基于上转换发光共振能量转移的CRISPR/Cas12a生物传感系统用于HPV16 DNA双信号检测

doi:10.7503/cjcu20220412

摘要/Abstract

摘要：

传统的纯核结构的上转换纳米材料用于生物传感时, 存在表面猝灭效应或者因发光共振能量转移(LRET)效率不高导致灵敏度低等缺点, 对目标物的灵敏检测有一定的局限性. 本文通过多步高温共沉淀, 介导壳层外延成长法, 合成了NaYF₄∶Yb³⁺,Er³⁺(C-UCNPs)核层发光和NaYF₄@NaYF₄∶Yb³⁺,Er³⁺@NaYF₄(CSS-UCNPs)内壳层发光能量限域型上转换纳米材料, 并表征了材料的晶型、形貌、表面配体、元素组成和发光共振能量转移效率. 结果表明, 该材料具有表面猝灭效应低、发光共振转移效率较高的优势, 随后将其与成簇规律间隔的短回文重复序列及其相关蛋白(CRISPR/Cas)12a-纳米金系统结合, 实现了人乳头瘤病毒DNA(HPV16 DNA)的比色定性和上转换发光定量分析, 检出限为69.8 pmol/L, 双信号检测有效提高了检测结果的准确性. 此外, 本方法不仅特异性强, 还能识别单碱基错配的HPV16 DNA, 提高了DNA片段的容错率.

关键词: 上转换纳米材料, 核/壳/壳结构, 成簇规律间隔的短回文重复序列及其相关蛋白12a系统, 人乳头瘤病毒

Abstract:

Traditional upconversion nanomaterials with pure core structure have some disadvantages such as low sensitivity due to surface quenching effect or low efficiency of luminescence resonance energy transfer（LRET）， the sensitivity of target detection has some limitations. Herein， NaYF₄∶Yb³⁺，Er³⁺（C-UCNPs） core luminescence and NaYF₄@NaYF₄∶Yb³⁺，Er³⁺@NaYF₄（CSS-UCNPs） inner shell layer luminescence energy-limited upconversion nanomaterials were synthesized by a multi-step high-temperature co-precipitation， mediated by a shell layer epitaxial growth method. Meanwhile， the crystalline shape， morphology， surface ligands， elemental composition， and luminescence resonance energy transfer efficiency of the as-prepared materials were characterized and the results demonstrate that the materials processes the advantages of low surface quenching effect and high luminescence resonance transfer efficiency. Subsequently， the nanomaterials were combined with clustered regularly interspaced short palindromic repeats（CRISPR）-CRISPR-associated protein(CRISPR/Cas) 12a-gold nanoparticle system to achieve colorimetric qualitative and upconversion luminescence quantitative analysis of human papillomavirus DNA （HPV16 DNA） with a detection limit of 69.8 pmol/L， and the dual-signal assay effectively improved the accuracy of the detection results. In addition， the method is not only specific， but also recognizes single-base mismatched HPV16 DNA， which greatly improves the fault tolerance of DNA fragments

Key words: Upconversion luminescence nanomaterial, Core/shell/shell structure, Clustered regularly interspaced short palindromic repeats（CRISPR）-CRISPR-associated protein 12a system, Human papillomavirus

中图分类号:

O657

TrendMD:

章丽玲, 刘浏, 郑明秋, 方文凯, 刘达, 唐宏武. 基于上转换发光共振能量转移的CRISPR/Cas12a生物传感系统用于HPV16 DNA双信号检测. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220412.

ZHANG Liling, LIU Liu, ZHENG Mingqiu, FANG Wenkai, LIU Da, TANG Hongwu. Dual Signal Detection of HPV16 DNA by CRISPR/Cas12a Biosensing System Based on Upconversion Luminescent Resonance Energy Transfer. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(11): 20220412.

图/表 15

Fig.1 Powder XRD patterns of C?UCNPs(A) and CSS?UCNPs(B)

Fig.2 TEM(A) and HRTEM(B) images, axial(C) and radial(D) particle size statistics of C?UCNPs

Fig.3 TEM(A—C) and HRTEM(D—F) images of C1?UCNPs(A, D), CS?UCNPs(B， E) and CSS?UCNPs(C, F), axial particle size statistics(G—I) and radial particle size statistics (J—L) of C1?UCNPs(G, J), CS?UCNPs(H, K) and CSS?UCNPs(I, L)

Fig.4 FTIR spectra of C?UCNPs(A) and CSS?UCNPs((B)

Fig.5 EDS spectra of C?UCNPs(A) and CSS?UCNPs(B)

Fig.6 EDS element mappings of C?UCNPs

Fig.7 EDS element mappings of C1?UCNPs(A), CS?UCNPs(B) and CSS?UCNPs(C)

Fig.8 FTIR spectra(A) and DLS zeta potential(B) of UCNPs

Fig.9 TEM image of AuNPs(A), particle size statistics of AuNPs(B), UV?Vis absorption spectra of AuNPs with different concentrations(C), standard curve of AuNPs absorbance and concentration(D), UV?Vis absorption spectra of AuNPs and DNA?AuNPs(E) and zeta potential diagram of AuNPs and DNA?AuNPs(F)

Fig.10 UV?Vis absorption spectra of AuNPs and luminescence spectra of UCNPs(A) and zeta potential diagram of AuNPs and UCNPs(B)

Fig.11 Luminescence spectra of PEI modified C?UCNPs(A) and CSS?UCNPs(B)

Fig.12 TEM images(A, B) and LRET spectra(C, D) of PEI C?UCNPs, PEI CSS?UCNPs with DNA?AuNPs

Fig.13 Photograph of colorimetric(A) and luminescence spectra(B) of this biosensor in the presence of HPV16 dsDNA(a, a), HPV16 TS DNA(b, b), HPV16 NTS DNA(c, c) and HPV18 dsDNA(d, d)

Fig.14 Schematic diagram of colorimetric detection principle(A), photograph of colorimetric detection of different concentrations of HPV16 DNA(B), luminescence spectra of different concentrations of HPV16 DNA(C) and scatter diagram of luminescence with different concentrations of HPV16 DNA(D)The inset in (D) is the working curve between the logarithm of HPV16 DNA and normalized luminescence intensity.

Fig.15 Photographs of colorimetric detection of different DNA molecules(A) and specificity investigation toward different DNA molecules(B)a. HPV16； b. MT1； c. MT2； d. MT3； e. HPV18； f. blank.

参考文献 33

1	Wang X. D.， Stolwijk J. A.， Lang T.， Sperber M.， Meier R. J.， Wegener J.， Wolfbeis O. S.， J. Am. Chem. Soc.， 2012， 134（41）， 17011―17014
2	Hong Y.， Lam J. W.， Tang B. Z.， Chem. Commun.， 2009，（29）， 4332―4353
3	Borisov S. M.， Wolfbeis O. S.， Chem. Rev.， 2008， 108（2）， 423―461
4	Bünzli J. G.， Chem Rev.， 2010， 110（5）， 2729―2755
5	Zhang J.， Bao X.， Zhou J.， Peng F.， Ren H.， Dong X.， Zhao W.， Biosens. Bioelectron.， 2016， 85， 164―170
6	Kobayashi H.， Ogawa M.， Alford R.， Choyke P. L.， Urano Y.， Chem. Rev.， 2010， 110（5）， 2620―2640
7	Kim H. M.， Cho B. R.， Acc. Chem. Res.， 2009， 42（7）， 863―872
8	Zhao M.， Chen A.， Huang D.， Chai Y. Q.， Zhuo Y.， Yuan R.， Anal. Chem.， 2017， 89（16）， 8335―8342
9	Zhou Y.， Chen S， Luo X.， Chai Y.， Yuan R.， Anal. Chem.， 2018， 90（16）， 10024―10030
10	Liu G.， Li J.， Feng D.， Zhu J. J.， Wang W.， Anal. Chem.， 2017， 89（1）， 1002―1008
11	Bai X.， Xu S.， Wang L.， Anal. Chem.， 2018， 90（5）， 3270―3275
12	Yu M.， Li F.， Chen Z.， Hu H.， Zhan C.， Yang H.， Huang C.， Anal. Chem.， 2009， 81（3）， 930―935
13	Zijlmans H.， Bonnet J.， Burton J.， Kardos K.， Vail T.， Niedbala R.， Tanke H.， Anal. Biochem.， 1999， 267（1）， 30―36
14	Zhou Y.， Chen W.， Zhu J.， Pei W.， Wang C.， Huang L.， Yao C.， Yan Q.， Huang W.， Loo J. C.， Small， 2014， 10（23）， 4874―4885
15	Wang C.， Tao H.， Cheng L.， Liu Z.， Biomaterials， 2011， 32（26）， 6145―6154
16	Zhou J. C.， Yang Z. L.， Dong W.， Tang R. J.， Sun L. D.， Yan C. H.， Biomaterials， 2011， 32（34）， 9059―9067
17	Hu H.， Yu M.， Li F， Chen Z.， Gao X.， Xiong L.， Huang C. H.， Chem. Mater.， 2008， 20（22）， 7003―7009
18	Zheng W.， Huang P.， Tu D.， Ma E.， Zhu H.， Chen X.， Chem. Soc. Rev.， 2015， 44（6）， 1379―1415
19	Rabouw F. T.， Den S. A.， Senden T.， Meijerink A.， Nat. Commun.， 2014， 5（1）， 1―6
20	Wang P.， Ahmadov T. O.， Lee C.， Zhang P.， RSC Adv.， 2013， 3（37）， 16326―16329
21	Zhang C.， Yuan Y.， Zhang S.， Wang Y.， Liu Z.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2011， 50（30）， 6851―6854
22	Deng R.， Xie X.， Vendrell M.， Chang Y. T.， Liu X.， J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133（50）， 20168―20171
23	Kuningas K.， Rantanen T.， Ukonaho T.， Lövgren T.， Soukka T.， Anal. Chem.， 2005， 77（22）， 7348―7355
24	Wang Y.， Wu Z.， Liu Z.， Anal. Chem.， 2013， 85（1）， 258―264
25	Chen Z.， Chen H.， Hu H.， Yu M.， Li F.， Zhang Q.， Zhou Z.， Yi T.， Huang C.， J. Am. Chem. Soc.， 2008， 130（10）， 3023―3029
26	Wang L.， Yan R.， Huo Z.， Wang L.， Zeng J.， Bao J.， Wang X.， Peng Q.， Li Y.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2005， 44（37）， 6054―6057
27	Hille F.， Richter H.， Wong S. P.， Bratovič M.， Ressel S.， Charpentier E.， Cell， 2018， 172（6）， 1239―1259
28	Chen J. S.， Ma E.， Harrington L. B.， Da Costa M.， Tian X.， Palefsky J. M.， Doudna J. A.， Science， 2018， 360（6387）， 436―439
29	Wang F.， Deng R.， Liu X.， Nat. Protoc.， 2014， 9（7）， 1634―1644
30	Ji X.， Song X.， Li J.， Bai Y.， Yang W.， Peng X.， J. Am. Chem. Soc.， 2007， 129（45）， 13939―13948
31	Mirkin C. A.， Letsinger R. L.， Mucic R. C.， Storhoff J. J.， Nature， 1996， 382（6592）， 607―609
32	Saha S.， Pala R G S.， Sivakumar S.， Cryst. Growth Des.， 2018， 18（9）， 5080―5088
33	Liu B.， Liu J.， J. Am. Chem. Soc.， 2017， 139（28）， 9471―9474

[1]	王日边超谢勇韩明杰李洋夏善红. 基于二硫化钼和钴基金属有机骨架的痕量汞离子电化学传感器[J]. 高等学校化学学报, 0, (): 20220719.
[2]	赵幻希李卓赵孟雅田璐肖禹圣王震寰越皓修洋. 能量分辨质谱区分与检测人参皂苷同分异构体20(S)-Rf和Rg1[J]. 高等学校化学学报, 0, (): 20220576.
[3]	汪诗琪, 罗博文, 俞计成, 顾臻. 近红外二区活体荧光成像在肿瘤诊疗中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220577.
[4]	赵雪琪, 赵越, 薛静, 白敏, 陈锋, 孙颖, 宋大千, 赵永席. 单细胞核酸编码扩增成像分析[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220572.
[5]	丁奕如, 张超颖, 谢贺新. 肾小球滤过率活体实时监测荧光示踪剂的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220686.
[6]	张庆鹏, 关国强, 刘慧怡, 陆畅, 周颖, 宋国胜. 磁粒子成像示踪剂的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220375.
[7]	储彬彬, 何耀. 硅基纳米探针用于眼部疾病的成像检测与治疗[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220546.
[8]	秦文婕, 黄一倬, 罗潇, 钱旭红, 杨有军. 基于Cy7类菁染料分子探针的设计策略[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220567.
[9]	杨燕玲, 叶德举. 碳酸酐酶靶向探针的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220557.
[10]	李奥, 李凌轩, 左翠翠, 陈传凯, 樊一凡, 步逸凡, 林泓域, 高锦豪. 基于硼酸酯的¹⁹F磁共振分子探针的设计合成及活体深组织活性氧物种的激活响应成像[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220545.
[11]	马小飞, 胡山, 李俊彬, 杨盛, 谌委菊, 卿志和, 周怡波, 杨荣华. 细胞内源性分子辅助荧光信号放大策略及细胞成像[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(12): 20220320.
[12]	王方圆, 张奋娴, 李毅, 高建华, 牛颜冰, 申少斐. 仿生树叶模型的制作及在琼脂糖微流控芯片中的应用[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220445.
[13]	秦该照, 唐明华, 赖亚琳, 袁黎明. 手性金属有机笼MOC-PA作为毛细管电泳手性固定相[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(11): 20220417.
[14]	徐若韬王强鲍庆嘉王伟宇张志刘朝阳徐君邓风. γ-Al2O3颗粒溶液浸润过程的原位磁共振成像研究[J]. 高等学校化学学报, 0, (): 20220587.
[15]	宋璐张舒阳王丽华左小磊李敏. 框架核酸高通量检测芯片[J]. 高等学校化学学报, 0, (): 20220563.