具有可重构手性等离激元结构的比色感测以及用于使用其检测样品中分析物的方法

本发明涉及一种可重构结构，其生成用于化学和生物检测测定中的比色感测的比色读出。

背景技术：

1、基于视觉的感测已经成为日益流行的研究领域，因为其感测反应可以在简单的试管中发生，而无需外部组件和中心实验室。这一优点对于偏远地区和移动测试点的现场即时(point-of-care)测试来说是期望的且尤其重要的。

2、基于视觉的感测包括基于化学和基于等离激元的颜色。基于视觉基于化学的感测的传统方法依赖于导致颜色吸收或透射、荧光或发光变化的化学反应。典型的实例包括elisa和pcr，它们利用化学染料和化学荧光探针来生成可见颜色。

3、贵金属纳米颗粒(np)已广泛用于开发比色感测或检测方案。在np溶液中，分析物的存在会导致显著的颜色和/或强度变化，并且这种变化通常可以通过裸眼检测到。溶液中基于视觉的等离激元感测的一种传统方法是np介导的感测，诸如量子点，它在纳米级点处提供高强度的发光，显著改善荧光信号。在分析物诱导的auns聚集测定中使用金纳米球(auns)可以提供视觉吸收颜色变化，诸如侧流层析测定中线条中的颜色表示。另一方面，金纳米棒(aunr)示出取决于偏振的等离激元颜色响应。由于aunr的等离激元耦合表现出两个正交等离激元共振，具有精确空间构型的nr二聚体的受控等离激元体耦合可以调节聚集方向，以增强用于生物感测的局域表面等离激元共振(lspr)信号。另外，金纳米棒的特定几何结构将诱导外在的各向异性，即手性。

4、可重构手性等离激元结构已成为开发新型感测方案的有希望的候选者。这些结构的感测或检测机制基于手性等离激元结构的空间构型和其手性光学响应之间的强相关性。nr二聚体中的几何控制允许偏振依赖性等离激元共振，带来可量化的手性变化，即圆二色性(cd)信号。然后可以通过cd光谱法检测这些变化或信号。这种手性等离激元传感器具有几个独特的优点：(i)高灵敏度；(ii)对分析物的光学响应的强调制；(iii)在强消光环境下进行可靠的光学检测。

5、生物学相关条件下的操作极其复杂。生物样品中自然发生自发荧光，引起假阳性信号。荧光信号的可视化需要更复杂的光学设置和荧光激发路径来观察荧光发射颜色。此外，传统的化学染料或荧光有一些缺点，例如稳定性低、猝灭效应和自发荧光。

6、替代方案是使用纳米材料，但是，在分析物诱导的聚集等离激元感测中，生物样品中的杂质可能会触发不期望的聚集。环境变化(ph值、温度、分子的非特异性结合等)而不是分析物的存在可以诱导或抑制np的聚集。因此，它导致比色传感器的高假阳性/误报率。

7、对于手性，即cd信号的测量，读出方案严重依赖于cd光谱法，这需要具有复杂光学设计的昂贵且笨重的设备。这限制了手性等离激元传感器在实验室之外的实用性。另外，使用纳米材料的传统基于手性的感测方法示出光学响应的小调制，即由于手性低而导致溶液的强度弱和/或颜色变化有限，并且它们通常不适合用裸眼进行可靠的检测。

8、本发明人的方法依赖于具有纳米级精度控制的纳米颗粒组件的结构重构，而不是依赖于控制不佳的聚集过程。在当前用于分析功能性的基于手性的感测系统中，重构是可调手性的关键步骤。与基于纳米颗粒聚集的纸试条测定相比，环境变化的影响最小。我们的可重构纳米结构还示出比纳米颗粒聚集测定更好的准确性。另外，我们系统中的光学响应调制足够强，可以用裸眼确定，并且可以经由使用偏振器的简单光学设置将视觉响应调谐到最适合裸眼检测的光谱区域。

技术实现思路

1、本发明的目的是开发手性等离激元感测方案，其具有高达16％的创纪录高各向异性因子(g因子)的可重构纳米级构建体，以及其可调谐手性达到0-16％范围的各向异性因子。这样的高且动态g因子可实现裸眼可区分的比色检测。比色信号变化的手性光学响应的分析物依赖性调制支持不依赖cd光谱测定法的光学读出。可重构的纳米级构建体可以使用dna折纸技术来制造，并且可以将用于感测的识别元件添加至组件中以检测目标分析物的存在。动态控制纳米级结构的可能性使得视觉颜色变化能够用于感测。纳米级构建体的角度对手性具有显著的影响。角度由折纸桥序列长度控制。当角度从开放构型发生变化时，手性会增加，其中两个折纸束彼此垂直或几乎垂直，例如90°，至关闭构型，例如45°。

2、响应于生物感测中的分析物结合的动态特征可以在可重构等离激元组件(即纳米级构建体)中获得，以充当表现出动态响应的手性等离激元开关，即在开放和关闭构型之间切换，这导致显著的手性的变化，因此比色读出信号在颜色和强度方面变化。比色检测将手性等离激元传感器的实用性扩展到实验室环境之外，并使它们适用于即时和/或偏远地区场景中的诊断和感测应用。

3、在我们的方法中，具有可调谐范围结构重构和金属纳米材料或纳米颗粒选择的可见波长光谱内的等离激元颜色提供了多种颜色选择。当附接识别元件时，调谐手性的可重构或可切换特征在感测、生物感测和分析应用中示出响应度特征。与现有的比色感测方法相比，基于比色手性的感测示出显著的优势：

4、a)环境变化的影响最小。

5、b)假阳性和阴性结果率降低。

6、c)针对各种目标直接修改生物识别元件。

7、d)在生理相关环境中操作的能力。

8、e)可以用裸眼观察到的光学响应的强烈调制。

9、f)由于不需要样品纯化或信号放大，因此具有传统读出的快速检测或感测能力

10、g)在实验室外执行可靠的感测或检测的能力。

11、本发明由独立权利要求的特征限定。一些具体实施方式在从属权利要求中限定。

12、根据本发明的第一方面，提供了纳米级构建体，所述构建体包括以下或基本上由以下组成：具有可重构或可切换特征的核酸结构以及与所述核酸结构偶联的至少两个单独的金属纳米颗粒，其中，所述两个单独的纳米颗粒彼此处于可互换的角度，其中，所述纳米颗粒在400至800nm的可见光谱和近红外(nir)光谱内提供高手性和/或旋光活性，为所述构建体生成颜色，并且其中，所述构建体具有超过10％的吸收不对称因子(g因子)。

13、根据本发明的第二方面，提供了用于检测样品中的分析物的方法，所述方法包括以下步骤：使特异于所述分析物的本公开的纳米级构建体与测试测定中的样品接触，并且通过光学装置或通过裸眼检测所述样品中的所述分析物，其中，所述样品中分析物的存在改变所述纳米级结构的颜色，并且所述测定中颜色的改变证实所述样品中分析物的存在。

14、根据本发明的第三方面，提供了本公开的纳米级构建体用于检测样品中的分析物的用途，其中，所述样品中分析物的存在改变了当所述分析物与所述样品接触时所述纳米结构的颜色，并且颜色的改变证实了所述样品中分析物的存在。

技术特征：

1.一种纳米级构建体，所述构建体包括以下或基本上由以下组成：具有可重构或可切换特征的核酸结构，以及与所述核酸结构偶联的至少两个单独的金属纳米颗粒，其中，所述两个单独的纳米颗粒彼此处于可互换的角度，其中，所述纳米颗粒在400至800nm的可见光谱和近红外(nir)光谱内提供高手性和/或旋光活性，为所述构建体生成颜色，并且其中，所述构建体具有超过10％的吸收不对称因子(g因子)。

2.根据权利要求1所述的纳米级构建体，其中，所述核酸结构包括可切换的桥结构，其中，所述角度通过所述桥结构的开放和关闭位置来调节，其中，所述桥结构的开放和关闭位置之间的调节改变所述构建体的颜色生成特性，并且其中，所述桥结构的长度优选影响在所述桥结构的关闭位置中由所述构建体生成的颜色。

3.根据权利要求2所述的纳米级构建体，其中，所述桥结构包括对目标分析物具有特异性的识别元件，优选为寡核苷酸或肽，并且所述桥结构的开放和关闭位置由于所述目标分析物的存在或不存在而切换。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的纳米级构建体，其中，所述核酸结构是dna折纸。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的纳米级构建体，其中，所述桥结构包括与所述核酸结构偶联的至少两个寡核苷酸，其中，所述两个寡核苷酸包括彼此互补的序列，并且其中，所述桥结构的长度优选影响在所述桥结构的关闭位置中由所述构建体生成的颜色。

6.根据权利要求1所述的纳米级构建体，其中，所述手性和/或旋光活性是通过可重构或可切换动作可逆地可调谐或可调节的。

7.根据权利要求6所述的纳米级构建体，其中，所述可重构或可切换特征是可逆的。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的纳米级构建体，其中，所述金属纳米颗粒的尺寸、形状和组成不同。

9.根据权利要求8所述的纳米级构建体，其中，所述金属纳米颗粒是金属纳米棒。

10.根据权利要求8所述的纳米级构建体，其中，所述金属纳米材料为金纳米棒或者由金和银组成的纳米棒。

11.根据权利要求10所述的纳米级构建体，其中，所述纳米棒的长度在60-90nm的范围内，以及直径在20-50nm的范围内，优选长度的平均尺寸为70nm，以及直径的平均尺寸为30nm。

12.根据权利要求11所述的纳米级构建体，其中，所述纳米级构建体的制备包括以下步骤：所述纳米棒与dna链，优选多聚t dna链偶联至所述核酸结构，优选dna折纸，通过将所述dna链与所述纳米棒以约10 000:1-40 000:1的摩尔比首先附接，以获得纳米棒-dna链组件，其中，所说dna链包括与所说核酸结构的序列互补的序列。

13.根据权利要求12所述的纳米级构建体，其中，所述纳米棒-dna链组件与所述核酸结构优选dna折纸以约5:1-20:1的摩尔比退火，以获得包括与所述核酸结构优选dna折纸偶联的纳米棒的聚合物组件。

14.根据权利要求13所述的纳米级构建体，其中，包括连接一个核酸结构、优选dna折纸的两个纳米棒的二聚体组件从所述聚合物组件中纯化。

15.根据权利要求1所述的纳米级构建体，其中，所述颜色生成基于来自金属纳米颗粒的手性光学响应。

16.根据权利要求1所述的纳米级构建体，其中，所述颜色生成可通过眼睛和/或光学传感器光学检测。

17.根据权利要求1所述的纳米级构建体，其中，所述颜色可借助一个或多个偏振器进行光学检测。

18.根据权利要求1所述的纳米级构建体体，其中，所述颜色可以通过光学传感器定量测量。

19.根据权利要求1所述的纳米级构建体，其中，所述颜色的变化基于对外部刺激的响应度。

20.根据权利要求19所述的纳米级构建体，其中，所述响应度相当于手性和/或旋光活性的变化，或g因子从0至超过10％的变化。

21.根据权利要求19所述的纳米级构建体，其中，所述外部刺激是目标分析物。

22.根据权利要求19所述的纳米级构建体，其中，所述纳米级构建体包含识别元件，优选肽或寡核苷酸作为生物受体。

23.用于检测样品中的分析物的方法，所述方法包括以下步骤：使特异于所述分析物的根据权利要求1-22中任一项所述的纳米级构建体与测试测定中的样品接触，并且通过光学装置或通过裸眼检测所述样品中的所述分析物，其中，所述样品中分析物的存在改变所述纳米级结构的颜色，并且所述测定中颜色的改变证实所述样品中分析物的存在。

24.根据权利要求1-22中任一项所述的纳米级构建体用于检测样品中的分析物的用途，其中，所述样品中分析物的存在改变了当所述分析物与所述样品接触时所述纳米结构的颜色，并且颜色的改变证实了所述样品中分析物的存在。

技术总结本发明涉及一种纳米级构建体，所述构建体包括以下或基本上由以下组成：具有可重构或可切换特征的核酸结构，以及与所述核酸结构偶联的至少两个单独的金属纳米颗粒，其中，所述两个单独的纳米颗粒彼此处于可互换的角度，其中，所述纳米颗粒在400至800nm的可见光谱和近红外(NIR)光谱内提供高手性和/或旋光活性，为构建体生成颜色，并且其中，所述构建体具有超过10％的吸收不对称因子(g因子)。还提供了用于检测样品中的分析物的方法，该方法包括以下步骤：使特异于所述分析物的本公开的纳米级构建体与测试测定中的样品接触，并且通过光学装置或通过裸眼检测所述样品中的所述分析物，其中，所述样品中分析物的存在改变所述纳米级结构的颜色，并且所述测定中颜色的改变证实所述样品中分析物的存在。技术研发人员：杰克·卢,黄益科,阮明霞,苏珊娜·霍尔斯滕,安东·库兹克,蒂姆·利德尔受保护的技术使用者：阿尔托大学基金会技术研发日：技术公布日：2024/8/1