一种基于气压检测靶标的定量检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于气压检测的定量分析方法，用于无机离子、小分子、生物大分 子特别是蛋白质、DNA、甚至病毒、细菌、细胞等多种靶标的高灵敏度定量。
【背景技术】
[0002] 发展新颖、灵敏、高选择性、廉价、方便的定量检测分析方法一直是科研工作中最 为热门的课题。现有的定量检测分析方法通常都依赖于各种大型精密仪器，例如光谱仪、质 谱仪、色谱仪、电泳等。在这些定量分析方法经过长时间的发展，已经建立起成熟的检测方 法和技术，因而被广泛应用于生物、化学、医学、食品等总多领域的样品检测和分析中，例如 各种有机小分子、生物大分子乃至细菌、病毒、细胞等。然而，无论是质谱、色谱、电泳，或是 光学分析仪器，要实现高灵敏的定量检测和分析，对仪器的精密程度和对检测部件的灵敏 度都有很高的要求，以致使得检测仪器和检测实验的成本一直难以降低。
[0003] 以基于光学的定量分析仪器为例，常见的如紫外-可见分光光度计、紫外谱仪、荧 光仪等。为了实现高灵敏度的精确定量检测分析，这些仪器不仅需要提供复杂而精密的 光路部件，例如光栅、滤镜、透镜组，还需要经过良好培训的操作人员对仪器进行精确的调 控。除此之外，为了提高仪器的灵敏度，还需要提供高功率的光源来实现光学信号的富集 和增益。同时，基于光学的检测方法对检测体系有极高的要求。一方面，检测体系的成分 不能过于复杂，当靶标之外的分子或物质具有与检测靶标分子近似的光学特性时，都会严 重影响检测的准确度，因而光学检测体系通常需要复杂的前处理步骤以避免该问题；另一 方面，并非所有的分子都具有良好的光学特性，因而通常会使用分子识别技术对分子进行 标记和信号放大，例如酶联免疫法，即利用免疫学方法将能够催化生产一定荧光特性或光 学吸收特性的产物，来实现对革E标抗原的检测（l、Engvall E, Perlmann P. Enzyme-linked immunosorbent assay(ELISA)quantitative assay of immunoglobulin G. Immunochemist ry[J]，1971，8(9) :871-874.)。上述问题都使得光学定量检测分析方法的成本都难以进一步 降低。因此，如何开发一种廉价可行的但又具有良好灵敏度的定量检测方法日益受到研宄 人员的关注。
[0004] 与此同时，随着科技的发展，以及对科学和生命本质认知的提高，人们已经不再满 足于实验室中昂贵而又耗时的实验检测，他们更加迫切的希望科技能与生活中的应用相结 合，真正实现"科技改变生活"。例如"即时诊断"的概念日益受到关注（2、R. J.Davies，S. S.E. , S. J. Carlisle, Handbook of Biosensors and Biochips,Wiley, Hoboken[M]. 2008.； Liu, H. , Xiang, Y. , Lu, Y. , Crooks, R. M. , Aptamer-based origami paper analytical device for electrochemical detection of adenosine,Angewandte Chemie-International Edition [J]·2012, 51. 6925-8. ；4> Liu,J. ff. , Oligonucleotide functionalized hydrogels as stimuli responsive materials and biosensors, Soft Matter[J]· 2011, 7. 6757-6767·)。所谓即时诊断（Point of Care Test，POC Test)，是指 在发病或者发生事件的地点进行即时检测和诊断，从而实现迅速的监控和治疗。现代的POC 检测方法通常利用免疫分析技术，即特异性抗体会与抗原相结合，来捕捉目标物进行分析。 以疾病特异性目标蛋白标记物作为检测目标，实现对疾病的诊断，如妊娠测试试剂盒以妊 娠激素人绒毛膜促性腺激素（hCG)为靶标。然而，失去了精密仪器的支持，POC检测的灵敏 度势必会受到影响。现有的POC检测一般只能实现定性或半定量检测，以致无法实现对疾 病或身体状况的精确诊断。所以尽管POC检测在即时诊断和紧急情况应对上能够提供一定 的信息，但却无法为更为快速的临床治疗提供更为准确的依据。建立一种小型化，同时又具 有高灵敏度的快速廉价的检测方法迫在眉睫。
[0005] 综上所述，在未来的科学研宄中，如何发展一种既不影响实验方法高灵敏度、高选 择性、高准确性等优点，又能显著降低检测仪器和实验成本，既能实现实验室中高灵敏、高 准确性的实验要求，又能具有微型化、便携低能耗等优点，可应用于即时诊断的的定量检测 分析方法是亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有高灵敏定量检测分析方法及其仪器设备价格昂贵、实验方法成本 高等缺点，发展了一种基于气压检测的高灵敏度、高选择性、高准确性同时廉价便携的定量 检测分析方法，即可用于实验室中高灵敏度、高选择性的无机离子、小分子、生物大分子例 如蛋白质、DNA、甚至病毒、细菌、细胞等多种靶标的高灵敏度定量，又能用于快速的高灵敏 度POC定量检测分析。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[0008] 一种基于气压检测靶标的高灵敏、通用的定量检测方法，是在密闭体系中，利用分 子识别引入信号放大分子如酶或纳米粒子，通过信号放大分子或粒子催化底物释放出大量 气体分子，导致体系气压增强，利用体系的压强变化实现靶标浓度的高灵敏定量检测。
[0009] 其中，所述的分子识别技术为，利用如抗体、核酸适配体、核酸探针等具有特异性 识别功能的分子对靶标进行识别或标记，并通过将这些识别分子将信号放大分子或粒子引 入检测体系中。
[0010] 其中，利用分子识别技术对靶标进行识别或标记，靶标包括但不局限于蛋白、核 酸、肽链、糖类、脂类、有机小分子、无机离子、细胞、细菌、病毒。
[0011] 其中，信号放大分子包括过氧化氢酶、金纳米粒子、铂纳米粒子、金铂纳米粒子、锰 氧化物纳米粒子或其他可以催化底物产生气体的催化剂或酶，其催化底物为受催化后可产 生大量气体分子的物质（如H 2O2)，气体分子为底物受催化后的产物（如02)。
[0012] 其中，在密闭体系中，其反应检测体系包括酶联免疫吸附法（ELISA)体系、DNA水 凝胶体系、功能化DNA传感体系中的至少一种。
[0013] 在酶联免疫吸附法体系中，基于气压检测靶标的定量分析方法优选包括如下步 骤：（1)根据要检测的抗原选择相对应的捕获抗体及检测抗体；（2)对信号放大分子进行 修饰，使其与检测抗体分子偶联结合，或使其能够特异性的与检测抗体结合；（3)在多孔板 (例如96孔板）或磁珠或微球等能够用于酶联免疫吸附法的固相表面进行包被，加入捕获 抗体使其结合于包被后的固相表面，之后进行封闭液封闭，加入待检测抗原，再加入检测抗 体，形成双抗夹心结构，洗去多余检测抗体；(4)引入信号放大分子；（5)在多孔板中加入底 物，密封反应腔体，信号放大分子催化底物分子，生成大量气体分子，产生可由气压计读取 的压强变化信号；(6)根据气压计显示的压强变化数值，实现靶标分子的高灵敏定量检测。
[0014] 其中，可以利用多孔板表面为捕获抗体吸附的固相表面，用于靶标分子的捕获；也 可以使用磁珠或微球作为捕获抗体吸附的固相表面，通过磁场或离心等方法来实现靶标分 子的捕获。
[0015] 其中，引入信号放大分子或纳米粒子的方法可以直接通过对检测抗体进行偶联标 记，也可以通过将特异性识别检测抗体的分子修饰于信号放大分子或纳米粒子，在检测抗 体与靶标分子结合后，再将信号放大分子或纳米粒子与检测抗体结合，使得信号放大分子 或纳米粒子具有更好的通用性和适用性。
[0016] 在DNA水凝胶体系中，基于气压检测的多种靶标的即时可视化定量分析方法优选 包括如下步骤：（1)将两条丙烯酰胺/DNA高聚链、一条核酸适体分子与酶分子或纳米粒子 混合，制备核酸适体交联水凝胶；（2)将含有不同已知浓度分析物的溶液加入上述水凝胶 中反应，释放出酶或纳米粒子；（3)反应结束后，取反应上清液，置于反应试管中，使酶或纳 米粒子与底物发生催化反应；密闭体系中，产生的大量气体使体系内的压强升高，利用气压 计进行读数，并记录数据，进而可建立标准曲线，从而检测未知样品中靶标含量。
[0017] 其中，利用两条丙烯酰胺/DNA高聚链，一条两端能够分别与两条高聚链上DNA序 列互补配对的核酸适配体形成DNA水凝胶。
[0018] 其中，将酶分子或纳米离子包裹在形成的DNA水凝胶中DNA三链结构形成的腔体 中，利用分子之间的位阻限制酶分子或纳米离子使其不能够自由扩散。靶标分子存在时，核 酸适配体发生构象变化，导致DNA水凝胶瓦解，释放出其中的酶分子或纳米粒子。
[0019] 在功能化DNA传感体系中，基于气压检测的多种靶标的即时可视化定量分析方 法优选包括如下步骤：（1)针对靶标分子选择合适的核酸适配体，在核酸适配体一段添加 上与捕获探针互补的序列；（2)根据核酸适配体的序列设计合适的检测探针序列，使得无 靶标分子存在时检测探针能够通过碱基之间的相互作用结合于核酸适配体链上，当靶标 分子存在时，能够竞争下检测探针；(3)利用生物或化学的偶联方法，例如脱羧反应或生物 素-亲和素相互作用将捕获探针连接在磁珠表面，加入检测DNA以及核酸适体，使其在磁珠 表面形