基于核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层新型固相微萃取纤维的制备方法

摘要

本发明公开了一种基于核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层新型固相微萃取纤维的制备方法。步骤如下：石英纤维的经过丙酮洗、苯洗、碱洗、酸洗、高温活化以及硅烷化处理；在聚合溶剂中加入功能单体、交联剂及引发剂，放入硅烷化石英纤维，进行热引发共聚反应，聚合完成后拔出纤维；制备好的涂层用巯基硅烷化试剂进行硅烷化处理得到巯基修饰多孔聚合物涂层石英纤维，放入制备好的纳米金溶液中进行键合得到纳米金/多孔聚合物涂层石英纤维；将上诉石英纤维放入适配体磷酸盐缓冲液中，纳米金/多孔聚合物涂层石英纤维与适配体键合一定时间，得到单链DNA核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层固相微萃取头。

权利要求

1.一种基于核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层固相微萃取纤维的制备方法，其特征在于，按以下步骤依次进行：(1)对石英纤维进行丙酮洗、苯洗、碱洗、酸洗、高温活化，然后用具有不饱和双键的硅烷化试剂进行硅烷化处理；

(2)在聚合溶剂中加入功能单体、交联剂及引发剂，混合，取一定量该溶液于试管中，插入硅烷化处理后的石英纤维，通入氮气除去氧，密封试管口，然后进行热引发共聚反应；聚合一定时间，取出石英纤维，氮气吹干，密封保存，放在烘箱中于一定温度下老化一定时间；

(3)将制备得到的石英纤维涂层，用具有巯基的硅烷化试剂进行硅烷化处理，硅烷化反应一段时间，取出石英纤维涂层，乙醇洗净，然后氮气吹干保存；

(4)经过巯基修饰的多孔聚合物涂层石英纤维与制备得到的纳米金溶液进行键合，在冰箱中键合一定时间后，用超纯水冲洗干净，氮气吹干保存；

(5)将第(4)步中最后得到的纳米金/多孔聚合物涂层石英纤维，插入到核酸适配体PBS缓冲溶液的中，室温反应一定时间，取出后用PBS缓冲液清洗，氮气吹干保存；其中，所述核酸适配体为巯基修饰的核酸适配体。

2.如权利要求1所述基于核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层固相微萃取纤维的制备方法，其特征在于：纳米金与巯基修饰的多孔聚合物涂层通过S-Au键将纳米金化学键合在石英纤维涂层表面，再通过纳米金与巯基修饰的核酸适配体化学键合反应将核酸适配体固载于纳米金涂层表面。

3.如权利要求1所述基于核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层固相微萃取纤维的制备方法，其特征在于：所述的具有不饱和双键的硅烷化试剂为3-甲基丙烯酰基-丙基-三甲氧基硅烷，具有巯基的硅烷化试剂为3-巯丙基三甲氧基硅烷，硅烷化时间都为1小时。

4.如权利要求1所述基于核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层固相微萃取纤维的制备方法，其特征在于：所述的纳米金键合条件为，经过巯基修饰的多孔聚合物涂层石英纤维与制备得到的100μL纳米金溶液在内插管中进行键合，在冰箱中4℃进行，键合时间为36小时。

5.如权利要求1所述基于核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层固相微萃取纤维的制备方法，其特征在于：所述的核酸适配体键合条件为，纳米金/多孔聚合物涂层石英纤维插入

120μL的浓度为4.17μg/mL的核酸适配体PBS缓冲溶液中，缓冲溶液为10mM PBS，室温下键合，键合时间为24小时，其中，所述缓冲溶液为135mM NaCl与10mM NaH2PO4/Na2HPO4的混合液，其pH为7.4。

说明书

基于核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层新型固相微萃取纤

维的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于化学分析测试仪器领域，涉及到一种基于核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层新型固相微萃取纤维的制备方法。适用于生物、医药、环境样品和食品等复杂基体中痕量生物碱、抗生素或核苷酸类物质的高选择性、快速分离与富集。

背景技术

[0002] 样品前处理是样品分析的第一步，也是整个样品分析过程中的关键步骤，直接影响分析的准确度和精密度，其主要目的在于分离和富集样品中的待测组分。而传统样品前处理技术如液液萃取、溶剂提取、索氏提取、柱色谱等，普遍存在耗时、低效、有毒有机溶剂用量大或操作较繁琐等问题，导致样品前处理成为整个分析过程中最费时费力的环节，占样品分析时间的60％-70％，同时分析过程中产生的误差至少三分之一来自于样品前处理。急需发展快速、高效、简单、绿色的样品前处理技术。

[0003] 固相微萃取技术(SPME)由Arther和Pawliszyn于1990年提出，其集采样、萃取、浓缩及进样操作于一体，弥补了传统样品前处理方法的不足，具有耗时少、效率高、操作简单等优点，是一种无溶剂或少溶剂的样品前处理技术，易与气相色谱(GC)、高效液相色谱(HPLC)、毛细管电泳(CE)等多种仪器联用。涂层是SPME技术发展的关键，涂层的性质很大程度上决定了方法的灵敏度和选择性，但目前商品化涂层种类有限，大部分商品化涂层是通过物理作用吸附到萃取头表面，选择性不高，稳定性较差，在有机溶剂里不稳定，且不适合于处理极性或碱性物质，限制了其应用的范围。为扩展SPME技术的应用范围，国内外众多研究小组研制了各种新型的SPME涂层材料，如离子液体(Liu J.F.,Li N.,Jiang G.B.,Liu J.M., J.A.,Wen M.J.2004.J.Chromatogr.A1066:27-32)、单壁碳纳米管(Li Q.L.,Wang X.F.,Yuan D.X.2009.J.Chromatogr.A1216:1305-1311)、冠醚(Zeng,Z.R.,W.L.Qiu,and Z.F.Huang.2001.Anal.Chem.73:2429-2436)、杯芳烃(Li,X.J.,Z.R.Zeng,S.Z.Gao,and H.B.Li.2004.J.Chromatogr.A1023:15-25)等，这些涂层的选择性相对于商品化涂层有一定提高，但分析对象范围较窄，且选择性仍不够强。自1990年以来，分子印迹技术由于类似于酶-底物的“钥匙-锁”相互作用识别原理在分析化学领域，尤其是在固相萃取、色谱填料、化学传感器等方向获得了广泛应用。该技术制备的分子印迹聚合物(MIP)具有选择性高、化学稳定性好、制备简单等特点，特别适合作为SPME的选择性涂层材料。但由于分子印迹技术本身的局限，尚存在以下不足之处：MIP合成需加入大量模板分子，如果洗脱不干净在萃取时易导致模板分子渗漏，干扰测定；MIP选择性主要基于氢键作用，在极性溶剂如水中萃取时受干扰严重，而生物样品常以水溶液形式存在，因此MIP涂层在生物样品分析中的应用受到限制；MIP涂层萃取时常采用苯、甲苯、氯仿或其它有机溶剂，污染环境；MIP涂层的刚性识别“空穴”在制备过程中或萃取时容易被破坏或变形，其特异性及亲合力不如生物识别体系如酶-底物、抗体-受体等相互作用。因此，研制选择性更强、更适合于复杂生物样品中痕量物质分析的SPME涂层材料非常必要，而特异性强、亲和力高等优点的生物识别体系无疑是更为合适的选择。

[0004] 核酸适配体(Aptamer)是通过指数富集配基的系统进化技术(SELEX)体外筛选得到的一段短的单链寡核苷酸序列(DNA或RNA)，它能够折叠形成稳定的三维结构，通过空间构型互补与配体分子高亲和力、高特异性地结合。1990年美国Tuerk和Ellington分别从约含1015种寡核苷酸分子的文库中筛选出RNA型核酸适配体。适配体与各种配体的结合是基于单链核酸结构和空间构象的多样性，它通过链内某些互补碱基间的配对和静电作用、氢键作用等自身发生适应性折叠，形成一些稳定的三维空间结构，如发夹、假结、凸环、G2四分体等。适配体与配体复合物的高分辨三维结构研究发现，它们的结合能通过范德华力、氢键作用、静电作用及形状匹配等各种相互作用产生高特异性的结合力。例如，茶碱在哮喘、支气管炎和肺气肿的治疗中常用作支气管扩张药物，易引起中毒，与血清中的咖啡因(两者结构上只相差一个甲基)难以区分。Jenison等从RNA库中分离得到茶碱适配体，与茶碱的亲和力比咖啡因高10000倍以上(Jenison R.D.,Gill S.C.,Pardi A.,and Polisky B.1994.Science263:1425-1429)。Sazani等筛选得到的三磷酸腺苷(ATP)RNA适配体与ATP的亲和力比二磷酸腺苷高64倍，比磷酸腺苷高1100倍。适配体具有很多优点：①体外筛选、化学合成：适配体的制备不像抗体一样依赖于动物或细胞，而是由体外筛选产生，通过化学合成生产，纯度高、组成确定，消除了制备的批间误差，较抗体制备更快速、更廉价；②易化学修饰，适应各类研究需求；③分子量小：适配体由25～80个碱基组成，分子量小，与目标分子结合空间位阻小；④稳定性好，可复性：相对于酶和抗体，适配体不仅具有良好的稳定性，易于长期保存，而且能够反复变性、复性，重复利用；⑤目标分子范围广：抗体只与抗原结合，酶只与其底物结合，而适配体通过SELEX技术从随机寡核苷酸库筛选得到，加之单链核酸形成三维结构的多样性和适配体与配体之间相互作用力的多样性，理论上自然界中的绝大多数物质都能够筛选到相应的适配体，目前已报道的配体范围相当广泛，有小分子、糖类、氨基酸、核苷酸、肽、蛋白质、甚至整个细胞。

[0005] 适配体亲和力高、特异性强以及相对于抗体、酶生物大分子识别体系的诸多优点使其在样品前处理技术方面具有广阔的应用潜力，但目前国内外相关研究均处于起步阶段，仅有少数几篇文献报道了适配体在固相萃取(SPE)中的应用。例如，Pichon等研究了基于适配体修饰琼脂糖凝胶的SPE方法，用于人血浆中可卡因选择性分离富集(Madru B.,Chapuis-Hugon F.,Peyrin E.,Pichon V.2009.Anal.Chem.81:7081–7086)；Wu等将适配体固载于磁性纳米微球表面，结合SPE及磁性分离，用于富集食品中赭曲霉毒素A(Wu X.M.,Hu J.,Zhu B.H.,Lu L.,Huang X.D.,Pang D.W.J.Chromatogr.A1218:7341–7346)。SPE方法结合适配体-配体识别体系可显著提高萃取选择性，增强富集效率，但与SPME方法相比依然存在操作较繁琐、效率较低、耗时、不易与仪器联用等问题，而适配体应用于SPME方法尚未见报道。因此，针对基于核酸适配体识别体系的SPME方法，改进萃取头表面结构以提高适配体键合量，从而提高萃取容量及样品萃取效率，加快分析速度，是实现核酸适配体应用于SPME样品前处理技术急需解决的关键课题。

[0006] 金纳米粒子(Nanoparticle)是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，尺寸在1～100nm之间，是一种典型的介观系统。纳米粒子具有很多宏观粒子所不具备的性质，如表面效应，小尺寸效应，光学效应以及独特的生物兼容性等，在许多领域显示出其潜在的应用价值。另外金纳米粒子容易与巯基结合，这种特性是纳米在各个领域广泛应用的基础，通过将带有各种活性基团的巯基化合物共价结合在纳米金表面能使纳米金表面性质得到改进，使其在传感器、生物医学领域发挥重要作用。例如，纳米金由于理想的粒径大小和独特的物理性质，在生物传感器领域作为高度合适的信号传感器得到广泛的应用。

发明内容

[0007] 针对传统的样品前处理技术在的选择性、生物样品兼容性等方面存在的问题，本发明的目的是发展快速、高效、高选择性、简单、绿色的样品前处理技术。通过在硅烷化石英纤维表面制备一层高通透性的多孔聚合物涂层，再通过化学键合方法将纳米金键合到多孔聚合物涂层表面，得到均匀致密的纳米金/多孔聚合物涂层，然后键合上巯基修饰的适配体，提高适配体键合量，将核酸适配体/纳米金亲合力高、特异选择性强的特性与SPME技术耗时少、效率高、操作简单等优点结合在一起，研制一种基于核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层的新型石英纤维固相微萃取头，使该新型石英纤维固相微萃取头对复杂生物样品中生物碱、抗生素或核苷酸类物质进行高效、高选择性分离与富集，提高分析的精度和准确性。

[0008] 本发明通过以下技术方案实现，一种基于核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层新型固相微萃取纤维的制备方法，其步骤依序如下：

[0009] (1)对石英纤维进行丙酮洗、苯洗、碱洗、酸洗、高温活化，然后用具有不饱和双键的硅烷化试剂进行硅烷化处理；

[0010] (2)在聚合溶剂中加入功能单体、交联剂及引发剂，充分混合，取一定量该溶液于试管中，插入硅烷化处理后的石英纤维，通入氮气除去氧，密封试管口，然后进行热引发共聚反应；聚合一定时间，取出石英纤维，氮气吹干，密封保存，放在烘箱中于一定温度下老化一定时间；

[0011] (3)将制备好的石英纤维涂层，用具有巯基的硅烷化试剂进行硅烷化处理，硅烷化反应一段时间，取出石英纤维涂层，乙醇洗净，然后氮气吹干保存；

[0012] (4)经过巯基修饰的多孔聚合物涂层石英纤维与制备得到的纳米金溶液进行键合，在冰箱中键合一定时间后，用超纯水冲洗干净，氮气吹干保存；

[0013] (5)将第(4)步中得到的纳米金/多孔聚合物涂层石英纤维，插入到核酸适配体PBS缓冲溶液的中，室温反应一定时间，取出后用PBS缓冲液清洗，氮气吹干保存。

[0014] 石英纤维表面光洁平整，表面积小，核酸适配体在裸石英纤维表面键合较难实现，存在固载率低、易脱落、不稳定等问题，难以满足SPME富集性能要求。本发明在硅烷化石英纤维表面制备一层多孔聚合物涂层，制备好的石英纤维多孔聚合物涂层表面具有大量的羟基，而纳米金表面主要能够与巯基结合，因此，在石英纤维多孔聚合物涂层与纳米金键合前，要对石英纤维多孔聚合物涂层进行巯基修饰。通过石英纤维多孔聚合物涂层与具有巯基的硅烷化试剂[10％(V/V)3-巯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液]进行硅烷化处理，以在多孔聚合物涂层表面修饰上巯基，再通过化学键合方法将纳米金修饰到多孔聚合物涂层表面，利用纳米金与核酸适配体端基上修饰的巯基基团进行化学键合，本发明通过将一条5端带巯基修饰核酸适配体通过S-Au键固定于纳米金表面，适配体溶液用10mM PBS(137mM NaCl+10mM NaH2PO4/Na2HPO4PH7.4)的缓冲溶液配制，将核酸适配体固载于纳米金/多孔聚合物涂层表面，克服了常规涂渍方法固载率低、易脱落、不稳定等缺点，并且显著提高核酸适配体固载量，增强SPME富集效率。

[0015] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

[0016] 图1是本发明的结构示意图。

[0017] 图2是纳米金溶液透射电子显微镜照片，其中，A、20万倍；B、800万倍。

[0018] 图3是腺苷核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层的扫描电子显微镜照片，其中，A、500倍；B、180万倍。

[0019] 图4是腺苷核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层SPME萃取头(Apt-AuNPs/PP/fiber)、乱序核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层SPME萃取头(ScrApt-AuNPs/PP/fiber)、纳米金/多孔聚合物涂层SPME萃取头(Non-Apt-AuNPs/PP/fiber)萃取1mg/L腺苷、鸟苷、尿苷、胞苷、β-胸苷、邻甲基苯甲酸标准溶液萃取量对比图。

[0020] 图5是腺苷核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层SPME萃取头萃取不同浓度腺苷标准溶液萃取量曲线。

具体实施方式

[0021] 本实施具体如下，对本发明进行详细地描述，但并不以此限定本发明的保护范围。

[0022] 如图1所示，基于核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层新型固相微萃取纤维的制备方法如下：

[0023] (1)配制10％(V/V)3-甲基丙烯酰基-丙基-三甲氧基硅烷硅丙酮溶液；用光纤剥线钳剥去光纤表面包层和涂覆层材料，将裸露光纤截成长度为5.0cm的裸石英纤维；将裸石英纤维放入丙酮中室温浸泡0.5小时，用乙醇冲洗干净；将裸纤浸泡在苯中0.5小时后，取出，用乙醇冲洗干净，再蒸馏水冲洗干净；经过丙酮洗及苯洗后的石英纤维放入1.0mol/L NaOH碱洗液中室温浸泡1小时，取出，用蒸馏水冲洗三次；碱洗后的石英纤维随即放入1.0mol/L HCl酸洗液中浸泡1小时，取出，用蒸馏水冲洗干净，除去表面残留的HCl，放入培养皿中置于烘箱内150℃活化1小时。从烘箱中取出石英纤维，立即放入10％(V/V)3-甲基丙烯酰基-丙基-三甲氧基硅烷丙酮溶液中，硅烷化反应1小时后取出，以乙醇冲洗三次，氮气吹干。

[0024] (2)在磨口锥形瓶中分别加入18mL丙酮、134μL甲基丙烯酸(MAA)功能单体，充分摇匀，再加入2mL三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯交联剂和20mg偶氮二异丁腈引发剂，充分摇匀，配制成预聚合溶液。取试管，加入3mL以上预聚合溶液，超声脱气。在试管中放入8根经硅烷化处理的石英纤维，通氮气1min，除去氧气。立即用胶塞密封试管口，置于水浴锅中60℃热引发聚合。

[0025] (3)热引发聚合1.5小时后，将带有一定涂层的石英纤维从试管中拔出，放入另一干净试管中，通入氮气除去试管内空气，立即用胶塞密封，60℃老化过夜。

[0026] (4)制备好的多孔聚合物石英纤维涂层，放入具有巯基的硅烷化试剂[10％(V/V)3-巯丙基三甲氧基硅烷丙酮溶液]中进行硅烷化处理，硅烷化反应1小时后取出，以乙醇冲洗三次，然后氮气吹干保存。

[0027] (5)纳米金粒子采用经典的柠檬酸钠还原法制备，具体操作方法如下：在250mL三颈烧瓶中，将100mL、1mM HAuCl4高度搅拌并煮沸，在不断搅拌下，快速加入10mL38.8mM柠檬酸钠水溶液，继续煮沸15min，至溶液变成深红色，停止加热，继续搅拌，使其冷却至室温，用超纯水定容至100mL，放入冰箱4℃避光保存。

[0028] (6)在内插管中加入150μL的纳米金溶液，将巯基修饰后的多孔聚合物石英纤维涂层浸泡在纳米金溶液中，在冰箱中4℃完成，键合36小时后，用三次蒸馏水冲洗干净，用氮气吹干，得到纳米金/多孔聚合物涂层石英纤维。用小刀将离纤维顶端1cm以上的纳米金/多孔聚合物涂层刮去，剩下的纳米金/多孔聚合物涂层长度统一为1.0cm。

[0029] (7)将纳米金/多孔聚合物涂层石英纤维浸泡到150μL、2.0μg/mL的适配体的10mM PBS(137mM NaCl+10mM NaH2PO4/Na2HPO4PH7.4)的缓冲溶液中，室温反应24小时，取出纤维，用PBS缓冲液清洗3次，得到核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层SPME萃取头。

[0030] 本实施核酸适配体与纳米金粒子/多孔聚合物涂层固相微萃取纤维具有以下优点：

[0031] 1.由于采用化学键合方法，通过自由基共聚反应制备多孔聚合物涂层，在涂层表面键合上纳米金，再通过巯基固定适配体制备核酸适配体/纳米金/多孔聚合物SPME涂层萃取头，制备方法(如图1所示)具有较高重复性。萃取头表面均匀、致密，如图3所示，平均厚度为0.35μm，RSD为3.2％(n＝8)，该方法重现性高、稳定性好。

[0032] 2.本发明制备的核酸适配体/纳米金/多孔聚合物涂层SPME萃取头对腺苷分子具有很高的选择性萃取能力，如图4所示相对于鸟苷、尿苷、胞苷、β-胸苷等结构类似物的选择性因子分别为6.2、10.1、10.5与11.1，萃取量为未键合核酸适配体的纳米金/多孔聚合物涂层SPME萃取头的14.9倍，可用于复杂生物样品中痕量腺苷分子的高选择性分离与富集。该萃取头腺苷萃取容量约为1.7ng，如图5所示。

[0033] 本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。