滚环扩增-太赫兹超材料生物传感器及快速检测多重耐药结核杆菌的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于检测领域，具体涉及滚环扩增-太赫兹超材料生物传感器，还涉及该滚 环扩增-太赫兹超材料生物传感器快速检测多重耐药结核杆菌的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，人口流动性的增加等多方面因素，使得结核杆菌感染率居高不下，结核病 有正在向全球迅速蔓延的趋势。由于疾病诊断延迟和抗结核药物的滥用，导致多重耐药性 结核杆菌发病率的不断增高。普通的结核病只需服用一线抗结核药物（如:异烟肼、利福平 等），采用早期、联合、适量、规律和全程的原则，半年左右即可治愈。而多重耐药性结核病患 者感染的结核杆菌体外被证实至少对一线两种药物(异烟肼、利福平等)耐药。快速灵敏的 检测出多重耐药结核杆菌，对于控制耐药性结核病和个体化治疗至关重要。目前临床常见 的多重耐药结核杆菌的主要检测方法为结核杆菌培养后的药敏实验，这种方法不仅耗时较 长通常需要几天到一周不等，且阳性结果较低严重影响疾病的诊治。近年来出现的新的分 子学技术手段，例如直接测序法可以更加快速检测多重耐药结核杆菌，但是受限于仪器价 格昂贵操作繁琐，无法在实际临床工作中运用开来。因此，建立一种快速、简便的检测多重 耐药结核杆菌的新方法具有重大的现实意义。
[0003] 太赫兹(Terahertz，THz)福射是指频率为0.1~ΙΟΤΗζ的电磁波，由于其波段位于 微波和红外之间，相比于紫外可见吸收光谱、X射线成像分析等传统技术，THz光谱有其独特的 优势。太赫兹超材料是指与其相互作用为THz波段电磁波的新型人工材料，可对THz波的振幅 和相位等进行灵活的控制。金属开口谐振环(SRR)是目前最常见的超材料结构类型，如果把 SRR看作为一个电感电容电路元件，超材料的共振频率即可表示为I = 1其 中L和C分别是电感和电容。电感主要是所制备超材料的几何参数所决定，而电容与电容器 的有效介电常数密切相关。当超材料表面覆盖物质后或者物质改变后，其局域有效介电常 数的改变会引起电容的改变，从而导致其共振频率的改变。因此，可通过检测太赫兹超材料 共振频率的位移来实现微量标本的检测。
[0004] 滚环扩增(rolling circle amplification,RCA)是一种恒温的DNA扩增过程，避 免了传统PCR的复杂热循环带来的非特异性扩增和不兼容性等技术缺陷。RCA可在固相载体 上实现捕获探针的固定，同靶序列杂交后，建立生物传感器芯片表面的滚环扩增系统。但 是，目前RCA主要通过琼脂糖凝胶电泳检测，周期长，结果稳定性差。
[0005] 因此，急需一种结果稳定可靠，能够在较短周期内完成多重耐药结核杆菌检测的 生物传感器及相应的检测方法。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明的目的之一在于提供滚环扩增-太赫兹超材料生物传感器;本发 明的目的之二在于提供利用滚环扩增-太赫兹超材料生物传感器快速检测多重耐药结核杆 菌的方法。
[0007] 为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
[0008] 1、滚环扩增-太赫兹超材料生物传感器，所述生物传感器包括太赫兹超材料、包被 于太赫兹超材料反应区识别待检测模板序列的捕获探针和聚苯乙烯玻片，所述聚苯乙烯玻 片覆盖于太赫兹超材料上层并且形成用于液相扩增反应的液膜腔隙。
[0009] 本发明中，太赫兹超材料由硅基底上周期性排列的金属开口谐振环组成，硅片为 470μηι厚，娃片上的金膜为200nm厚，每个周期由五个金属开口谐振环所组成。优选的，将太 赫兹超材料分为为5个独立反应区域。
[0010] 本发明中所述液膜腔隙的高度优选为50μπι。
[0011] 优选的，所述捕获探针为5'端经巯基化修饰的核苷酸序列如SEQ ID NO. 6~10所 示的序列。
[0012] 本发明中，还包括滚环扩增的环形模板，所述滚环扩增的环形模板由待检测模板 序列与相匹配的锁式探针通过连接酶连接形成的环形DNA分子。
[0013] 更优选的，所述待检测模板序列的核苷酸序列如SEQ ID N0.11~15所示，所述锁 式探针为5'端经磷酸基修饰的核苷酸序列如SEQ ID NO. 1~5所示的序列。
[0014] 2、利用所述滚环扩增-太赫兹超材料生物传感器快速检测多重耐药结核杆菌的方 法，包括如下步骤：
[0015] (1)根据结核杆菌耐药位点Kat G315(AGC-ACC)，inh A-15(ACG-ATG)，rpo B526 (CAC-TAC)，531(TCG-TTG)，emb B306(ATG-GTG)和rps L43(AAG-AGG)设计与锁式探针 和特异识别耐药位点的捕获探针，所述锁式探针能够与结核杆菌基因组DNA耐药位点区域 连接形成滚环扩增的环形模板；
[0016] (2)将待测结核杆菌培养后进行灭活，然后离心收集菌体，提取基因组DNA，备用；
[0017] (3)将锁式探针分别加入到含待测结核杆菌基因组DNA的连接反应体系中使结核 杆菌基因组DNA耐药位点区域与锁式探针形成滚环扩增的环形模板；
[0018] (4)向步骤(3)所得滚环扩增的环形模板中分别加入Phi 29DNA聚合酶，dNTPs混合 液以及BSA;然后分别加入包被识别相应耐药位点的捕获探针的太赫兹超材料反应区进行 滚环扩增反应；
[0019] (5)将滚环扩增反应的生物传感器采用太赫兹时域光谱仪在18~25°C采用透射模 式进行测量，光路中配置有密闭装置并冲入高浓度氮气使检测池相对湿度降至2%以下;并 以高阻硅的透射光谱作为样本的参考信号;在RCA反应前后分别测量太赫兹超材料反应区 的透射光谱，根据共振频率位移判断待检测结核杆菌是否含有耐药位点，然后判断是为多 重耐药结核杆菌。
[0020] 优选的，步骤（1)中，所述捕获探针为5'端经巯基化修饰的核苷酸序列如SEQ ID NO. 6~10所示的序列，所述耐药位点区域的核苷酸序列如SEQ ID NO. 11~15所示，所述锁 式探针为5'端经磷酸基修饰的核苷酸序列如SEQ ID NO. 1~5所示的序列。
[0021] 优选的，所述步骤(3)为将锁式探针分别加入到含待测结核杆菌基因组DNA的连接 反应体系中至锁式探针终浓度为1〇〇ηΜ，95 °C变性5min后冰浴lmin，然后置于45 °C水浴箱中 杂交反应20min;随后加入DNA连接酶和质量分数为0.05 %的BSA，37 °C条件下连接45min，在 连接产物中加入核酸外切酶反应体系再加入10U的exonuclease I和exonuclease III，37 。(:反应15min后，95°C，5min灭活外切酶。
[0022] 优选的，所述连接反应体系为pH7.8、含30mM Tris-HCl，10mM(NH4)2S〇4,4mM MgCl2,0.1mM NAD和1.2mM EDTA的水溶液;所述核酸外切酶反应体系为含671^817(^116-KOH pH 9.5,6.7mM MgCh和 10mM DTT的水溶液。
[0023] 更优选的，所述滚环扩增反应条件为在温度为37°C条件下反应lh。
[0024] 发明的有益效果:本发明公开了滚环扩增-太赫兹超材料生物传感器，通过将将太 赫兹超材料和RCA有机结合，用于多重耐药结核杆菌的快速检测，检测中以四种一线抗结核 药物的五个突变位点为检测对象:异烟肼（INH)耐药Kat G315(AGC-ACC)，inh A-15(ACG- ATG);利福平（RFP)耐药rpo B526(CAC-TAC)，531(TCG-TTG);乙胺丁醇（EMB)耐药emb B306(ATG-GTG);链霉素（SM)耐药rps L43(AAG-AGG)。设计出相应的锁式探针(Padlock Probe，PLP)，耐药位点区域和捕获探针，锁式探针和耐药位点区域通过连接酶连接成环形 DNA分子，作为滚环扩增的环形模板，其靶序列与固定在超材料上的捕获探针杂交，实现了 原位复制扩增。由于DNA分子的有效扩增、分子链延长，导致超材料表面的有效介电常数发 生改变，使得太赫兹超材料的共振频率发生位移。当在超材料表面不同区域中分别不同突 变位点的捕获探针后，从而可以通过监测太赫兹超材料特定区域的反应前后的共振频率的 改变检测特定突变位点的存在与否。由于不同位点的扩增反应在同一片超材料的不同区域 进行，从而可以通过监测不同区域反应前后共振频率的改变实现同时五个位点的平行检 测。本发明结果稳定可靠，可以在三小时之内完成多重耐药结核杆菌五个耐药位点的检测， 能够用于临床检测多重耐药结核杆菌耐药位点。
【附图说明】
[0025] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图：
[0026] 图1为太赫兹超材料结构的光镜不意图。
[0027] 图2为滚环扩增-太赫兹超材料生物传感器的侧面结构示意图。
[0028] 图3为滚环扩增-太赫兹超材料生物传感器的原理示意图。
[0029] 图4为RCA反应前后太赫兹超材料共振频率的变化。
【具体实施方式】
[0030] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例中未注明具体 条件的实验方法，通常按照常规条件，例如分子克隆实验指南(第三版，J.萨姆布鲁克等著） 中所述的条件，或按照制造厂商所建议的条件。
[0031 ]滚环扩增-太赫兹超材料生物传感器，包括太赫兹超材料、包被于太赫兹超材料反 应区识别待检测模板序列的捕获探针和聚苯乙烯玻片，所述聚苯乙烯玻片覆盖于太赫兹超 材料上层并且形成用于液相扩增反应的液膜腔隙，液膜腔隙高度约为50M1;其中太赫兹超 材料结构如图1所示，由硅基底上周期性排列的金属开口谐振环组成，硅片为470μπι厚，硅片 上的金膜为200nm厚，每个周期由五个金属开