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东南大学张友法教授、肖鹏峰教授《ACS AMI》:一种用于核酸高精度快速检测智能磁珠

日期: 来源:化学与材料科学收集编辑:化学与材料科学

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近日,东南大学材料学院张友法团队与东南大学生医学院肖鹏峰团队合作,发明一种用于核酸高精度快速检测的智能磁珠。该研究以Solvent-Responsive Magnetic Beads for Accurate Detection of SARS CoV‑2 为题目,该研究成果发表在了期刊《ACS AMI》上。
由于新冠病毒的流行,多种基于核酸的检测方法被提出来,目前核酸提取的方法比较热门的是跟自动化结合更紧密的磁珠法。然而由于常规羧基型核酸提取磁珠在核酸脱附环节存在核酸脱附不完全的问题,对于样本中所含目标核酸量极低的情况,影响了检测结果,限制了其应用范围。
课题组针对目前商业磁珠提取核酸后脱附不完全,脱附效率较低等问题,发明了一种制备超顺磁性有机溶剂响应型智能磁珠的方法。用富含羧基的表面活性剂包裹住了四氧化三铁球状颗粒,利用有机溶剂对于这些颗粒表面原先包裹的表面活性剂分子中的氟烷基的诱导作用,使其朝外定向排列,从而使原先在磁珠表面的阻碍核酸脱附的羧基翻转,在原先正负电作用及羧基翻转的双重作用下进行核酸的高效完全的脱附,示意图如图1。由于分子翻转的可逆性,因此该智能磁珠可以多次重复使用。课题组通过SEM、TEM电镜及红外表征表明新型核酸磁珠合成成功并且通过饱和磁化强度的测定具有良好的磁响应特性。 
图1 a智能磁珠的结构及提取核酸原理。b-d智能磁珠的表征。
图2 a)原始和智能磁珠的饱和磁化强度值。b)原始和智能磁珠的Zeta电位。
新型智能磁珠的羧基表现出翻转特性。当智能磁珠在核酸脱附状态下,羧基红外特征光谱无法检测到,对比其原始状态可以检测到,说明羧基发生了翻转。通过肉眼看智能磁珠亲水疏水性质变化 表明其表面基团发生了翻转。通过其初始表面呈超亲水性,水滴静态接触角为18°左右,再将其在室温下,用乙醇、异丙醇等有机溶剂中的至少一种处理5-10 min后,氟烷基团定向朝外,此时其水滴静态接触角为153.43°。再次证明了羧基发生翻转。通过以上结果说明智能磁珠符合课题组核酸提取磁珠的设计预期。
图3 基于超亲/超疏水性变化的翻转验证
一般核酸提取的流程如图4a所示。将高丰度的核酸模板按10倍倍比稀释成不同浓度的样本模板,用核酸检测仪测定其不同的吸光度建立标准曲线,通过对样本原始核酸量及磁珠核酸提取后样本核酸量及磁珠上核酸洗脱量的测定对智能磁珠核酸提取能力进行评价,普通羧基型商业核酸提取磁珠作为对照。商业磁珠和智能磁珠对核酸的吸附率接近,均在94%左右,而智能磁珠的核酸脱附率远高于商业磁珠(约96% vs 85%)。核酸脱附率的差异对最终DNA提取率产生了显著差异(约93.5% vs. 82.5%)。此外,基于我们的RNA测试结果,商业和响应磁珠(吸附,脱附,最终核酸提取率)都与DNA测试结果相似。此外,与商用磁珠相比,响应性磁珠还显示出明显增强的核酸脱附效率。单次反应的脱附效果就等于多次商业磁珠脱附的效果,最终脱附率可达96%。而普通商业磁珠的核酸脱附率在80%,因此,智能磁珠在核酸提取方面具有显著优势。并且,智能磁珠在复杂的环境样本中提取的核酸仍然有很好的纯度。
图4 智能磁珠与商用磁珠核酸提取能力的差异。
智能磁珠可以与LAMP-BART核酸检测系统和普通的LAMP扩增相结合,并且如图6所示,其结合的检测灵敏度高于普通商业磁珠。并且智能磁珠和普通商业磁珠都能跟数字扩增相结合。样品在不同浓度下的基于智能磁珠和基于普通商业磁珠数字扩增结果如图7所示。对于基于智能磁珠的数字扩增方法,在样本中核酸含量在50拷贝以上时,准确度超过为90%。当样本中核酸含量低于10拷贝,准确度仍然保持稳定,准确度超过76%。当样本中核酸含量5拷贝,低于这个值,准确度会变得不稳定,范围在40-80%之间。相对于基于普通商业磁珠的数字扩增方法(检出限300拷贝以上),具有明显优势。总之,有机智能磁珠同时拥有普通商业磁珠的核酸脱附特性和羧基翻转核酸脱附特性,因此,其核酸的脱附能力远超于普通商业磁珠。并且它还可以和数字扩增结合使用,绝对定量且灵敏度高,检测快,其检测限可达数个拷贝并且操作流程简单容易实施,可用于食品、卫生等行业的微生物的快速检测,也可应用于核酸的序列分析。
图5 基于智能磁珠结合RT-LAMP-BART核酸检测系统
图6 基于智能磁珠结合数字LAMP核酸检测系统
本论文第一作者为东南大学博士生费中杰,通讯作者为东南大学张友法教授和肖鹏峰教授。
本论文工作收到了国家自然科学基金(项目号:52071076, 61971123, 61571114)的资助。

作者简介

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张友法,东南大学教授,博士生导师,美国宾夕法尼亚大学访问学者。国际仿生工程学会首届青年委员,《表面技术》编委。主要从事仿生界面功能材料研究,特别是在超浸润材料的设计、制备、性能调控及其规模化应用等方面取得了重要成果。主持或参与国家重点研发项目(课题)、国家重大科技专项、国家自然科学基金、国防装备预研基金等课题20多项;还与中国航发、航天科工以及中石化、华为、海尔、美的、海信、博西华等合作开展了科技成果转化研究。在国际学术期刊上发表了第一作者或通讯作者 SCI论文 100 多篇,获得授权中国发明专利 60 多件,美国专利 2 件。

肖鹏峰教授是国内最早进行DNA原位合成制备基因芯片单位的具体实施者,在DNA原位合成、基因芯片制备和核酸修饰等方面做了大量的基础研究工作。在“中国科学”、“科学通报”、“Nano Today”、 “Langmuir”、“Carbon”、 “Nanotechnology”等杂志上发表相关的SCI论文40余篇, 以第一申请人申请的发明专利11项,其中获得授权7项。


原文链接

https://doi.org/10.1021/acsami.2c18684


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东南大学张友法教授团队 CEJ:一种陶瓷基耐磨超双疏涂层


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