[发明专利]一种通过结合核酸芯片和光电化学构建的生物传感器

说明书

本申请公开了一种通过结合核酸芯片和光电化学构建的生物传感器。本申请通过核酸芯片将待测生物分子浓度的变化转换为光学信号的变化，通过光电化学即光电极实现光学信号到电信号的转换。特定的功能核酸在识别待测的生物分子后，释放出的与其互补的单链DNA可激活CRISPR Cas系统，作用于核酸芯片。核酸芯片上的ssDNA一端与芯片基底相连，另一端偶联具有优良吸光性质或者发光性质的纳米颗粒。当核酸芯片上的ssDNA被非特异性切割后，就会释放出具有吸光性质或者发光性质的纳米颗粒，使得芯片的光学性质发生改变，从而实现了待测物浓度信息到光学信号的转换。本生物传感器可广泛应用于生物传感领域，研究生物体内生物化学信息的变化。

技术领域

本申请涉及生物传感的技术领域，尤其涉及一种通过结合核酸芯片和光电化学构建的生物传感器。

背景技术

核酸芯片又称为DNA芯片、DNA微列阵，是通过原位合成技术或者微量点样技术，将DNA探针固定在固相支持物表面，从而产生DNA探针阵列，然后与标记的样品进行杂交，通过检测杂交信号来实现对生物样品的快速、并行与高效的检测及分析。20世纪80年代中期，俄罗斯恩格尔哈得分子生物学研究所最早提出了用杂交法进行核酸测序的想法，英国牛津大学的Southern也取得了在固相载体上进行探针固定并用于杂交测序的国际专利，核酸芯片由此而诞生。在核酸芯片上，由于一个微阵列中可以包含上万种探针，所以一个微阵列反应就可以同步完成数目庞大的检测，从而大大加速了各种研究的进行。核酸芯片的这种高通量优势，正越来越多地被研究人员应用于基因表达检测、阐述基因功能、探索疾病原因和机理、以及发现可能的诊断和治疗靶位等方面。目前核酸芯片技术，在药物研发和筛选、疾病诊断、环境保护、司法、现代农业等领域得到广泛的应用。

规律成簇的间隔短回文重复序列(Clustered regularly interspacedshortpalindromic repeats,CRISPR)是许多细菌和古细菌中的一种应对入侵的免疫机制。CRISPR及CRISPR相关蛋白(CRISPR associated proteins，Cas)被称为CRISPR Cas系统。CRISPR Cas具有可编程性,可对靶标核酸进行特异性识别与切割，这赋予CRISPR Cas诊断工具快速、特异、准确、成本廉价和可靠等检测特点，因而CRISPR Cas系统一经出现，就被改造成为新型分子诊断技术。由于CRISPR Cas系统的多样性及Cas蛋白特殊的DNA酶活性，CRISPR Cas系统在生物传感器的开发中展现出了巨大的潜力，其中Cas12a和是核酸检测的生物传感器领域最为常用的亚型之一，是一种RNA引导的核酸内切酶，其对外源ssDNA的非特异性切割活性(反式切割)的发现使Cas12a用于开发多种高性能诊断工具成为可能。Cas12a-crRNA复合物与靶标dsDNA(携带PAM位点)或ssDNA(不需要PAM位点)结合之后，以大约1250周转/秒的催化速率非特异性切割外源ssDNA，这为基于CRISPR Cas12a构建用于核酸检测的生物传感器和生物放大器提供了基础。

光电化学(PEC)是从电化学发展而来，对光敏材料进行探索的一门学科，它涉及光到电的转换以及电能和化学能之间的相互转换。具体来说，光敏材料受到足够能量的光子激发产生电子-空穴对，随后光生载流子转移到电极上产生电信号，该过程伴随氧化还原反应的参与，最终实现能量转换。PEC传感是利用电极界面上的光敏材料作为信号转换器，在光照条件下产生与待检测物浓度信息相关的电信号，目前PEC传感器大多以采集电流信号为主。在整个PEC检测系统中，电信号的产生涉及到一系列的物理和化学过程，分别包括：(I)光子吸收，(II)电荷分离，(III)电荷迁移和复合，(IV)电荷利用(在电极-电解液界面处产生电信号和参与氧化还原反应)。光电转换效率和信号输出强度则取决于这四个过程的协同作用,被分析物直接或间接地改变光活性物质或电解环境，对上述一个或多个过程产生影响，从而引起PEC信号的改变。因此，可以通过多种途径对检测信号进行调控，实现对各种目标信息的高灵敏检测。