结果与商用方法结果对比，相对标准偏差分别小于5.8％和7.3％，说明准确度可观。

7、应用2：MEC探针在细胞内的潜在应用

为了研究MEC探针在细胞内的传感性能，本研究先用荧光分子Alexa Fluor 488固定在FDD的Y4a’的5’末端以作为金属增强荧光(MEF)探针模型进行细胞内吞实验(图10中A)。在37℃下，用MEF探针预培养3小时的H9c2细胞中观察到较强的FL信号(图10中B)，表明MEF探针在H9c2细胞中被大量摄取。

而经MEC纳米探针处理后，H9c2细胞也呈现类似现象。可将MEC纳米探针(FDD/hemin/AgNPs)应用于细胞内功能型生物发光蛋白的检测，例如萤火虫荧光素酶。如图10中C所示，比较了H9c2细胞经相同浓度DNAzyme，FDD/hemin，FDD/hemin/AgNPs处理后的CL图像。由于DNA酶体积小、自身很难进入细胞，因此显示最弱的CL信号；体积较大的FDD/hemin次之；而FDD/hemin/AgNPs呈现的CL信号最强，这是由大体积DNA材料良好的细胞内吞性能和MEC效应一起促成的。另外，如图10中D所示经不同浓度FDD/hemin/AgNPs纳米探针处理后的H9c2细胞，其所呈现的CL强度具有浓度依赖性，即浓度越高，CL越强。

综上，本发明具有如下特点：

基于功能性DNA树状大分子(FDD)、邻近依赖性DNA分裂酶和AgNPs，研制了一种新型金属增强化学发光(MEC)纳米传感器，用生物标志物的阵列/细胞内高灵敏成像。采用无酶分步组装的方法制备了含有两个分裂G-四链体结构的FDD，并与AgNPs和hemin分子反应生成FDD/hemin/AgNPs，实验过程简单，原料易得。这种MEC纳米传感器由三个模块组成：FDD(支架)、生成的G-四链体/血红素DNA酶(信号发生器)和AgNPs(化学发光增强剂)。MEC效应是通过控制FDD外周AgNPs与其内部DNAzyme之间的DNA序列长度来实现。由于单个FDD负载多个模拟酶能产生9倍的信号放大(初步放大)和额外的6.4倍的金属增强(二步放大)，所以该探针表现出卓越的光学性能。

结合生物素-链霉亲和素系统，MEC纳米传感探针被用作一次性蛋白质免疫阵列上多种心血管疾病生物标记物的跟踪检测的通用标签。心肌肌钙蛋白T(cTnT)和糖类蛋白125(CA125)作为辅助诊断心力衰竭的重要而可靠的生物标志物，被用作本次研究的模型待测物。所发明的FDD/hemin/AgNPs纳米探针以及采用此探针为信号分子建立的免疫分析方法具有材料合成简单、检测通量高、灵敏度高、准确性高、稳定性好等优点。

此外，MEC纳米传感器具有较高的细胞内传递效率和生物相容性，不仅对血清中生物标志物的检测具有重要意义，对活体细胞中生物分子的原位监测也具有重要意义。通过进一步的细胞内观察表明，该纳米探针可成功递送到活细胞中，并保持DNA酶的催化活性和增强CL的性能。因此，本研究所提出的纳米传感探针在临床诊断、生物发光成像、细胞内监测等其他应用中显示出广阔前景(图11)。

上述实施例的作用在于具体介绍本发明的实质性内容，但本领域技术人员应当知道，不应将本发明的保护范围局限于该具体实施例。