一种纸基miRNA电化学传感器的制备方法及应用与流程

本发明涉及mirna检测技术领域，具体的说是一种基于核酸的纸基mirna电化学传感器，运用信号分子标记的dna修饰的纸和丝网印刷电极检测目标mirna的方法。

背景技术：

开发有效和可靠的即时诊断工具来检测与疾病相关的生物标志物，对在资源有限的条件下改善患者医疗诊断情况具有至关重要的作用。纸张作为最便宜和最普遍使用的材料之一，具有便携、表面易于修饰和功能化等优点，是最常用的构建即时诊断器件的基底材料。早在20世纪50年代，基于纸上的即时检测试纸----葡萄糖试纸和血糖仪就已经研制成功，并且可以扩展用于检测多种生物标记物（例如生物小分子、蛋白质、活性酶）（clin.chem.,1957,3,163）。尽管各种检测试纸在过去的几十年中取得了很大进展，但大多数报道的纸基即时诊断仍依赖于酶和抗体作为识别元素进行测定，目前，还鲜有基于核酸的检测器件问世。

相比于传统的基于酶和抗体的检测试纸，基于核酸的分析具有独特的优点，例如碱基序列控制的互补杂交，特定序列的功能dna具有催化活性或识别能力。dnazyme就是典型的功能dna。dnazyme可以催化多种反应，例如mg²⁺-依赖的dnazyme能催化核糖核酸糖苷键的裂解，能够用做检测器件的信号放大器。此外，核酸稳定性和适应性比酶更强，而且其合成已经实现了商品化（angew.chem.int.ed.,2014,53,12799）。因此，核酸已被用作设计各种生物传感器和纳米装置的分子工具。与传统的诊断方法相比，基于核酸的检测方法具有更高的特异性、准确性和灵敏度。其高灵敏度可以通过使用适当的信号放大策略来实现，例如等温扩增，催化循环放大，以及它们的组合放大策略等。然而，绝大多数报道的基于核酸的检测方法都是在溶液中进行的，将基于核酸的检测做成纸基传感器有助于推动即时检测诊断领域的发展，具有重要意义。

此外，信号读出是决定纸基即时检测潜在实际应用的另一个关键因素。到目前为止，已经开发了许多信号读出策略，如比色法（anal.chem.,2014,86,3108）、荧光法（angew.chem.int.ed.,2018,57,4549）、电化学发光法（anal.chem.,2016,88,10191）、安培法（chem.soc.rev.,2015,44,5320）等。其中，电化学策略是纸基传感器的最常用信号读出方案之一，因为它不受样品颜色的影响，并且能更好的定量。不幸的是，大部分电化学传感器具有一些缺点，例如高背景电流等，这限制了它们的分析性能和广泛应用。因此，开发高灵敏的零背景电化学信号读出策略十分迫切。

技术实现要素：

本发明提供了一种制备纸基mirna电化学传感器检测mirna的方法，本发明所述的方法运用信号分子标记的dna修饰的纸和商品化的丝网印刷电极实现对目标mirna的零背景检测，解决了核酸纸上修饰的难题，克服了电化学背景干扰等缺点，极大的扩展了核酸分析在即时检测试纸领域的应用。

本发明的技术方案是：制备纸基mirna电化学传感器，用于目标mirna的检测，该方法包括以下步骤：

①制备纸片：将纤维素纸切割成直径0.1～1cm的圆形，然后对纸片进行醛基化处理，将纸片放入30～70mmnaio4和400～900mmlicl的混合溶液中，避光处理，30～70℃下反应3h，用二次水冲洗多次，室温下干燥；然后在干燥后的纸片上滴加20～40μl，5～30μm的二茂铁和氨基标记的底物链dna溶液，37℃下反应0.5～3h；然后用tris-hcl缓冲溶液及二次水分别冲洗，37℃下干燥以备后用；所述tris-hcl缓冲溶液的浓度为10mm，ph=7.9，并含有50mmnacl，10mmmgcl2，1mm二硫苏糖醇；

②制备可折叠的纸基mirna电化学传感器：将步骤①得到的纸片和丝网印刷电极用双面胶并排粘贴到软塑料基底材料上，即可组装成可折叠的纸基mirna电化学传感器；

③目标mirna识别溶液的制备：将目标mirna的探针dna链溶于所述tris-hcl缓冲溶液中，然后加入klenowfragmentdna聚合酶、nt.bbvci剪切酶和底物dntps，得到目标mirna的识别溶液。所述识别溶液中，探针dna链溶液的浓度为0.2～1.0μm，klenowfragmentdna聚合酶的浓度为0.05～0.20u/μl，nt.bbvci剪切酶的浓度为0.05～0.20u/μl，底物dntps的浓度为100μm；

④目标mirna的检测：将待测目标mirna加入到步骤③所制备的识别溶液中，然后在37℃下反应0.5～2.5h，然后将所述反应液滴加到步骤②所制备的纸基mirna电化学传感器的纸片上，37℃下反应0.5~1h后，将纸片扣到所述纸基mirna电化学传感器的丝网印刷电极上，连接电化学工作站进行检测。

其中，所述二茂铁和氨基标记的底物链dna，其3’端修饰的是二茂铁，5’端修饰的是氨基，中间含有一个ra的碱基位点，并且通过5’端的氨基和纸表面的醛基形成的酰胺键固定到纸片表面；所述探针dna链从3’端到5’端依次由目标mirna的互补碱基序列、nt.bbvci剪切酶的识别序列和mg²⁺-依赖的dnazyme互补序列三部分组成；所述传感器检测目标物mirna时，只有在目标物存在时，才能用差分脉冲伏安法（dpv）在0.35v左右检测到二茂铁的特征峰；所述的可折叠的纸基mirna电化学传感器，对mirna检测起主要作用的是圆形纸片和丝网印刷电极，所述纸片是表面固定了底物链dna的功能化的纸，所述丝网印刷电极由工作电极、对电极、参比电极组成，工作电极和对电极都为碳电极，参比电极为ag/agcl电极。

本发明的mirna检测原理：当样品中含有目标mirna时，其能够与探针链dna杂交形成稳定的双链结构，mirna能够与探针dna链中的互补序列杂交形成稳定的双链结构，由于探针dna链还有两部分序列（即：nt.bbvci剪切酶的识别序列和mg²⁺-依赖的dnazyme互补序列）是突出的单链结构，而klenowfragmentdna聚合酶具有补平3’端凹陷部分的功能，所以，该酶能够在杂交的目标mirna的3’端，以突出的探针dna链为复制模板，以dntp为底物，合成平末端的双链结构，并且合成的双链中含有nt.bbvci剪切酶的识别剪切位点和mg²⁺-依赖的dnazyme的序列。因此，nt.bbvci剪切酶能在其识别位点处剪切，形成新的聚合生长位点，再次聚合生成双链，并取代刚合成的mg²⁺-依赖的dnazyme链，如此形成聚合/剪切的循环放大，释放大量mg²⁺-依赖的dnazyme链。在mg²⁺的辅助下，该链能够与固定在纸片上的底物链dna结合形成活性的mg²⁺-依赖的dnazyme链，催化底物链的ra处自动剪切，释放dnazyme链和标记了二茂铁的一段dna短链到溶液中，dnazyme链能够继续催化下一个断裂反应，形成第二次的循环放大，并释放大量标记了二茂铁的dna短链到溶液中，当纸基传感器被折叠后，该标记二茂铁的dna短链能够到达电极表面，产生二茂铁的电化学信号，从而实现对mirna的灵敏检测。

本发明的有益效果：

（1）本发明中采用常见的纸张作为电化学传感器的基础材料，利用高碘酸钠对其进行醛基化处理，再利用席夫碱反应将修饰了二茂铁的dna固定在纸片上，实现纸片的核酸功能化；

（2）本发明将核酸功能化的纸片和丝网印刷电极相结合，制备了可折叠的纸基mirna电化学传感器，实现mirna的灵敏检测。该传感器操作简单、成本低廉，具备良好的实际应用前景和广阔的市场空间；

（3）本发明对mirna的检测具有较宽的线性范围内、良好的线性关系、高的选择性以及稳定性，且背景信号为零，能够实现灵敏检测mirna的目的。

附图说明

图1是实施例1制备的纸基mirna电化学传感器的实物照片图；

图2是实施例2运用制备的纸基mirna电化学传感器检测mirna的可行性实验结果图；

图3是实施例3运用制备的纸基mirna电化学传感器检测不同浓度的mirna样品的dpv响应曲线图；

图4是实施例3运用制备的纸基mirna电化学传感器检测不同浓度的mirna样品的dpv峰电流值与mirna浓度的关系图；

图5是实施例3运用制备的纸基mirna电化学传感器检测不同浓度的mirna样品的dpv峰电流值与mirna浓度取lg值的线性拟合图；

图6是实施例4运用制备的纸基mirna电化学传感器检测目标物和潜在干扰物的dpv响应曲线图；

图7是实施例5对制备的纸基mirna电化学传感器保存不同时间后对目标物的dpv响应曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例子对本发明做进一步的说明。

实施例1：制备纸基mirna电化学传感器

①制备纸片：将纤维素纸切割成直径0.5cm圆形，然后对纸片进行醛基化处理，将纸片放入30mmnaio4和400mmlicl的混合溶液中，避光处理，30℃下反应3h，用二次水冲洗多次，室温下干燥；然后在干燥后的纸片上滴20μl，5μm的二茂铁和氨基标记的底物链dna溶液，37℃下反应1h；然后用tris-hcl缓冲溶液及二次水分别冲洗，37℃下干燥以备后用；所述tris-hcl缓冲溶液的浓度为10mm，ph=7.9，并含有50mmnacl，10mmmgcl2，1mm二硫苏糖醇；

②制备可折叠的纸基mirna电化学传感器：将步骤①得到的纸片和丝网印刷电极用双面胶并排粘贴在软塑料基底材料上，即可组装成可折叠的纸基mirna电化学传感器。

图1是所制备的一个纸基mirna电化学传感器的照片，该传感器包括双面胶带1，步骤①制备的纸片2，商品化的软塑料基底3和商品化的丝网印刷电极4。进行电化学检测时，只需将纸片向右反扣，将双面胶粘到合适的位置即可。因此，所述纸基mirna电化学传感器具有操作简单、便于携带等优点。

实施例2：制备纸基mirna电化学传感器并用于检测mirna可行性的实验

①制备纸片：将纤维素纸切割成直径0.4cm圆形，然后对纸片进行醛基化处理，将纸片放入40mmnaio4和600mmlicl的混合溶液中，避光处理，55℃下反应3h，用二次水冲洗多次，室温下干燥；然后在干燥后的纸片上滴30μl，10μm的二茂铁和氨基标记的底物链dna溶液，37℃下反应1.5h；然后用tris-hcl缓冲溶液及二次水分别冲洗，37℃下干燥以备后用；所述tris-hcl缓冲溶液的浓度为10mm，ph=7.9，并含有50mmnacl，10mmmgcl2，1mm二硫苏糖醇；

②制备可折叠的纸基mirna电化学传感器：将步骤①得到的纸片和丝网印刷电极用双面胶并排粘贴在软塑料基底材料上，即可组装成可折叠的纸基mirna电化学传感器；

③目标mirna识别溶液的制备：将目标mirna的探针dna链溶于所述的tris-hcl缓冲溶液中，配置成浓度为0.5μm的探针dna链溶液，然后加入100μm的dntps底物，然后将上述溶液分成三组：第一组中再加入0.05μm的klenowfragmentdna聚合酶，第二组中再加入0.05μm的nt.bbvci剪切酶，第三组中再加入0.05μm的klenowfragmentdna聚合酶和0.05μm的nt.bbvci剪切酶，得到三组目标物的识别溶液；

④目标mirna和不含目标样品的检测：将含有0.5μm的目标mirna的所述tris-hcl缓冲溶液分别加入到步骤③所制备的第一、二、三组目标物的识别溶液中，将同体积不含目标mirna的所述tris-hcl缓冲溶液加入到另一份步骤③所制备第三组识别溶液中，得到四种反应液，然后分别在37℃下反应2h，然后将所述的四种反应液分别滴加到四个步骤②所制备的纸基mirna电化学传感器的纸片上，37℃下反应1h后，将纸片扣到所述纸基mirna电化学传感器的丝网印刷电极上，连接电化学工作站进行检测。得到所述纸基mirna传感器对mirna的dpv响应曲线，见图2。

从图2可以看出：在所有实验都相同的条件下，缺少nt.bbvci剪切酶的第一组识别溶液和缺少klenowfragmentdna聚合酶的第二组识别溶液在所述纸基mirna传感器上没有检测到dpv电流信号（图2中的nont虚线和nokf点线），说明没有这两种酶时，不能生成mg²⁺-依赖的dnazyme链，因此底物链得不到剪切，就无法释放二茂铁标记的dna短链，所以检测不到dpv电流信号。这说明了这两种酶在实现mirna检测中具有重要的作用。另一方面，没有加mirna的第三组溶液在所述传感器上也没有检测到dpv电流信号（图2中的notarget的点-短杠交替线），而加入mirna的第三组溶液在所述传感器上检测到很高的dpv电流信号（图2中的target实线），证明了本方法能够实现对目标物mirna的灵敏检测，而且能够做到零背景检测。

实施例3：制备纸基mirna电化学传感器并用于检测不同浓度的mirna样品的实验

①制备纸片：将纤维素纸切割成直径0.6cm圆形，然后对纸片进行醛基化处理，将纸片放入60mmnaio4和800mmlicl的混合溶液中，避光处理，60℃下反应3h，用二次水冲洗多次，室温下干燥；然后在干燥后的纸片上滴加20μl，20μm的二茂铁和氨基标记的底物链dna溶液，37℃下反应2.5h；然后用tris-hcl缓冲溶液及二次水分别冲洗，37℃下干燥以备后用；所述tris-hcl缓冲溶液的浓度为10mm，ph=7.9，并含有50mmnacl，10mmmgcl2，1mm二硫苏糖醇；

②制备可折叠的纸基mirna电化学传感器：将步骤①得到的纸片和丝网印刷电极用双面胶并排粘贴在软塑料基底材料上，即可组装成可折叠的纸基mirna电化学传感器；

③目标mirna识别溶液的制备：将目标mirna的探针dna链溶于所述tris-hcl缓冲溶液中，配置成浓度为0.6μm的探针dna链溶液，然后加入0.15u/μl的klenowfragmentdna聚合酶、0.15u/μl的nt.bbvci剪切酶和100μm的底物dntps，得到目标mirna的识别溶液；

④目标mirna的检测：将浓度分别为0fm、100fm、10pm、1nm、100nm、1μm的mirna溶液加入步骤③所制备的识别溶液中，然后在37℃下反应2h，然后将所述反应液滴加到步骤②所制备的纸基mirna电化学传感器的纸片上，37℃下反应0.5h后，将纸片扣到所述纸基mirna电化学传感器的丝网印刷电极上，连接电化学工作站进行检测，所得实验结果，见图3。

从图3可以看出：当mirna的浓度为0fm时，没有检测到dpv电流信号，并且，随着mirna浓度的增大，所检测到的dpv电流信号也随之升高，表明mirna的浓度越大，与探针dna链结合生成的双链dna就越多，生成的mg²⁺-依赖的dnazyme链就越多，因此释放的二茂铁标记的dna短链就越多，因此产生的dpv电流信号就越强。而且本发明的方法可以对100fm至1μm的浓度范围内的目标物mirna进行检测。

将图3中的dpv峰电流值对mirna的浓度作图，即得到图4。从图4中可以看出：峰电流值随着mirna浓度的增大而增大，但是两者之间并不直接成线性关系。因此，我们对mirna浓度取对数（lgcmirna），然后将dpv峰电流值与对应的lgcmirna值作图，即得到图5。从图5中可以看出：dpv峰电流值和lgcmirna值之间呈现出良好的线性关系，线性响应的mirna浓度范围为100fm至1μm，相关方程为ip=-9.17+4.09lgcmirna（r²=0.938），其中ip是dpv峰电流值，cmirna是mirna的浓度。

实施例4：制备纸基mirna电化学传感器并用于检测不同潜在干扰物的选择性分析实验

①制备纸片：将纤维素纸切割成直径0.5cm圆形，然后对纸片进行醛基化处理，将纸片放入60mmnaio4和900mmlicl的混合溶液中，避光处理，70℃下反应3h，用二次水冲洗多次，室温下干燥；然后在干燥后的纸片上滴加40μl，10μm的二茂铁和氨基标记的底物链dna溶液，37℃下反应2h；然后用tris-hcl缓冲溶液及二次水分别冲洗，37℃下干燥以备后用；所述tris-hcl缓冲溶液的浓度为10mm，ph=7.9，并含有50mmnacl，10mmmgcl2，1mm二硫苏糖醇；

②制备可折叠的纸基mirna电化学传感器：将步骤①得到的纸片和丝网印刷电极用双面胶并排粘贴在软塑料基底材料上，即可组装成可折叠的纸基mirna电化学传感器；

③目标mirna识别溶液的制备：将目标mirna的探针dna链溶于所述tris-hcl缓冲溶液中，配置成浓度为0.8μm的探针dna链溶液，然后加入0.20u/μl的klenowfragmentdna聚合酶、0.20u/μl的nt.bbvci剪切酶和100μm的底物dntps，得到目标mirna的识别溶液；

④目标mirna的检测和潜在干扰物的检测：将待测目标mirna（mir-21）和三种潜在的干扰rna（mir-141，mir-143，mir-155）分别加入到步骤③所制备的识别溶液中，然后在37℃下反应1h，然后将上述反应液分别滴加到步骤②所制备的纸基mirna电化学传感器的纸片上，37℃下反应1h后，将纸片扣到所述纸基mirna电化学传感器的丝网印刷电极上，连接电化学工作站进行检测，所得实验结果，见图6。

从图6可以看出：仅在目标mirna（即mir-21）存在时，才能检测到高dpv峰电流值，当存在与探针dna链非互补的rna（即mir-141，mir-143，mir-155）时，没有检测到dpv电流信号，这证明所述方法对目标mirna具有较好的选择性，对目标mirna的检测不受潜在干扰rna序列的影响。

实施例5：制备纸基mirna电化学传感器以及其保质期研究实验

①制备纸片：将纤维素纸切割成直径1cm圆形，然后对纸片进行醛基化处理，将纸片放入70mmnaio4和900mmlicl的混合溶液中，避光处理，60℃下反应3h，用二次水冲洗多次，室温下干燥；然后在干燥后的纸片上滴加40μl，30μm的二茂铁和氨基标记的底物链dna溶液，37℃下反应2h；然后用tris-hcl缓冲溶液及二次水分别冲洗，37℃下干燥以备后用；所述tris-hcl缓冲溶液的浓度为10mm，ph=7.9，并含有50mmnacl,10mmmgcl2,1mm二硫苏糖醇；

②制备可折叠的纸基mirna电化学传感器：将步骤①得到的纸片和丝网印刷电极用双面胶并排粘贴在软塑料基底材料上，即可组装成可折叠的纸基mirna电化学传感器，将制备的传感器在室温分别放置1周、2周、3周、4周和5周后用于目标mirna检测；

③目标mirna识别溶液的制备：将目标mirna的探针dna链溶于所述tris-hcl缓冲溶液中，配置成浓度为1μm的探针dna链溶液，然后加入0.15u/μl的klenowfragmentdna聚合酶、0.15u/μl的nt.bbvci剪切酶和100μm的底物dntps，得到目标mirna的识别溶液；

④目标mirna的检测：将待测目标mirna加入到步骤③所制备的识别溶液中，然后在37℃下反应2h，然后将所述反应液滴加到步骤②所制的放置不同时间的纸基mirna电化学传感器的纸片上，37℃下反应0.5h后，将纸片扣到所述纸基mirna电化学传感器的丝网印刷电极上，连接电化学工作站进行检测，所得实验结果，见图7。

从图7可以看出：所述纸基mirna电化学传感器在放置35天后，仍能对目标mirna产生较强的电化学信号响应，其dpv峰电流值仅略微降低，证明所制备的纸基mirna电化学传感器具备良好的稳定性。