一种检测***特异性抗原的光谱分析中荧光传感器的构建方法及其应用
阅读说明：本技术 一种检测***特异性抗原的光谱分析中荧光传感器的构建方法及其应用 (Construction method and application of fluorescence sensor in spectral analysis for detecting prostate specific antigen ) 是由 赵媛 郑芳杰 施丽霞 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种检测前列腺特异性抗原的光谱分析中荧光传感器的构建方法,属于光谱分析技术领域。本发明主要内容包括ZGO:Mo/PSA-A溶液和Au@Ag@SiO<Sub>2</Sub>/PSA-C的制备,并利用ZGO:Mo/PSA-A可特异性识别前列腺特异性抗原,Au@Ag@SiO<Sub>2</Sub>/PSA-C可以与检测探针杂交从而猝灭探针的发光,从而构建一种检测前列腺特异性抗原的光谱分析中荧光传感器。该荧光传感器用于前列腺特异性抗原的检测。本发明构建的荧光传感器具有较高的准确度以及灵敏度。(The invention provides a construction method of a fluorescence sensor in spectral analysis for detecting prostate specific antigen, belonging to the technical field of spectral analysis. The main contents of the invention comprise ZGO, Mo/PSA-A solution and Au @ Ag @ SiO 2 Preparation of/PSA-C and utilizes ZGO, Mo/PSA-A to specifically recognize prostate specific antigen, Au @ Ag @ SiO 2 the/PSA-C can be hybridized with a detection probe to quench the luminescence of the probe, so that a fluorescence sensor in the spectral analysis for detecting the prostate specific antigen is constructed. The fluorescence sensor is used for detecting prostate specific antigen. The fluorescence sensor constructed by the invention has higher accuracy and sensitivity.)
技术领域
本发明申请属于光谱分析技术领域，尤其是涉及一种检测***特异性抗原技术。
背景技术
***特异性抗原(PSA)是经***上皮细胞中分泌出来由病理组织向血管系统渗漏的一种肿瘤标志物，其在血清中的含量水平可以有效地反映***疾病的发生。目前，PSA是诊断***癌，判断治疗后癌症复发情况最常用的一种特异性的肿瘤标志物。现在普遍认为***疾病诊断阈值是血清中PSA的含量低于4ng/mL，当其含量高于这一浓度时即有可能患***疾病。
准确灵敏地检测PSA的含量对癌症的早期诊断以及监测治疗后癌症复发情况具有非常重要的意义，这就要求开发出能够准确、灵敏、特异性检测PSA含量的的传感器或检测方法。Wu等人开发了一种基于微悬臂梁阵列的方法用于测定PSA含量。近年来还有一些研究利用玻碳电极和电活性纳米材料或荧光纳米材料设计出便携式的电化学传感器或荧光传感器用于检测血清等生物样品中PSA含量。而这些方法虽能够用于PSA的检测但是仍存在诸如重现性差，制备过程复杂，不能完全消除生物样品的背景干扰等缺点需要进一步改进。
长余辉材料是一种可以在激发光照射时吸收能量并在激发停止后仍可持续发光的物质，在生物传感分析、生物成像及肿瘤治疗等领域中发挥着重要的作用。
发明内容
本申请针对现有技术的不足，本发明提供了一种检测***特异性抗原的光谱分析中荧光传感器的构建方法及其应用。本发明构建的荧光传感器具有良好的稳定性，且灵敏度高、重现性好，在肿瘤标志物含量的检测方面具有很广阔的应用前景。
本发明的技术方案如下：
一种检测***特异性抗原的光谱分析中荧光传感器的构建方法，所述构建方法包括如下步骤：
(1)ZGO:Mo/PSA-A溶液的制备：
①将Zn(NO3)2、Na2MoO4固体加入到300-400μL浓HNO3溶液中混合搅拌均匀，并加入水混合均匀后得到无色透明的溶液1；
②称取GeO2和NaOH搅拌溶解于水中，并搅拌7-8h，即得Na2GeO3溶液；
③将步骤②中所得Na2GeO3溶液逐滴加入到步骤①中所得溶液1中，混合均匀，并使用氨水调节溶液的pH至7-10，并搅拌1-1.5h，随后转入聚四氟乙烯水热反应釜中，在220-225℃条件下加热4-4.5h，升温速率为2-2.5℃/min；反应结束后固液分离取沉淀物，并重新将沉淀物分散在NaOH水溶液中，室温下搅拌12-13h，之后离心收集固体沉淀物，并将所得固体沉淀物分散在N,N-二甲基甲酰胺中，并逐滴加入3-氨丙基三乙氧基硅烷APTES，并将其置于80-85℃水浴中加热反应24-25h，待反应结束后固液分离得到氨基化ZGO:Mo NRs；
④，将***特异性抗原适配体PSA-A加入PBS缓冲液中，搅拌混匀，再加入1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺与N-羟基丁二酰亚胺的混合溶液EDC/NHS活化30-60min后，再加入步骤③中所得氨基化的ZGO:Mo NRs，并在室温下振荡反应5-5.5h，固液分离取固相，固相经水洗涤后超声分散在PBS缓冲液中，即得ZGO:Mo/PSA-A溶液，所得溶液浓度为1-1.2mg/mL；
(2)[email protected]@SiO2/PSA-C的制备：
将[email protected] NPs溶液加入到乙醇水溶液中，室温下搅拌均匀，并依次加入氨水和10％正硅酸乙酯溶液，搅拌反应3-3.5h；反应结束后固液分离得到[email protected]@SiO2 NPs，并用水至少洗涤三次，随后重新分散在水中，所得溶液粒子浓度为0.1-0.2nM；将[email protected]@SiO2 NPs溶液加入Tris-硼酸缓冲液TBE溶液中，混合搅拌均匀，向其中加入***特异性抗原适配体互补链PSA-C溶液混匀，并在室温下孵育12-12.5h，反应结束后，固液分离取固相物质，将固相物质用水洗涤三次以上，最后分散在PBS缓冲溶液中，即得[email protected]@SiO2/PSA-C溶液，所得溶液浓度为0.1-0.2nM；
(3)荧光传感器的制备：
将步骤(1)中所得ZGO:Mo/PSA-A溶液加入到PBS缓冲液中，并加入步骤(2)中所得的[email protected]@SiO2/PSA-C溶液，在室温下振荡孵育2-2.5h，固液分离取固体物质，并将固体物质重新分散在PBS缓冲液中，得到混合溶液2；将配制好的一系列浓度梯度的***特异性抗原适配体PSA标准溶液，分别加入到上述所得混合溶液2中，在摇床上振荡孵育5-6h；用紫外灯照射，最后使用荧光光谱仪测试每组溶液的发光光谱及发光强度，每组溶液分别测3次，经过这一系列浓度的荧光光谱测定，得到了以***特异性抗原适配体PSA的浓度对数为横坐标，以检测探针ZGO:Mo/PSA-A的发光恢复强度为纵坐标的标准曲线。
步骤(1)①中所述浓硝酸的浓度为15.8-16.2mol/L，其中Zn(NO3)2、Na2MoO4、浓硝酸与水的用量比为：2-2.2mmol:0.005-0.006mmol:300-400μL:11-12mL。
步骤(1)②中固体GeO2与NaOH质量比为：1.3-1.6:1.5-1.8。
4、根据权利要求1所述的构建方法，其特征在于，步骤(1)③中所述Na2GeO3溶液与溶液1的体积比为：1.5-2:11.3-12.4。
步骤(1)④、(3)中所述PBS缓冲溶液浓度为10mM，pH为：7.4-7.5。
步骤(2)中所述乙醇水溶液中无水乙醇与水的用量比为：0.4-0.5:3.0-3.2，[email protected]的浓度为1-1.2nM，其中，[email protected] NPs溶液、乙醇水溶液、氨水与10％TEOS溶液的体积比为：200-250μL:3400-3700μL:285-300μL:9-42μL。
步骤(3)所述荧光传感器的制备，具体步骤如下：
将步骤(1)中所得ZGO:Mo/PSA-A溶液加入到PBS缓冲液中，并加入步骤(2)中所得的[email protected]@SiO2/PSA-C溶液，在室温下振荡孵育2-2.5h，固液分离取固体物质，并将固体物质重新分散在PBS缓冲液中，即得混合溶液2；配制一系列等体积不同浓度梯度的***特异性抗原适配体PSA标准溶液，该标准溶液浓度范围为0pg/mL-1μg/mL，并取5-12个浓度梯度值，随后分别将该标准溶液加入到上述混合溶液2中，在摇床上振荡孵育5-6h；用254nm紫外灯照射，最后使用荧光光谱仪测试每组溶液的发光光谱及发光强度，经过这一系列浓度的荧光光谱测定，得到了以***特异性抗原适配体PSA的浓度对数为横坐标，以检测探针ZGO:Mo/PSA-A的发光恢复程度为纵坐标的标准曲线。
所述ZGO:Mo/PSA-A溶液、[email protected]@SiO2/PSA-C溶液与PBS缓冲溶液体积比为：10-15:40-45:100-150。
所述检测探针ZGO:Mo/PSA-A的发光恢复强度等于存在不同浓度梯度***特异性抗原适配体PSA的检测探针时的发光强度F与不存在***特异性抗原适配体PSA的检测探针时的发光强度F0之差。
所述的荧光传感器应用于检测***特异性抗原PSA。
本发明有益的技术效果在于：
本发明提出的***特异性抗原的检测方法具有很高的灵敏度和特异性，在实际样品中检测***特异性抗原的含量时，因为能够完全避免生物基质中的其他物质的自体荧光和光散射等的干扰，使得检测结果也具有很高的准确度和灵敏度。
本发明将钼元素掺杂在锗酸锌(Zn2GeO4)基质中制备出具有蓝色发射的长余辉纳米棒，记作ZGO:Mo NRs，并通过改变pH实现了对ZGO:Mo NRs发光强度以及衰减时间的调节。同时，筛选出发光强度高，衰减时间长的ZGO:Mo NRs用于制备检测PSA的纳米探针。[email protected]@SiO2 NPs的制备方法是在[email protected] NPs表面包覆二氧化硅壳层，同时Ag壳被刻蚀并且在二氧化硅壳层上还原成了更小的Ag纳米粒子，该结构既改善了[email protected] NPs在溶液易聚集的缺点又保证了其猝灭能力。我们将吸收光谱在蓝光波长范围的[email protected]@SiO2 NPs作为能量受体来构建了基于FRET原理的传感器，实现无自体荧光信号干扰的PSA的灵敏检测。
采用可持续发射蓝光的长余辉纳米棒ZGO:Mo NRs作为发光材料，通过与适配体PSA-A进行偶联制备出可特异性识别***特异性抗原的检测探针。选择吸收光谱处于蓝光范围的[email protected]@SiO2 NPs构建发光受体，通过Ag-SH共价键作用，将适配体互补链PSA-C与[email protected]@SiO2 NPs进行偶联，使其可以与检测探针杂交从而猝灭探针的发光。当无***特异性抗原存在时，检测探针长余辉纳米棒ZGO:Mo NRs与[email protected]@SiO2 NPs通过核酸链的杂交连接在一起，ZGO:Mo NRs的发光信号被猝灭；当有***特异性抗原存在时，检测探针ZGO:Mo NRs上的适配体链与***特异性抗原特异性结合，从而与[email protected]@SiO2 NPs分离，使纳米棒的发光得到恢复，据此设计出来可以灵敏地检测***特异性抗原的光谱分析方法。能够有效消除自体荧光干扰，实现对检测样品中***特异性抗原的含量的准确检测。
本发明提出的***特异性抗原的检测方法具有很高的灵敏度和特异性，在实际样品中检测***特异性抗原的含量时，因为能够完全避免生物基质中的其他物质的自体荧光和光散射等的干扰，使得检测结果也具有很高的准确度和灵敏度。
附图说明
图1为本发明申请中检测***特异性抗原的实验原理图；
图2为实施例2制备得到的长余辉纳米棒ZGO:Mo NRs的透射电镜图；
图3为实施例3制备得到的[email protected]@SiO2 NPs的透射电镜图；
图4为实施例3存在不同浓度的***特异性抗原时，传感器的发光光谱和线性关系。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
实施例1
一种检测***特异性抗原的光谱分析中荧光传感器的构建方法，所述构建方法包括如下步骤：
(1)ZGO:Mo/PSA-A溶液的制备：Mo掺杂长余辉纳米棒的合成及修饰：2mmol Zn(NO3)2，0.005mmol Na2MoO4，与300μL浓HNO3在剧烈搅拌状态下混合，并向其中加入11mL超纯水形成无色透明的溶液。称取1.3g GeO2和1.5g NaOH溶解于21mL超纯水中连续搅拌7h至溶液澄清得到Na2GeO3溶液。将制备得到的1.5mL的Na2GeO3溶液逐滴加入到上述溶液中，通过加入氨水调节溶液的pH值为7，溶液由澄清逐渐变为白色浑浊，在室温下连续快速搅拌1h后转入聚四氟乙烯水热反应釜中升温至220℃下加热4h，升温速率为2℃/min，反应结束后固液分离取沉淀物，并重新将沉淀物分散在NaOH水溶液中，室温下搅拌12h，之后离心收集固体沉淀物，并将所得固体沉淀物分散在N,N-二甲基甲酰胺中，并逐滴加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，并将其置于80℃水浴中加热反应24h，待反应结束后固液分离得到氨基化ZGO:Mo NRs；将***特异性抗原适配体(PSA-A)加入PBS缓冲液中，搅拌混匀，再加入EDC/NHS活化30min后，上述所得氨基化的ZGO:Mo NRs，并在室温下振荡反应5h，固液分离取固相，固相经水洗涤后超声分散在PBS缓冲液中，即得ZGO:Mo/PSA-A溶液，所得溶液浓度为1mg/mL；
(2)[email protected]@SiO2 NPs的制备及PSA-A修饰：将200μL 1nM [email protected] NPs加入到由400μL超纯水和3mL无水乙醇组成的混合溶液中，室温下搅拌至混合均匀。向其中依次加入285μL氨水和9μL 10％TEOS溶液，搅拌状态下反应3h。反应合成的[email protected]@SiO2 NPs通过离心处理进行收集，并用超纯水洗涤三次后重新分散在2mL超纯水中，此时粒子浓度为0.1nM。在其表面修饰PSA-A，经洗涤后分散在250μL PBS缓冲溶液(10mM,pH 7.4)中备用。
(3)荧光传感器的制备：将10μL ZGO:Mo/PSA-A用100μL PBS缓冲液稀释，向其中加入40μL [email protected]@SiO2/PSA-C，在室温下振荡孵育2h，将溶液离心收集下层沉积物，并将其重新分散在160μL PBS缓冲液中。然后将配制好的浓度为0pg/mL、0.1pg/mL、1pg/mL、10pg/mL、100pg/mL、1ng/mL、10ng/mL、100ng/mL、1μg/mL的PSA标准溶液分别加入到上述溶液中，在摇床上振荡孵育5h。用254nm的紫外灯照射10min后，测试每组溶液的发光光谱及发光强度，每组溶液分别测3次。
实施例2
一种检测***特异性抗原的光谱分析中荧光传感器的构建方法，所述构建方法包括如下步骤：
(1)ZGO:Mo/PSA-A溶液的制备：Mo掺杂长余辉纳米棒的合成及修饰：2.1mmol Zn(NO3)2，0.0055mmol Na2MoO4，与350μL浓HNO3在剧烈搅拌状态下混合，并向其中加入11.5mL超纯水形成无色透明的溶液。称取1.45g GeO2和1.65g NaOH溶解于21mL超纯水中连续搅拌7h至溶液澄清得到Na2GeO3溶液。将制备得到的1.75mL的Na2GeO3溶液逐滴加入到上述溶液中，通过加入氨水调节溶液的pH值为8，溶液由澄清逐渐变为白色浑浊，在室温下连续快速搅拌1h后转入聚四氟乙烯水热反应釜中升温至220℃下加热4h，升温速率为2℃/min，反应结束后固液分离取沉淀物，并重新将沉淀物分散在NaOH水溶液中，室温下搅拌12h，之后离心收集固体沉淀物，并将所得固体沉淀物分散在N,N-二甲基甲酰胺中，并逐滴加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，并将其置于80℃水浴中加热反应24h，待反应结束后固液分离得到氨基化ZGO:Mo NRs；将***特异性抗原适配体(PSA-A)加入PBS缓冲液中，搅拌混匀，再加入EDC/NHS活化30min后，上述所得氨基化的ZGO:Mo NRs，并在室温下振荡反应5h，固液分离取固相，固相经水洗涤后超声分散在PBS缓冲液中，即得ZGO:Mo/PSA-A溶液，所得溶液浓度为1mg/mL。制备的ZGO:Mo NRs形貌如图2所示，ZGO:Mo NRs为棒状结构，分散性较好；
(2)[email protected]@SiO2 NPs的制备及PSA-A修饰：将200μL 1nM [email protected] NPs加入到由450μL超纯水和3.1mL无水乙醇组成的混合溶液中，室温下搅拌至混合均匀。向其中依次加入285μL氨水和20μL 10％TEOS溶液，搅拌状态下反应3h。反应合成的[email protected]@SiO2 NPs通过离心处理进行收集，并用超纯水洗涤三次后重新分散在2mL超纯水中，此时粒子浓度为0.1nM。在其表面修饰PSA-A，经洗涤后分散在250μL PBS缓冲溶液(10mM,pH 7.4)中备用。
(3)荧光传感器的制备：将10μL ZGO:Mo/PSA-A用100μL PBS缓冲液稀释，向其中加入40μL [email protected]@SiO2/PSA-C，在室温下振荡孵育2h，将溶液离心收集下层沉积物，并将其重新分散在160μL PBS缓冲液中。然后将配制好的浓度为0pg/mL、0.1pg/mL、1pg/mL、10pg/mL、100pg/mL、1ng/mL、10ng/mL、100ng/mL、1μg/mL的PSA标准溶液分别加入到上述溶液中，在摇床上振荡孵育5h。用254nm的紫外灯照射10min后，测试每组溶液的发光光谱及发光强度，每组溶液分别测3次。
实施例3
一种检测***特异性抗原的光谱分析中荧光传感器的构建方法，所述构建方法包括如下步骤：(1)ZGO:Mo/PSA-A溶液的制备：Mo掺杂长余辉纳米棒的合成及修饰：2.2mmolZn(NO3)2，0.006mmol Na2MoO4，与400μL浓HNO3在剧烈搅拌状态下混合，并向其中加入12mL超纯水形成无色透明的溶液。称取1.6g GeO2和1.8g NaOH溶解于21mL超纯水中连续搅拌7h至溶液澄清得到Na2GeO3溶液。将制备得到的2mL的Na2GeO3溶液逐滴加入到上述溶液中，通过加入氨水调节溶液的pH值为10，溶液由澄清逐渐变为白色浑浊，在室温下连续快速搅拌1h后转入聚四氟乙烯水热反应釜中升温至220℃下加热4h，升温速率为2℃/min，反应结束后固液分离取沉淀物，并重新将沉淀物分散在NaOH水溶液中，室温下搅拌12h，之后离心收集固体沉淀物，并将所得固体沉淀物分散在N,N-二甲基甲酰胺中，并逐滴加入3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，并将其置于80℃水浴中加热反应24h，待反应结束后固液分离得到氨基化ZGO:Mo NRs；将***特异性抗原适配体(PSA-A)加入PBS缓冲液中，搅拌混匀，再加入EDC/NHS活化30min后，上述所得氨基化的ZGO:Mo NRs，并在室温下振荡反应5h，固液分离取固相，固相经水洗涤后超声分散在PBS缓冲液中，即得ZGO:Mo/PSA-A溶液，所得溶液浓度为1mg/mL；
(2)[email protected]@SiO2 NPs的制备及PSA-A修饰：将200μL 1nM [email protected] NPs加入到由500μL超纯水和3.2mL无水乙醇组成的混合溶液中，室温下搅拌至混合均匀。向其中依次加入285μL氨水和42μL 10％TEOS溶液，搅拌状态下反应3h。反应合成的[email protected]@SiO2 NPs通过离心处理进行收集，并用超纯水洗涤三次后重新分散在2mL超纯水中，此时粒子浓度为0.1nM。在其表面修饰PSA-A，经洗涤后分散在250μL PBS缓冲溶液(10mM，pH 7.4)中备用。制备得到的[email protected]@SiO2 NPs的形貌如图3所示，[email protected]@SiO2 NPs为球形结构，且在[email protected]@SiO2 NPs外层二氧化硅层上产生了很多小Ag NPs。
(3)荧光传感器的制备：将10μL ZGO:Mo/PSA-A用100μL PBS缓冲液稀释，向其中加入40μL [email protected]@SiO2/PSA-C，在室温下振荡孵育2h，将溶液离心收集下层沉积物，并将其重新分散在160μL PBS缓冲液中。然后将配制好的浓度为0pg/mL、0.1pg/mL、1pg/mL、10pg/mL、100pg/mL、1ng/mL、10ng/mL、100ng/mL、1μg/mL的PSA标准溶液分别加入到上述溶液中，在摇床上振荡孵育5h。用254nm的紫外灯照射10min后，测试每组溶液的发光光谱及发光强度，每组溶液分别测3次，实验结果见图4。由图4可知，检测探针的发光恢复程度(F-F0)与PSA的浓度之间存在线性关系，当PSA的浓度为10pg/mL至10ng mL-1时，(F-F0)与PSA浓度的对数呈现线性关系，线性相关系数为0.99619。计算出此检测方法的检测限为9.2pg/mL。由此可见，此检测方法的线性范围可达4个数量级之宽，并且可以在肿瘤标志物的灵敏检测方面具有很高的应用价值。
测试例
1，特异性实验：取10μL ZGO:Mo/PSA-A用100μL PBS缓冲液稀释，向其中加入40μ[email protected]@SiO2/PSA-C，在室温下振荡孵育2小时，将溶液离心收集下层沉积物，并将其重新分散在160μL PBS缓冲液中。将200ng/mL的不同干扰物质包括甲胎蛋白，缬氨酸，赖氨酸，谷胱甘肽，精氨酸，L-半胱氨酸,色氨酸，组氨酸，凝血酶，人类免疫球蛋白,癌抗原125，癌胚抗原与1ng/mL PSA混合后加入到反应体系中。孵育5小时后，用254nm的紫外灯激发10分钟，测得每组溶液的发光情况，每组溶液分别测3次。所得溶液的发光强度F与仅存在1ng/mL PSA时的发光强度F0的比值保持在1附近。由此说明，当检测环境中存在其他高浓度的干扰物时，发光强度不因其他物质存在而发生明显的增强或减弱，这表明开发的传感器对PSA具有很高的特异性。
2，准确性实验：将1mL血液在转速为400g情况下离心5min，收集到上层血清0.5mL，并用PBS缓冲液稀释至1mL备用。分别将得到的血清用PBS缓冲液稀释浓度为800pg/mL、400pg/mL、200pg/mL和100pg/mL，将其按照检测步骤分别加入检测体系中，待孵育完全，将每组溶液放置在254nm紫外灯下照射10min，测其发光光谱，每组溶液均测三次。以化学发光免疫方法测得的PSA浓度为标准值，制备的适配体传感器检测血清中PSA的回收率为95.8-99.1％。本实验制备的适配体荧光传感器可以在无激发光直接照射的情况下进行检测，有效避免了来自血清的自体荧光的干扰，提高了信噪比和灵敏度及准确度，可以实现在血液样品中PSA的准确定量检测。