用于电化学检测相关分子的系统技术方案

本发明专利技术涉及用于“signal‑on”电化学检测相关分子的系统以及使用所述系统的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电化学检测相关分子的系统
本专利技术涉及用于电化学检测相关分子的系统以及实施所述系统的方法。
技术介绍
测量样品中的生物分子，特别是DNA分子或致病蛋白分子在不同的分析领域如诊断、环境或农业食品工业中是非常有用和必需的。该检测目前通过需要技术环境和大量工具(如PCR)的分析系统来进行。为了用于临床分析领域，该检测系统应当是灵敏的，并且甚至能够以极低的假阳性概率来量化待分析样品中浓度非常低的，例如飞摩尔量级(10-15mol/l)的病原体的存在。电化学装置满足这一挑战。由现有技术已知，生物传感器使用与相关DNA分子互补的DNA探针和产生电化学信号的氧化还原探针来指示相关分子，特别是DNA分子的存在。在现有技术的电化学检测装置中可以确定两种类型的生物传感器：“signal-off”生物传感器和“signal-on”生物传感器。“Signal-off生物传感器”在DNA探针与相关DNA分子杂化后会降低电化学信号。事实上，形成双链DNA迫使氧化还原探针远离电极表面，由此减少了氧化还原探针与电极之间的电子转移。例如，Farjami等人(Anal.Chem.,2011,83(5),第1594-1602页)描述了使用涉及生物传感器的电化学方法检测DNA，所述生物传感器包含：-发夹型DNA探针，在金电极上在其3’端固定，和-氧化还原探针，经由该DNA探针的发夹结构连接在位于所述电极附近的所述DNA探针的5’端。采用这种类型的生物传感器的缺点是关于信号降低的起因的不确定性，这可能是由于氧化还原探针的降解或老化所致。“Signal-on”生物传感器在DNA探针与相关DNA分子杂化时引发电化学信号的提高。这些生物传感器需要：-对DNA探针为特异性的预构建，以使氧化还原探针能够远离电极表面移动或遮蔽其，和-DNA探针针对各相关DNA分子的结构调整。当生物传感器与目标DNA分子接触时，DNA探针与生物传感器之间的相互作用释放氧化还原探针，其随后可以移动至更靠近电极并产生电化学信号。在这种类型的生物传感器中采用的DNA探针可以是双链形式，或甚至三链结构，并任选地构造成发夹形式。Xiao等人(J.Am.Chem.Soc.,2007,129,11896-11897)描述了含有用氧化还原探针标记的单链DNA探针的电化学DNA生物传感器。所述DNA探针形成三链结构，使得能够使该氧化还原探针远离电极表面移动。在与该DNA探针杂化的过程中，该氧化还原探针接触导电表面，导致电流增加。该电化学生物传感器的灵敏度阈值限于5nM。“signal-on”类型的已知生物传感器的主要缺点在于DNA探针的必要且复杂的构建，这需要对各种待检测的相关DNA分子进行优化。此外，这些DNA电化学生物传感器具有不能令人满意的检测灵敏度阈值。由此，特别是在临床和食品分析领域，仍然需要开发能够检测浓度非常低的相关分子，而无需对DNA探针进行预构建或优化的电化学生物传感器。
技术实现思路
本专利技术的主题是提供一种“signal-on”生物传感器类型的电化学检测系统，其灵敏度非常高，并且无需调整DNA探针。本专利技术的用于电化学检测相关分子的系统包含：-导电材料，-共价键合到所述导电材料上的至少一种带有阳性官能团的纳米材料，-至少一种氧化还原分子，和-至少一种靶向相关分子的单链寡核苷酸探针，所述氧化还原分子共价键合到所述纳米材料上；所述寡核苷酸探针共价键合到所述纳米材料上或氧化还原分子上；所述纳米材料的阳性官能团的数量大于寡核苷酸探针的数量。本专利技术基于以下令人惊喜的事实：该寡核苷酸探针的磷酸根基团的负电荷与该纳米材料的正电荷之间的相互作用允许三维组织化，以使其阻断电子由氧化还原分子转移至导电材料。在不存在待检测的相关分子的情况下，带负电荷的磷酸根基团与纳米材料表面存在的阳性官能团相互作用。离子类型的这些相互作用包括将寡核苷酸探针叠在该纳米材料上，从而阻止电子从氧化还原分子转移到纳米材料的表面。从待检测的相关分子存在于分析的样品中的那一刻起，相关分子与寡核苷酸探针之间的反应改变了寡核苷酸探针的构象，例如在待检测的相关DNA分子与寡核苷酸探针之间形成双链DNA，并中断了后者与纳米材料之间的相互作用，这使得能够暴露氧化还原分子，并允许电子从氧化还原分子转移至纳米材料表面。电子的转移产生了可以被电分析方法检测到的感应电流。在本专利技术的框架内，该电流的安培数与和该寡核苷酸探针相互作用的相关分子的数量成正比。因此，测量电流能够显示分析的样品中相关分子的含量。本专利技术的系统的优点之一是其对相关分子的提高的灵敏度。本专利技术的系统能够量化极低浓度，特别是飞摩尔量级(10-15mol/L)的相关分子。本专利技术的系统的另一优点在于单链寡核苷酸探无需针对不同的相关分子进行特异性预结构化或优化，因为寡核苷酸探针的磷酸根基团的负电荷与纳米材料的正电荷之间的相互作用允许三维构型，以便阻止电子的转移。此外，不同于已知的电化学检测系统，由于寡核苷酸探针的高特异性和对电子转移的强力阻断，本专利技术的检测系统极大地限制了假阳性的出现。根据本专利技术，“寡核苷酸探针”是指对相关分子为特异性的含10至50个核苷酸、特别是10至25个核苷酸的单链寡核苷酸，其5’或3’端的官能化允许所述探针与氧化还原分子之间的共价键合。例如，所述寡核苷酸可以被胺或酸官能化。该胺或酸可以通过含有1至10个碳原子的烃连接基团与该寡核苷酸的末端分离。所述单链寡核苷酸可以是RNA分子或DNA分子，任选形成适体。作为能够被本专利技术的电化学检测系统检测的“相关分子”，可以提及DNA分子、RNA分子、蛋白质、毒素或化学分子。相关DNA分子可以是分离的天然基因组DNA分子、病毒DNA分子、合成的cDNA分子或PCR产物。相关RNA分子可以是gRNA分子、mRNA分子、mRNA前体分子、siRNA分子、微小RNA分子、RNAi分子、tRNA分子、rRNA分子、snRNA分子或卫星RNA分子。当相关分子是DNA分子或RNA分子时，靶向所述分子的寡核苷酸探针是具有互补序列的DNA分子或RNA分子。在样品中存在所述相关分子会导致形成垂直于纳米材料表面的双链结构。当相关分子是蛋白质或毒素时，靶向所述分子的寡核苷酸探针形成适体，所述相关分子在其上可以作为配体固定。此类寡核苷酸探针的序列可以根据本领域技术人员的知识来确定，或根据传统方法如SELEX(指数富集的配基系统进化)技术来选择。根据本专利技术，“氧化还原分子”是指对氧化还原反应有活性并能够产生使用与所述氧化还原分子与导电材料之间的电子转移相关联的电分析方法可测量的电化学信号的分子。该电化学信号能够指示与寡核苷酸探针互补的相关分子的存在。根据本专利技术的一个实施方案，所述氧化还原分子共价键合到所述纳米材料与寡核苷酸探针上，所述纳米材料的阳性官能团的数量相当高以便阻断电子从氧化还原分子向导电材料的转移，特别是所述纳米材料的阳性官能团的数量大于该寡核苷酸探针的数量。本专利技术的这种类型的检测系统能够同时检测几种相关分子。本专利技术的一个特定实施方案涉及电化学检测系统，包含：-至少两种类型的氧化还原分子，其氧化还原电位不同，和-至少两种类型的单链寡核苷酸探针，各自靶向不同的相关分子，相同类型的寡核苷酸探针键合到相同类型的氧化还原分子上。在所述电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于电化学检测相关分子的系统，其特征在于，所述系统包含：‑导电材料，‑共价键合到所述导电材料上的至少一种带有阳性官能团的纳米材料，‑至少一种氧化还原分子，和‑至少一种靶向相关分子的单链寡核苷酸探针，所述氧化还原分子共价键合到所述纳米材料上；所述寡核苷酸探针共价键合到所述纳米材料上或氧化还原分子上；所述纳米材料的阳性官能团的数量大于寡核苷酸探针的数量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.13 FR 15609171.用于电化学检测相关分子的系统，其特征在于，所述系统包含：-导电材料，-共价键合到所述导电材料上的至少一种带有阳性官能团的纳米材料，-至少一种氧化还原分子，和-至少一种靶向相关分子的单链寡核苷酸探针，所述氧化还原分子共价键合到所述纳米材料上；所述寡核苷酸探针共价键合到所述纳米材料上或氧化还原分子上；所述纳米材料的阳性官能团的数量大于寡核苷酸探针的数量。2.如权利要求1所述的电化学检测系统，其特征在于，所述氧化还原分子共价键合到所述纳米材料与寡核苷酸探针上。3.如权利要求2所述的电化学检测系统，其特征在于，所述系统包含：-至少两种类型的氧化还原分子，其氧化还原电位不同，和-至少两种类型的单链寡核苷酸探针，各自靶向不同的相关分子，相同类型的寡核苷酸探针键合到相同类型的氧化还原分子上。4.如权利要求1所述的电化学检测系统，其特征在于，所述寡核苷酸探针与所述氧化还原分子分别共价键合到所述纳米材料上。5.如前述权利要求中任一项所述的电化学检测系统，其特征在于，所述带有阳性官能团的纳米材料选自：-树枝状聚合物，优选聚(酰胺-胺)型树枝状聚合物，特别是第二代、第四代或第六代，-金属粒子，如金纳米粒子，-磁性纳米粒子，如氧化铁，-基于壳聚糖的杂化纳米材料，和-导电聚合物，任选地由被阳性官能团改性。6.如前述权利要求中任一项所述的电化学检测系统，其特征在于，所述导电材料由碳形成，特别是由碳纳米管、玻璃碳、石墨、石墨烯或金属来形成。7.如前述权利要求中任一项所述的电化学检测系统，其特征在于，当所述带有阳性官能团的纳米材料导电时，在所述系统中不存在所述导电材料。8.如前述权利要求中任一项所述的电化学检测系统，其特征在于，所述氧化还原分子选自二茂铁、醌、亚甲基蓝、金属卟啉、紫精。9.如前述权利要求中任一项所述的电化学...

【专利技术属性】
技术研发人员：哈夫萨·科里优素菲，安娜·米奥达科，纳韦尔·梅伊里，
申请(专利权)人：巴黎第十一大学，法国国家科学研究中心，
类型：发明
国别省市：法国,FR