检测人结核分支杆菌的电容式生物芯片的制备使用方法与流程

本发明涉及生物芯片领域，尤其涉及一种检测人结核分支杆菌的电容式生物芯片的制备使用方法。

背景技术：

结核病是由结核分枝杆菌(mycobacteriumtuberculosis,m.tb)感染引起的慢性传染病。m.tb可能侵入人体全身各种器官，但主要侵犯肺脏，称为肺结核病。结核病是全球第九大死因，也是因单一病原体感染造成的主要死因，高于艾滋病。早期诊断和适当治疗可避免大多数的结核病死亡病例。每年有数以百万计的人因早期诊断确认感染病成功治疗而得救(2000-2016年间共挽救了5300万人生命)。但检测与治疗方法与其他同类传染病仍存在很大差距。

目前，我国肺结核的诊断方法是胸部影像结合病原学检查，病原学检查包括：涂片显微镜检查、结核分枝杆菌分离培养和分子生物学检查。其中，涂片显微检查受限于实验人员技术水平，且灵敏度低；分离培养方法，即使在改进后，最短也需要3天；而分子生物学检查则缺乏规范化，且受限于实验室条件。因此，亟需建立快速简便的诊断方法。

目前，国内外关于生物芯片的研究非常多，集中于疾病的诊断、新药开发、生物武器和司法鉴定等领域，生物芯片开发的方法学类型集中于：荧光、电化学发光、电压差等。而关于电容式芯片的研究则更少，常用于方向校准、温度检测和水分的检测等，生物学检测方向的应用较少。在电容式生物芯片的研究中，有学者使用离子共振技术、荧光波导及微流体技术研究蛋白质的鉴定及分离，也有学者利用荧光技术、电化学技术和力学技术研究疾病的快速诊断。但是，利用电容值检测直观反映疾病或者病原微生物感染的研究却很少，经检索文献及科技查新，目前也仅只有我司进行过相关研究。

我司专利cn207198082u中阐述了一种可用于生物类检测的可变电容式芯片，前期研究中的灵敏度和特异度都较高，并且具有很好的精密度。本发明便在此基础上开发了一种用于人结核分支杆菌检测的电容式生物芯片，以期达到快速检测人结核分支杆菌感染与否的目的。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于提供一种能快速检测出人结核分支杆菌感染的电容式生物芯片的制备使用方法。

为解决上述技术问题，经专利cn207198082u授权，本发明采用如下技术方案：

一种检测人结核分支杆菌的电容式生物芯片的制备方法，从ncbi下载结核分枝杆菌(h37rv，登录号al123456.3)、牛结核分枝杆菌(atcc35743，登录号cp003494.1)和非洲结核分枝杆菌(中国株25，登录号cp010334)的全基因序列，比较三者基因差异，选择能特异性识别mtbc的is6110基因作为靶基因一，选择能区别牛型和人型结核分枝杆菌的orfrd11基因作为靶基因二；接着从中选出六段碱基片段分别作为dna探针1、2、3、4、5、6，再对各dna探针的3’端进行巯基修饰；最后，将经巯基修饰后的各dna探针基因以共价键结合的方式固化到可变电容式微纳米生物检测芯片的极板一上，即得目标所需的检测人结核分支杆菌的电容式生物芯片；其中，未经巯基修饰的各dna探针的核苷酸序列具体如下：

dna探针1：序列如seqidno.1所示；

dna探针2：序列如seqidno.2所示；

dna探针3：序列如seqidno.3所示；

dna探针4：序列如seqidno.4所示；

dna探针5：序列如seqidno.5所示；

dna探针6：序列如seqidno.6所示；

所述可变电容式微纳米生物检测芯片的结构具体包括极板一、极板二；所述极板一上设有若干个检测孔，检测孔底部通过一层弹性绝缘薄膜封底，被封底的检测孔内自底部覆有一层导体或半导体镀膜；所述极板二的上表面覆有一层与极板一检测孔面积相匹配的导体或半导体镀膜；上述各dna探针基因以共价键结合方式固化的极板一位置即是极板一上，位于所述检测孔底部的导体或半导体镀膜上表面。

进一步地，所述极板一的上表面和极板二上的上表面均设有与对应导体或半导体镀膜连接的测量触点。

进一步地，所述的检测孔底部弹性绝缘薄膜厚度为10nm～100μm。

进一步地，所述的检测孔底部的导体或半导体镀膜厚度为10nm～5000nm。

进一步地，所述检测孔的个数为1个或2个或2个以上；所述检测孔的直径为50μm～2cm。

进一步地，所述检测孔底部及内壁均覆有导体或半导体镀膜，所述检测孔底部的导体或半导体镀膜与弹性绝缘薄膜结合为一体式柔性可变形薄膜。

作为本发明的优选方式之一，包括如下具体步骤：

(1)m.tb检测基因的获得：

从ncbi下载结核分枝杆菌、牛结核分枝杆菌和非洲结核分枝杆菌的全基因序列，比较三者基因差异，选择能特异性识别mtbc的is6110基因作为靶基因一，并选择能区别牛型和人型结核分枝杆菌的orfrd11基因作为靶基因二；

靶基因一：以不易形成发夹结构，两两之间连续配对率低，及特异性好作为标准，选择三段碱基片段作为“dna探针”，并在3’端修饰巯基；修饰前的“dna探针”核苷酸序列如下：

dna探针1：序列如seqidno.1所示；

dna探针2：序列如seqidno.2所示；

dna探针3：序列如seqidno.3所示；

靶基因二：以不易形成发夹结构，两两之间连续配对率低，及特异性好作为标准，选择三段碱基片段作为“dna探针”，并在3’端修饰巯基；修饰前的“dna探针”核苷酸序列如下：

dna探针4：序列如seqidno.4所示；

dna探针5：序列如seqidno.5所示；

dna探针6：序列如seqidno.6所示；

(2)dna探针的合成：

对步骤(2)得到的各dna探针序列进行合成；

(3)m.tb检测基因的固化：

a.将合成的各dna探针使用ddh2o进行稀释，制成dna混合溶液；

b.芯片使用前，通过无水乙醇进行清洗晾干，去除表面污渍；

c.使用磷酸缓冲液，与dna混合溶液1:1混合后，加满可变电容式微纳米生物检测芯片极板一上的检测孔，再置于2～8℃环境中过夜；

d.使用ddh2o清洗若干次，即得固化了m.tb探针的芯片，即目标所需的检测人结核分支杆菌的电容式生物芯片。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(2)中，将各dna探针序列送往基因公司进行合成。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(3)中，将合成的各dna探针使用ddh2o稀释到10nmol/ml。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(3)中，磷酸缓冲液的ph具体为4.5～5.0。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(3)中，使用ddh2o清洗3～7次，每次0.5～1.5min。

一种采用上述制备方法制备得到的电容式生物芯片的使用方法，包括如下具体步骤：

(1)配制痰液处理液：

按照如下配方配制痰液处理液：

(2)痰液处理器的制备及痰液样品的处理：

取1ml痰液处理液于2ml无菌ep管中，加入研磨珠1粒，制得痰液处理器；使用时，将痰液样品加入痰液处理器中，并保证痰液处理器中的液体总体积不超过2ml；盖上ep管盖后，上下剧烈摇晃4～6min，样品即处理完毕，可用于后续的芯片检测；

(3)痰液中m.tb的检测：

先于所述检测人结核分支杆菌的电容式生物芯片的检测孔中加入痰液处理液平衡芯片，再去除痰液处理液，重新加入40μl处理后的痰液样品进行检测，20min后获得检测结果。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(3)中，采用电容检测仪对检测孔中痰液样品进行检测。

作为本发明的优选方式之一，所述电容检测仪具体为常规的pf级电容检测仪。

本发明相比现有技术的优点在于：不同于胶乳增强免疫比浊法、化学发光法、免疫荧光法、胶体金法等光学方法，本发明方法为使用芯片直接检测电容，其精密度和检验范围都有很大的提升；另外，将本发明运用于肺结核的早期筛查中，能极大的提高检验范围，极低的m.tb含量也能检出，并且整个检测过程仅需要20min，大大缩短了检测时间，便于临床检测使用。

附图说明

图1是可用于生物类检测的可变电容式芯片的极板一结构示意图；

图2是可用于生物类检测的可变电容式芯片的极板二结构示意图；

图3是可用于生物类检测的可变电容式芯片的极板一分解示意图；

图4是实施例5中不同浓度痰液样本检测m.tb电容值的变化曲线图。

图1-3中：11为极板一，12为极板一的导体或半导体镀膜，13为检测孔，14为极板一测量触点，15为弹性绝缘薄膜，21为极板二，22为极板二的导体或半导体镀膜，23为极板二测量触点。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明各实施例在授权专利cn207198082u“一种可用于生物类检测的可变电容式芯片”基础上进行。

参见图1-3，所述可变电容式微纳米生物检测芯片的结构具体包括极板一11、极板二21。极板一11上设有若干个检测孔13，检测孔13底部通过一层弹性绝缘薄膜15封底，被封底的检测孔13内自底部覆有一层导体或半导体镀膜；极板二21的上表面覆有一层与极板一11检测孔13面积相匹配的导体或半导体镀膜(即极板二的导体或半导体镀膜22)；

进一步地，极板一11的上表面和极板二21上的上表面均设有与对应导体或半导体镀膜连接的测量触点，极板一11对应极板一测量触点14，极板二21对应极板二测量触点23。

进一步地，检测孔13底部的弹性绝缘薄膜15厚度为10nm～100μm。

进一步地，检测孔13底部的导体或半导体镀膜厚度为10nm～5000nm。

进一步地，检测孔13的个数为1个或2个或2个以上；所述检测孔13的直径为50μm～2cm。

进一步地，所述检测孔13底部及内壁均覆有导体或半导体镀膜(即极板一的导体或半导体镀膜12)，所述检测孔13底部的导体或半导体镀膜与弹性绝缘薄膜15结合为一体式柔性可变形薄膜。

实施例1

本实施例的一种检测人结核分支杆菌的电容式生物芯片的制备方法，包括如下具体步骤：

(1)m.tb检测探针基因的获得：

从ncbi下载结核分枝杆菌(h37rv，登录号al123456.3)、牛结核分枝杆菌(atcc35743，登录号cp003494.1)和非洲结核分枝杆菌(中国株25，登录号cp010334)的全基因序列，比较三者基因差异，选择能特异性识别mtbc的is6110基因作为靶基因一，并选择能区别牛型和人型结核分枝杆菌的orfrd11基因作为靶基因二；

靶基因一：以不易形成发夹结构，两两之间连续配对率低，及特异性好作为标准，选择三段碱基片段作为“dna探针”，并在3’端修饰巯基；修饰前的“dna探针”核苷酸序列如下：

dna探针1：序列如seqidno.1所示；

dna探针2：序列如seqidno.2所示；

dna探针3：序列如seqidno.3所示；

靶基因二：以不易形成发夹结构，两两之间连续配对率低，及特异性好作为标准，选择三段碱基片段作为“dna探针”，并在3’端修饰巯基；修饰前的“dna探针”核苷酸序列如下：

dna探针4：序列如seqidno.4所示；

dna探针5：序列如seqidno.5所示；

dna探针6：序列如seqidno.6所示；

(2)dna探针的合成：

将步骤(2)得到的各dna探针序列送往基因公司进行合成；

(3)m.tb检测基因的固化：

a.将合成的各dna探针使用ddh2o稀释到10nmol/ml，制成dna混合溶液；

b.芯片(图1-3所示的可变电容式微纳米生物检测芯片)使用前，通过无水乙醇进行清洗晾干，去除表面污渍；

c.使用磷酸缓冲液(ph4.5～5.0)，与dna混合溶液1:1混合后，加满上述芯片的极板一检测孔，使dna探针基因以共价键结合的方式固化到可变电容式微纳米生物检测芯片的极板一上(位于所述检测孔底部的导体或半导体镀膜上表面)，再将整体芯片置于2～8℃环境中过夜；

d.使用ddh2o清洗3～7次，每次0.5～1.5min，即得固化了m.tb探针的芯片，即目标所需的检测人结核分支杆菌的电容式生物芯片。

实施例2

本实施例的一种采用上述实施例1方法制备得到的电容式生物芯片的使用方法，包括如下具体步骤：

(1)配制痰液处理液：

按照如下配方配制痰液处理液：

(2)痰液处理器的制备及痰液样品的处理：

取1ml痰液处理液于2ml无菌ep管中，加入研磨珠1粒，制得痰液处理器；使用时，将痰液样品加入痰液处理器中，并保证痰液处理器中的液体总体积不超过2ml；盖上ep管盖后，上下剧烈摇晃4min，样品即处理完毕，可用于后续的芯片检测；

(3)痰液中m.tb的检测：

先于所述检测人结核分支杆菌的电容式生物芯片的检测孔中加入痰液处理液平衡芯片，再去除痰液处理液，重新加入40μl处理后的痰液样品进行检测，采用pf级电容检测仪检测，20min后获得检测结果。

检测原理：将dna探针基因固化在极板一检测孔中的导体或半导体镀膜上表面，当被检测样品通过或停留在检测孔中时，若被检测样品与极板表面的dna探针结合，产生收缩力，极板一和极板二间的电容值发生变化，从而可以对样品进行定性检测。

实施例3

本实施例的一种采用上述实施例1方法制备得到的电容式生物芯片的使用方法，包括如下具体步骤：

(1)配制痰液处理液：

按照如下配方配制痰液处理液：

(2)痰液处理器的制备及痰液样品的处理：

取1ml痰液处理液于2ml无菌ep管中，加入研磨珠1粒，制得痰液处理器；使用时，将痰液样品加入痰液处理器中，并保证痰液处理器中的液体总体积不超过2ml；盖上ep管盖后，上下剧烈摇晃6min，样品即处理完毕，可用于后续的芯片检测；

(3)痰液中m.tb的检测：

先于所述检测人结核分支杆菌的电容式生物芯片的检测孔中加入痰液处理液平衡芯片，再去除痰液处理液，重新加入40μl处理后的痰液样品进行检测，采用pf级电容检测仪检测，20min后获得检测结果。

检测原理：将dna探针基因固化在极板一检测孔中的导体或半导体镀膜上表面，当被检测样品通过或停留在检测孔中时，若被检测样品与极板表面的dna探针结合，产生收缩力，极板一和极板二间的电容值发生变化，从而可以对样品进行定性检测。

实施例4

本实施例的一种采用上述实施例1方法制备得到的电容式生物芯片的使用方法，包括如下具体步骤：

(1)配制痰液处理液：

按照如下配方配制痰液处理液：

(2)痰液处理器的制备及痰液样品的处理：

取1ml痰液处理液于2ml无菌ep管中，加入研磨珠1粒，制得痰液处理器；使用时，将痰液样品加入痰液处理器中，并保证痰液处理器中的液体总体积不超过2ml；盖上ep管盖后，上下剧烈摇晃5min，样品即处理完毕，可用于后续的芯片检测；

(3)痰液中m.tb的检测：

先于所述检测人结核分支杆菌的电容式生物芯片的检测孔中加入痰液处理液平衡芯片，再去除痰液处理液，重新加入40μl处理后的痰液样品进行检测，采用pf级电容检测仪检测，20min后获得检测结果。

检测原理：将dna探针基因固化在极板一检测孔中的导体或半导体镀膜上表面，当被检测样品通过或停留在检测孔中时，若被检测样品与极板表面的dna探针结合，产生收缩力，极板一和极板二间的电容值发生变化，从而可以对样品进行定性检测。

实施例5

本实施例用以验证上述实施例芯片的使用效果，验证步骤如下：

(1)分别取已知感染m.tb的肺结核病人和未感染m.tb的健康正常人晨痰，使用移液器加入到两个痰液处理器中；

(2)上下剧烈摇晃痰液处理器5min，使用痰液处理液10倍比稀释该痰液，分别获得不同浓度的痰液各6份，患者样本记为p-0号、p-10¹号、p-10²号、p-10³号、p-10⁴号和p-10⁵号；正常人样本记为n-0号、n-10¹号、n-10²号、n-10³号、n-10⁴号和n-10⁵号；

(3)打开电容检测仪，稳定仪器后，插入上述实施例所述芯片，再加入痰液处理液40μl，20min稳定后记录电容值，弃去痰液处理液；

(4)按浓度由低到高的顺序依次向检测孔中加入处理后的痰液样本40μl(样本添加间隙，只需弃去样本，无需洗涤芯片)，稳定20min，记录电容变化数据。

图4为不同浓度痰液样本检测m.tb电容值的变化曲线。图4中，样本按浓度从小到大间隔20min读取数据并弃去样本重新加样，即横坐标的0-20min表示为一个样本检测过程，20-40min表示为一个样本检测过程，依次类推，并且，样本浓度从小到大。

结果分析：由图4的曲线走向可知，本发明中6条探针的设计、基因固化于芯片的方法、痰液处理的方法以及检测方法均成立，可用于痰液中m.tb的检测；并且，从图中可以看出，当电容值下降时，检测样本为阳性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

序列表

<110>安徽大千生物工程有限公司

<120>检测人结核分支杆菌的电容式生物芯片的制备使用方法

<130>2018

<160>6

<170>siposequencelisting1.0

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<213>人工序列()

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