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利用温度计检测传染性疾病:基于光热效应的核酸可视化定量检测

近日,美国德克萨斯大学埃尔帕索分校(The University of Texas at El Paso, UTEP)的李秀军(XiuJun Li)(点击查看介绍)团队开发了一种新型核酸检测手段:利用金纳米粒子聚集体(AuNP aggregation)作为光热传感器(photothermal biosensor),仅依靠温度计,即可实现对核酸的可视化定量检测。


目前,核酸的定量检测在很多领域起到了至关重要的作用,例如疾病诊断、药物研发、食品安全监督以及环境监测。在众多核酸检测方法中,基于金纳米材料的生物传感器以其独特的光学性质--表面等离子体共振(SPR),而被广泛应用在比色检测方法中。然而,此类方法通常灵敏度较低,而且依赖于昂贵的专业分析仪器(例如分光光度计、酶标仪等)实现定量检测,极大限制了其在低收入国家和地区的推广,尤其是在即时检测(POCT)中的应用。


此外,由于传统的核酸检测主要依赖于核酸扩增技术,如聚合酶链反应(PCR),检测过程需要依靠特定的纳米材料表面修饰(例如-SH巯基修饰),以及对核酸目标物/引物/分子探针的官能团修饰(例如-NH2氨基、不同荧光团修饰等),这些无疑增加了核酸检测成本,并导致其检测过程繁琐且耗时。而且,一种纳米传感器通常仅针对同一种目标核酸的检测;如果要更换不同目标物,其表面修饰、识别、核酸扩增和检测过程均需重新调整。因此,开发一种可普遍适用的、无需特定标记、且不依赖于核酸扩增技术的检测方法显得尤为重要。


鉴于此,李秀军团队首次研发了一种基于光热效应的核酸检测方法,利用温度计作为核酸浓度的定量读取工具(图1)。该研究发现,单链DNA(ssDNA)的引入(≥ 160 nM)可使未修饰的金纳米粒子(AuNP)在较高的盐浓度下(40 mM)仍保持单分散的状态,而随着目标核酸的加入,单链DNA与目标物杂交,形成的双链DNA(dsDNA)失去对金纳米粒子的保护作用,从而导致金纳米粒子逐渐聚集。而金纳米粒子的聚集体具有较强的光热效应,在近红外激光(808 nm)的照射下,该反应体系的温度将迅速升高(≥ 10 °C)。利用该原理,结核分枝杆菌(Mycobacterium tuberculosis,MTB,肺结核病原体)DNA作为待检核酸目标物,在优化条件下,随着目标物浓度的增加,体系颜色由红色变为蓝紫色;同时,在近红外激光照射下,体系的温度升高值在广泛的浓度范围内(2-1200 nM)与DNA浓度的对数呈线性关系(图2)。核酸检测的检测限低至0.28 nM,是常规比色检测限的10倍左右,表现出较高的灵敏度。而且,通过测试不同类别的核酸干扰物,例如百日咳杆菌DNA、大肠杆菌DNA、癌细胞DNA等样品,该检测体系表现出了较好的特异性。此外,研究还发现,利用相应的互补单链DNA,该体系不仅可以检测结核杆菌DNA,而且能够用于其他疾病相关的DNA检测,例如脑膜炎、癌症、贾第虫病等等,进一步证明了该体系的普遍性。

图1. 基于光热效应的核酸检测的原理示意图。


图2. 基于光热效应的核酸检测方法用于结核杆菌目标物的检测结果:(A)紫外-可见吸收光谱表征检测体系;(B)650 nm处吸光度和目标DNA浓度间的线性关系及检测体系颜色变化;(C)温度升高值和目标DNA浓度(对数值)间的线性标准曲线;(D)目标物和不同干扰物在检测体系的温度升高值。


在此方法中,温度计作为一种常见的家用分析工具,被首次应用于核酸的可视化定量检测中。信号(温度)的产生不依赖于DNA与传感器探针标记和核酸扩增技术,信号的读取不依赖于专业分析仪器及技术人员,极大地降低了检测过程的复杂性和成本,为开发简单、低成本的疾病诊断提供了重要依据,在现场即时检测方面具有广阔的应用前景,并且有望用于新型肺炎(COVID-19)的快速现场诊断。这一研究成果近期发表在Analytical Chemistry 上,文章的第一作者是该团队的周婉,目前博士在读。此外,该团队有关光热效应的其它的新型检测应用,例如光热免疫分析,还发表在Analytical ChemistryAnal. Chem., 2018, 90, 5930-5937),Nanoscale Nanoscale, 2016, 8, 5422-5427)等期刊。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Gold Nanoparticle Aggregation-Induced Quantitative Photothermal Biosensing Using a Thermometer: A Simple and Universal Biosensing Platform

Wan Zhou, Kaiqiang Hu, Sharon Kwee, Liang Tang, Zonghua Wang, Jianfei Xia, XiuJun Li

Anal. Chem., 2020, 92, 2739−2747, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b04996


李秀军博士简介


李秀军,美国德克萨斯大学埃尔帕索分校(The University of Texas at El Paso,缩写UTEP)终身副教授,2008年于加拿大西门菲莎大学(Simon Fraser University,SFU)取得博士学位,2008至2009年在美国加州大学伯克利分校(UC Berkeley)从事博士后研究,2010年至2011年在哈佛大学(Harvard University)师从著名的George Whitesides教授从事博士后研究,2012年初就职于UTEP。


李秀军课题组的研究领域是面向微流控生物芯片和纳米技术在生物分析、生物医学和环境方面的应用,特别是专注于低成本诊断、病原体和癌症标志物的快速检测、纳米生物传感器、组织工程和单细胞分析等领域的创新和研发;在相关领域发表SCI论文85余篇,包括以通讯作者身份发表Chem. Sci.、TRAC-Trend Anal. Chem.、Adv. Drug Deliv. Rev.、Appl. Catal. B-Environ.、Nanaoscale、Anal. Chem.、Chem. Commun.、Biosens. Bioelectron.、Lab Chip等,发明专利16项,并在Elsevier出版专著Microfluidic Devices for Biomedical Applications;担任Nature Publishing Group旗下Scientific Reports和Micromachines等多家期刊的资深编辑,Lab Chip 和 Analyst 的Advisory Board成员;曾获得“Bioanalysis Young Investigator Award” (2014)、Outstanding Faculty Research Mentoring Award(2018和2016两次)、NIH BUILDING Scholar Mentoring Award (2017) 、UT STARS Award (2012)、Dean of Graduate Studies Convocation Medal from SFU (2009)以及中国国家优秀自费留学生奖(2004)等。


李秀军

http://www.x-mol.com/university/faculty/46687

课题组链接

http://li.utep.edu


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