基于核酸适配体修饰的MoS2复合材料的微流控阵列质谱芯片及其制备方法与应用

基于核酸适配体修饰的mos2复合材料的微流控阵列质谱芯片及其制备方法与应用
技术领域
1.本发明涉及生物芯片的设计、制作和应用技术领域，具体涉及一种基于核酸适配体修饰的mos2复合材料的微流控阵列质谱芯片及其制备方法与应用。
2.

背景技术：

3.基质辅助激光解析电离（maldi）质谱技术，具有简单、快速和高通量的优势，被广泛用于蛋白组学、组织成像等生物学各个领域。近年来，一些新型的基质材料被不断地开发以克服传统基质在小分子区域的基质峰干扰问题、并提高质谱信号的重现性。例如，碳纳米管、氧化石墨烯、金/银纳米颗粒、磁性纳米颗粒、量子点、二氧化硅纳米颗粒、金属有机框架材料等被广泛的应用于小分子物质的质谱分析检测中。
4.然而单纯的maldi质谱技术具有灵敏度不够的缺点，为了提高检测灵敏度和对样品中所含杂质的抗干扰能力，在maldi质谱测量之前，往往需要从复杂介质中提取和富集目标分子。表面增强激光解吸电离（seldi）质谱技术是maldi质谱的一种变体模式，最近引起了广泛的研究兴趣。该技术使用纳米材料作为吸附剂进行目标小分子分析物的提取和富集，并且纳米材料本身作为maldi的基质，在质谱分析时，其捕获的小分子分析物可以直接解吸电离被检测，无需进行洗脱，在一定程度上简化了分析流程并提高了检测灵敏度。但是，这对对纳米材料的结构和内在性能提出了很高的要求。大部分材料往往只能分析一类物质，检测目标相对有限，不具有普适性，因为提取机制主要依赖于疏水力、π-π 堆积和氢键相互作用。相比之下，将一些亲和试剂如核酸适配体修饰到纳米材料上以实现亲和捕获靶标，为seldi技术提供了更方便和通用的策略。
5.核酸适配体是短的单链寡核苷酸，其序列可以以高亲和力特异性结合多种靶分子。此外，各种官能团可以很容易地引入到核酸适配体上，因此适配体可以有效地固定在纳米材料上。到目前为止，已经证明几种核酸适配体功能化的纳米材料作为 seldi 探针是有效的。例如，氧化石墨烯通过edc-nhs 联实现核酸适配体的功能化，用于腺苷和可卡因的有效富集和maldi质谱的分析。马等人还报道了一种核酸适配体修饰的单壁碳纳米角平台，用于三磷酸腺苷的选择性质谱分析。然而，这些核酸适配体的修饰过程通常需要耗时的合成步骤和苛刻的反应条件，导致更高的复杂性和制备成本。因此，开发具有简便的合成步骤的核酸适配体功能化的纳米材料，用于有效的分析物富集和 maldi m 分析是非常有必要的。
6.此外，与maldi质谱相匹配的商品化金属靶板价格昂贵，需要重复使用，手工清洗靶板耗时、繁琐，无法适应大规模、高通量的分析工作。制备一种成本低廉，性能稳定可靠的一次性质谱芯片以替代金属靶板用于质谱检测，可以缩短分析时间，适用于大规模、高通量的样品分析。因此，发展一种分析快速、操作简便、成本低廉、分析对象具有普适性的芯片十分重要，可使小分子目标物的分析过程更简单化和快速化。


技术实现要素：

7.为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于核酸适配体修饰的mos2复合材料的微流控阵列芯片及其制备方法与应用。
8.本发明所述微流控阵列质谱芯片，具有低样品/试剂消耗，高集成度，高通量和便携式等优点，克服了样品检测自动化程度低和传统质谱金属靶板需重复使用的技术问题，将使整个检测过程更加快速、准确和自动化。
9.本发明所述的核酸适配体修饰的mos2复合材料，采用了靶标对象广泛的核酸适配体，克服了传统seldi技术分析对象单一的问题，有效利用核酸适配体的靶向分离富集性能和mos2复合材料作为质谱基质的性能，实现对目标小分子待测物的快速、灵敏检测。
10.为实现上述目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：一种核酸适配体修饰的mos2复合材料的制备方法，包括：（1）采用水热法合成fe3o4磁性纳米颗粒；（2）以（nh4）6mo7o
24
和硫脲为前驱体，采用水热法在fe3o4表面原位生长mos2，得到核壳型fe3o4@mos2复合材料；（3）将核酸适配体与fe3o4@mos2复合材料超声混合后，在25℃反应8-18 h，之后磁分离清洗，得到目标核酸适配体修饰的mos2复合材料。
11.该制备方法通过利用纳米mos2中所存在的一定的晶格缺陷，即位于外层的硫原子在反应中会有流失，这种晶格缺陷缺位为mos2表面的修饰提供了良好的条件。由于端基巯基上的硫原子或者末端二硫化物基团中的两个硫原子会填补在纳米mos2表面缺失的硫原子的位置，通过采用该硫化学的方法将一端含有巯基官能团的核酸适配体修饰到mos2表面，获得核酸适配体修饰在的fe3o4@mos2复合材料。
12.作为本发明的进一步改进，所述步骤一中：所述（nh4）6mo7o
24
和所述硫脲按摩尔比0.2：0.3～10的比例混合，所述（nh4）6mo7o
24
和所述fe3o4的质量比2：3～0.2。
13.作为本发明的进一步改进，所述fe3o4为粒径为5-480 nm的球形粒子。
14.作为本发明的进一步改进，所述fe3o4@mos2复合粒子的粒径为10～500nm。
15.作为本发明的进一步改进，步骤一中，所述水热法的反应温度为180～220℃，反应时间为6～8h。
16.作为本发明的进一步改进，所述核酸适配体的浓度为0.1μm～10μm，所述fe3o4@mos2复合粒子的浓度为1 mg/ml~10 mg/ml，混合时，所述核酸适配体与fe3o4@mos2复合粒子按体积比200:1～10:1的比例混合。。
17.本发明还提供了一种基于核酸适配体修饰的mos2复合材料的微流控阵列质谱芯片的应用在本发明的保护范围之内。
18.利用本发明中基于核酸适配体修饰的mos2复合材料的微流控阵列质谱芯片检测小分子目标物，包括以下步骤：（1）将待测样本、缓冲溶液(tris-hcl缓冲液或磷酸缓冲盐溶液)和核酸适配体修饰的mos2复合材料溶液用恒流注射泵通过样本进口推入芯片，流速为1~20 μl/min，其中流速比为待测样本：缓冲溶液：核酸适配体修饰的mos2复合材料溶液=（1-20）：1：1，时长5~30 min，在样品混合反应区实现了小分子目标物的靶向分离，反应后的复合材料被逐渐固定磁控分离阵列区；
（2）将清洗液以5~20 μl/min的流速从样本进口流入微流控芯片通道进行冲洗；（3）释放芯片夹具，使pdms片与ito导电玻璃片分离；（4）ito导电玻璃片上的磁控分离阵列区暴露于空气，待自然风干后，核酸适配体修饰的mos2复合材料在玻璃片表面自然形成纳米材料基质点，从而得到阵列质谱芯片；（5）移除芯片下方的磁铁，直接将质谱芯片放入基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪进行目标物的分析。
19.作为本发明的进一步改进，所述样本溶液的浓度为0.01 μm～50 μm，核酸适配体修饰的mos2复合材料溶液的浓度为0.1 mg/ml～10 mg/ml，所述缓冲溶液选用tris-hcl缓冲液或磷酸缓冲盐溶液。
20.作为本发明的进一步改进，所述微流控阵列质谱芯片包括至少2条平行的检测微通道，同时用于相同或不同物质的分析，所分析的目标物包括过敏素、生物体毒素、有机染料、抗生素、抗菌药、抗癌药物、农药小分子。
21.本发明的优点在于：（1）本发明选用了核酸适配体修饰的mos2复合材料，结合了核酸适配体的靶向分离功能和mos2复合材料作为maldi基质的性能，不仅提高了检测的特异性和灵敏度，能更好满足实际检测需求，同时免去了待测物的洗脱步骤，避免了商品化基质的使用带来的基质背景干扰问题，实现了更加直观、准确的原位分析。
22.（2）通过选用本发明核酸适配体修饰的mos2复合材料可以运用磁分离方法实现样本的简易操控，能与微流控芯片和微阵列芯片很好地串联使用，从而大大提高检测效率。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
24.图1为本发明实施例1的fe3o4@mos2复合材料的扫描电子显微镜图；图2为本发明实施例1的基于核酸适配体修饰的mos2复合材料的微流控阵列质谱芯片的结构示意图；图3为利用本发明实施例1的基于aptamer-fe3o4@mos
2-1复合材料的微流控阵列质谱芯片对磺胺二甲氧嘧啶的分析结果图；图4为本发明实施例2的fe3o4@mos2复合材料的扫描电子显微镜图；图5为利用本发明实施例2的基于aptamer-fe3o4@mos
2-2复合材料的微流控阵列质谱芯片对腺苷的分析结果图；图6为利用本发明实施例2的基于aptamer-fe3o4@mos
2-3复合材料的微流控阵列质谱芯片对磺胺二甲氧嘧啶的分析结果图。
25.具体实施方式
26.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明
进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
27.下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
28.实施例1一、核酸适配体修饰的mos2复合材料的制备。
29.a、复合材料的制备：将六水合三氯化铁(2.15 g)和乙酸钠(0.49 g)溶解在乙二醇(18 ml)中。然后，将混合物转移到水热釜中在200℃下加热8小时。冷却至室温后，将黑色产物用乙醇洗涤数次，然后在60℃真空干燥12小时，即得fe3o4磁性纳米颗粒，fe3o4磁性纳米颗粒的粒径范围为30-180 nm。
30.将（nh4）6mo7o
24
·
4h2o (0.35 g, 0.28 mmol)和硫脲(0.76 g, 10 mmol)在10 ml蒸馏水中超声溶解形成均匀溶液，取20 mg的fe3o4磁性纳米颗粒添加到溶液中并通过超声分散。将混合物转移到水热釜中，在180℃下加热10小时。冷却至室温后，最终产物通过磁分离收集，用水洗涤，并分散在去离子水中保存，即得fe3o4@mos2复合材料。
31.图1为fe3o4@mos2复合材料的扫描电子显微镜图。所得到的fe3o4@mos2复合材料为核壳型结构，粒径分布在50 nm～200 nm。
32.b、核酸适配体的修饰：核酸适配体1(5
’‑
sh-gagggcaacgagtgtttataga-3’)用去离子水配置成浓度为1 μm的溶液。取200 μl的核酸适配体溶液与10 μl fe3o4@mos2复合粒子溶液（浓度为10 mg/ml）超声充分混合后，在25℃下震荡反应18 h。最终产物通过磁分离收集，用水洗涤后，分散在tris-hcl缓冲液中。所得到核酸适配体修饰的fe3o4@mos2复合材料记为aptamer
‑ꢀ
fe3o4@mos
2-1。
33.二、核酸适配体修饰的mos2复合材料的应用。
34.a、微流控阵列质谱芯片的制备：（1）如图2所示的微流控阵列质谱芯片的结构示意图，用电脑软件adobe illustrator 10.0设计和绘制芯片所需的微通道构型。通常设置2-16条平行的微通道，可同时对多个样本进行检测。每条微通道的前端在进样口的位置设置了三个进样口，分别为样品进样口、缓冲溶液进样口、核酸适配体修饰的mos2复合材料进样口，之后混入进样口后端的样品混合反应区中的通道，在这段通道中完成反应，待分离完毕后沉积在混合反应区后端的磁控分离阵列区。设计好的芯片通过高分辨激光打印机将设计的图案转移至激光打印胶片。；（2）通过光刻刻蚀技术将上述图案转移到一定厚度的su-8负光胶的铬层玻璃基片上，并得到微流控通道凸面模板；（3）将pdms预聚物的聚合体和交联剂充分混合，真空脱气后浇筑于玻璃凸面模板上，经加热固化后形成pdms膜；（4）将pdms膜从玻璃凸面模板剥离后，打孔，得到具有微流路的pdms片；（5）将pdms片与ito导电玻璃片贴合，采用芯片夹具固定，形成封闭微通道；（6）将磁铁固定于磁控分离阵列区正下方，将连接管插入芯片的进出口，即得到所述芯片。
35.b：磺胺二甲氧嘧啶的分析：（1）将待测样本、tris-hcl缓冲溶液和aptamer
‑ꢀ
fe3o4@mos
2-1溶液用恒流注射泵通过样本进口推入实施2的质谱芯片，流速为5 μl/min，其中流速比为待测样本：缓冲溶液：aptamer
‑ꢀ
fe3o4@mos
2-1溶液=1：1：1，时长30 min，在样品混合反应区实现了小分子目标物的靶向分离，反应后的复合材料被逐渐固定磁控分离阵列区；（2）将清洗液以5 μl/min的流速从样本进口流入微流控芯片通道进行冲洗；（3）释放芯片夹具，使pdms片与ito导电玻璃片分离；（4）ito导电玻璃片上的磁控分离阵列区暴露于空气，待自然风干后，核酸适配体修饰的mos2复合材料在玻璃片表面自然形成纳米材料基质点，从而得到阵列质谱芯片；（5）移除芯片下方的磁铁，直接将质谱芯片放入基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪进行目标物的分析；图3为基于核酸适配体修饰的mos2复合材料的微流控阵列质谱芯片对待测样本中的磺胺二甲氧嘧啶进行分析得到的质谱图，在负离子模式下，磺胺二甲氧嘧啶的质荷比为308.9，即[m-h]-的分子量。
[0036]
实施例2：一、核酸适配体修饰的mos2复合材料的制备。
[0037]
a、复合材料的制备：在40 ml 乙二醇中加入2.162g 六水合三氯化铁及0.4g二水合柠檬酸三钠，超声5分钟。在100 ml的圆底烧瓶中分别加入上述溶液及2.4g无水醋酸钠，磁力搅拌30分钟，溶液呈黑褐色。将溶液转移到水热釜中在200℃下加热6小时，冷却至室温后，将黑色产物用乙醇洗涤数次，然后在60℃真空干燥12小时，即得fe3o4磁性纳米颗粒，fe3o4磁性纳米颗粒的粒径范围为20-80 nm。
[0038]
将（nh4）6mo7o
24
·
4h2o (0.35 g, 0.28 mmol)和硫脲(0.76 g, 10 mmol)在10 ml蒸馏水中超声溶解形成均匀溶液，取20 mg的fe3o4磁性纳米颗粒添加到溶液中并通过超声分散。将混合物转移到水热釜中，在180℃下加热10小时。冷却至室温后，最终产物通过磁分离收集，用去离子水洗涤，并分散在去离子水中保存，即得fe3o4@mos2复合材料。
[0039]
图4为fe3o4@mos2复合材料的扫描电子显微镜图。所得到的fe3o4@mos2复合材料为核壳型结构，粒径分布在40 nm～100 nm。
[0040]
b、核酸适配体的修饰：核酸适配体2(5
’‑
dithiol
ꢀ‑
acctgggggagtattgcggaggaaggt-3’)以及核酸适配体3 (5
’‑ꢀ
dithiol
ꢀ‑
gagggcaacgagtgtttataga-3’)分别用去离子水配置成浓度为1 μm的溶液。取200 μl的溶液与20 μl fe3o4@mos2复合粒子溶液（浓度为5 mg/ml）超声充分混合后，在25℃下震荡反应12 h。最终产物通过磁分离收集，用水洗涤后，分散在pbs缓冲液中。所得到的两种核酸适配体修饰的fe3o4@mos2复合材料分别记为aptamer
‑ꢀ
fe3o4@mos
2-2和aptamer
‑ꢀ
fe3o4@mos
2-3。
[0041]
二、腺苷与磺胺二甲氧嘧啶的同时分析。
[0042]
芯片采用和实施例1所设计的相同结构的芯片。
[0043]
（1）将待测样本、pbs缓冲溶液和aptamer
‑ꢀ
fe3o4@mos
2-2溶液以及待测样本、pbs缓冲溶液和aptamer
‑ꢀ
fe3o4@mos
2-3溶液用恒流注射泵通过不同通道的样本进口推入实施2的
质谱芯片，流速为10 μl/min，其中流速比为待测样本：缓冲溶液：核酸适配体修饰的mos2复合材料溶液=5：1：1，时长10 min，在样品混合反应区实现了小分子目标物的靶向分离，反应后的复合材料被逐渐固定磁控分离阵列区；（2）将清洗液以10 μl/min的流速从样本进口流入微流控芯片通道进行冲洗；（3）释放芯片夹具，使pdms片与ito导电玻璃片分离；（4）ito导电玻璃片上的磁控分离阵列区暴露于空气，待自然风干后，核酸适配体修饰的mos2复合材料在玻璃片表面自然形成纳米材料基质点，从而得到阵列质谱芯片；（5）移除芯片下方的磁铁，直接将质谱芯片放入基质辅助激光解析电离飞行时间质谱仪进行目标物的分析。
[0044]
图5为基于aptamer
‑ꢀ
fe3o4@mos
2-2的微流控阵列质谱芯片对待测样本中的腺苷进行分析得到的质谱图，在负离子模式下，腺苷的质荷比为134.0，即腺苷失去d-核糖后的分子量。图6为基于aptamer
‑ꢀ
fe3o4@mos
2-2的微流控阵列质谱芯片对待测样本中的磺胺二甲氧嘧啶进行分析得到的质谱图，在负离子模式下，磺胺二甲氧嘧啶的质荷比为308.9，即[m-h]-的分子量。
[0045]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。