硅磁微球的制备及其在植物核酸分离纯化中的应用.pdf
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1、山东农业大学学报(自然科学版),2023,54(3):378-384VOL.54 NO.3 2023Journal of ShandongAgricultural University(Natural Science Edition)doi:10.3969/j.issn.1000-2324.2023.03.007硅磁微球的制备及其在植物核酸分离纯化中的应用硅磁微球的制备及其在植物核酸分离纯化中的应用刘 涛1,张 宇2,王丽娜1*1.东北林业大学林木遗传育种国家重点实验室,黑龙江 哈尔滨 1500402.哈尔滨商业大学法学院,黑龙江 哈尔滨 150028摘摘 要要:本文采用改进的共沉淀方法制备
2、Fe3O4纳米粒子,并利用表面活性剂柠檬酸对其表面改性;然后利用溶胶凝胶法,催化 TEOS 水解和缩合反应,使 SiO2包裹在 Fe3O4纳米粒子表面,成功制备出了 Fe3O4SiO2复合纳米粒子。结果表明,Fe3O4SiO2复合纳米粒子粒径在 200-400 nm 之间,粒径均匀,具有超顺磁性,磁响应时间在 10-20 s,半沉降时间在 20 min。根据高盐吸附低盐洗脱原理,建立了一种以磁性微球为载体的核酸快速提取和纯化方法。在白桦基因组 DNA 提取中,OD260/OD280均在 1.8 左右,OD260/OD230均在 2.0 以上,提取的质量和浓度比传统方法要好。在白桦 RNA 提取
3、过程中,OD260/OD280和 OD260/OD230均在 2.0 以上,提取的 RNA 浓度要比传统方法更高。磁珠法与传统方法比较时,核酸提取纯化效果上更佳,提取速度快、安全、成本低,具有很高的推广价值。关键词关键词:硅磁微球;植物核酸;分离纯化中图中图法法分类号分类号:Q943.2/TB383文献标识码文献标识码:A文章编号文章编号:1000-2324(2023)03-0378-07Preparation of Silicon Magnetic Microspheres and Its Applicationin Nucleic Acid ExtractionLIU Tao1,ZHANG
4、 Yu2,WANG Li-na1*1.State Key Laboratory of Forest Genetics and Breeding,Northeast Forestry University,Harbin 150040,China2.College of Law/Harbin University of Commerce,Harbin 150028,ChinaAbstract:Fe3O4SiO2composite nanoparticles were successfully prepared by using a modified co-precipitation method
5、toprepare Fe3O4nanoparticles and using the surfactant citric acid to modify their surface;then using the sol-gel method tocatalyze the TEOS hydrolysis and condensation reaction to wrap SiO2on the surface of Fe3O4nanoparticles.The resultsshowed that the Fe3O4SiO2composite nanoparticles were in the ra
6、nge of 200-400 nm with uniform particle size,superparamagnetic,magnetic response time in the range of 10-20 s,and semi-sedimentation time in the range of 20 min.Based on the principle of high salt adsorption and low salt elution,a rapid extraction and purification method of nucleic acidsusing magnet
7、ic microspheres as carriers was established.In the extraction of Betula platyphylla genomic DNA,OD260/OD280were all around 1.8 and OD260/OD230were all above 2.0,and the quality and concentration of extraction were better than thetraditional method.In the Betula platyphylla RNA extraction,OD260/OD280
8、and OD260/OD230were both above 2.0,and theextracted RNA concentration was higher than that of the traditional method.When the magnetic bead method was comparedwith the traditional method,the nucleic acid extraction and purification was better,and the extraction was fast,safe and lowcost,which has hi
9、gh promotion value.Keywords:Silicon Magnetic Microspheres;plant nucleic acid;separation and purification磁珠是一种纳米或微米粒径大小的、具有超顺磁性的颗粒1。所谓超顺磁性简单说就是在有外磁场时会呈现出弱磁性,撤去磁场后没有剩磁。Fe3O4纳米颗粒以其独特的化学和磁学稳定性,较小的生物毒性,作为实验室磁珠的首选材料。但 Fe3O4纳米颗粒在现实生物医学条件下,不能应用2。这种磁珠表面积大,在磁偶极相互作用下会磁珠发生团聚效果,易于团聚,并且易于氧化,化学性质不稳定3;并且不易于生物大分子相互结
10、合,这些无机粒子很难与生物大分子结合,生物相容性差;Fe3O4纳米颗粒具有各种局限性,所以,在生物分子实验中 Fe3O4纳米颗粒的使用不广泛。这就需要人们将磁珠进行表面修饰。经过表面修饰的磁珠,生物相容性好,易于和生物大分子进行良好的结合4。复合磁珠通常由基质、磁性物质(四氧化三铁)、有官能团修饰的高分子材料组成5。SiO2是被认为理想的包裹材料6,Fe3O4SiO2可以克服了 Fe3O4易于氧化的问题,并且也能够有效解决收稿日期收稿日期:2022-12-05修回日期修回日期:2023-02-03基金项目基金项目:国家自然基金青年项目:杨树 PtPEPCK1 调控碳氮平衡的分子机理研究(318
11、00565)第第 1 作者简介作者简介:刘 涛(1997-),男,硕士研究生,主要从事林木遗传育种研究.E-mail:*通讯作者通讯作者:Author for correspondence.E-mail:wanglina_第 3 期刘 涛等:硅磁微球的制备及其在植物核酸分离纯化中的应用379Fe3O4的磁偶极的相互作用7,化学性质稳定,不轻易与溶剂发生反应;并且其表面易于被修饰,可以更好地与生物大分子相结合,提高了纳米磁珠的生物相容性。磁珠纯化核酸的原理一般是固相可逆固定技术8,在一定条件下核酸被选择性地固定在磁珠上,而污染物则留在溶液中,在外加磁场后,将吸附核酸分子的磁珠与原溶液相互分离,然
12、后清洗磁珠进一步去除污染物,之后将核酸分子从磁珠上分离出来。对于不同官能团修饰的磁珠,结合与洗脱方式不同9。其中磁珠外表面修饰的是羧基官能团的磁珠,利用含有 PEG、高盐离子等纯化缓冲体系中10,通过形成核酸-盐离子-羧基的离子桥而吸附核酸,这种结合是可逆的,在无 PEG 和盐离子的 TE Buffer 中离子桥被解除11,最终达到纯化核酸的目的12。本文首先自制了 Fe3O4纳米磁珠,利用溶胶-凝胶法使 SiO2包裹在 Fe3O4表面,成功制备出了Fe3O4SiO2,利用 Fe3O4SiO2纳米磁珠的吸附性质对植物组织核酸进行快速提取和纯化,为构建基于 Fe3O4SiO2纳米磁珠提取和纯化的
13、遗传信息高效获取系统打下坚实的基础,主要流程见图 1。图图 1 Fe3O4SiO2磁性微球制备和提取磁性微球制备和提取 DNA 实验流程实验流程Fig.1 Preparation process of Fe3O4SiO2magnetic microspheres and extract nucleic acid1实验方法实验方法1.1试剂与仪器试剂与仪器白桦叶片是由东北林业大学林木遗传育种国家重点实验室保存。试剂:FeCl36H2O、FeCl24H2O、氨水、柠檬酸、Triton-100、EDTA、无水乙酸钠、TEOS、-巯基乙醇、Tris、无水乙醇、盐酸胍、浓盐酸、SDS 等均为分析纯。仪器
14、:分析天平(北京赛多利斯有限公司)、紫外分光光度计(上海尤尼柯公司)、高速离心机(德国艾本德公司)、JCM 5000 电子显微镜(日本尼康 NIKON 公司)、微型水平电泳槽(北京六一仪器厂)、GBS-7500 PC 凝胶成像系统(美国 UVP 公司)。裂解液:盐酸胍(浓度为 5 mol/L),Tris-HCl(浓度为 10 mmol/L),0.5%-巯基乙醇,0.1%SDS,0.5%Triton-100,EDTA(浓度为 800 mmol/L),柠檬酸(浓度为 200 mmol/L),裂解液 pH=6。洗涤液:75%乙醇。洗脱液:EDTA(浓度为 1 mmol/L),Tris-HCl(浓度
15、50 mmol/L),洗脱液 pH=8.0。1.2Fe3O4SiO2纳米磁珠的制备和修饰纳米磁珠的制备和修饰利用改进的共沉淀法制备 Fe3O4纳米粒子,将 FeCl24H2O 和 FeCl36H2O 按照一定摩尔比(1:2)溶于水中并将混合加入到三角瓶中;水浴恒温 90,在氮气保护下加入过量氨水,同时剧烈搅拌,转速为 800 rpm,维持 pH 为 11 左右,保持反应 2-3 h,加入 0.5 g 柠檬酸,生成大量的黑色 Fe3O4380山东农业大学学报(自然科学版)第 54 卷纳米粒子。将得到的 Fe3O4纳米粒子用无水乙醇和去离子水交替洗涤,直到洗至中性 pH=7。将 Fe3O4纳米粒子
16、溶于 50 mL 水中,机械搅拌 30 min,得到稳定的、分散的水基磁流体。通过溶胶-凝胶法制备 Fe3O4SiO2纳米磁珠,20 mL Fe3O4磁流体倒入三角瓶中,加入过量氨水,调节 pH 到 11,将 10 mL TEOS 和 10 mL 无水乙醇混合,滴加到三角瓶中,继续反应和搅拌 6 h。将产物分别经离子水和无水乙醇交替洗涤,直到洗至中性,经真空干燥后,得到 Fe3O4SiO2纳米磁珠。将得到的 Fe3O4SiO2纳米磁珠用蔡司场发射扫描电子显微镜进行观察,观察纳米磁珠的表面特征。利用德国布鲁克公司生产的 BRUKER TENSOR 27 傅里叶红外光谱仪对样品进行红外光谱分析。将
17、待测样品真空干燥,取适量样品和 KBr 一起研磨、压片;待测样品中的官能团或化学键在光谱仪下对特定频率红外光的吸收及导致的分子跃迁进行表征,对表面功能化前后的磁性纳米粒子的表面包覆进行定性分析。分析纳米磁珠中是否存在 Fe3O4和 SiO2。1.3提取白桦叶片提取白桦叶片 DNA传统法:CTAB 法提取白桦叶片 DNA13。磁珠法:将白桦叶片放入研钵中,加入过量液氮,保证液氮不被快速挥发,迅速研磨成粉末状;将粉末装到 5 mL 离心管中,依次加入 700 L 裂解液和 30 L 磁珠工作液,吸打均匀后在室温下静置 10 min,使细胞完全裂解;磁分离,弃掉上清液,加入 800 L 洗涤液,静置
18、 5 min,弃掉上清液,重复洗涤步骤一次;往 5 mL 离心管中加入 50-100 L 洗脱液,室温静置 10 min 后,磁分离后吸取上清液,分装到新的离心管中,即得提取白桦基因组 DNA。1.4提取白桦叶片提取白桦叶片 RNA传统法:CTAB 法提取白桦叶片 RNA14。磁珠法:取白桦叶片 2 g 放入研钵中,加入过量液氮,研磨成粉末状。往粉末加入 1 mL 裂解液,充分混匀后静置 10 min,使叶片充分裂解;在 12 000 rpm,4 条件下离心 10 min;小心吸取上清液,不要吸取沉淀,转移到新的 2 mL 离心管中得样本 RNA 液。磁珠吸附:往离心管中加入 25 L的磁珠工
19、作液,在室温条件下静置 5 min,放置在磁力架上 3 min 进行磁分离,直到溶液变清;吸弃上清液,不触动磁珠。洗涤:向离心管加入 1 mL 洗涤液,颠倒 20 次混合均匀,磁力架上约 30 s,吸弃上清液,不触动磁珠;重复洗涤 1 次;开盖,让磁珠空气干燥 2 min;向离心中的磁珠加 80 LRNasefree dd H2O,缓慢吸打悬浮磁珠,放置在磁力架上约 2 min,直到溶液变清;-80 保存备用。利用电泳缓冲液和 1%琼脂糖凝胶,与提取的待测 RNA 液进行电泳,电泳完成后取出琼脂糖凝胶,放置在紫外灯下观察,利用凝胶成像系统观察电泳条带,并拍照保存。2结果结果与分析与分析2.1硅
20、磁微球的制备及其表面修饰硅磁微球的制备及其表面修饰制备好的磁性纳米 Fe3O4粒子通常悬浮于载体溶液中,以磁流体形式存在。Fe3O4纳米粒子之间存在磁偶极相互作用,很容易出现团聚,接触空气后很容易发生氧化反应并且生物相容性差。为了改变纳米颗粒的生物相容性,对其进行表面修饰,实验室加入表面活性剂柠檬酸和 TEOS 进行改性,其修饰原理见图 2。表面活性剂柠檬酸分子会包裹在磁性纳米 Fe3O4粒子表面,会在纳米粒子表面形成一层吸附膜把整个纳米粒包裹起来,使磁性纳米 Fe3O4粒子表面吸附离子而带电荷,使其表面具有负电荷,被修饰的磁性纳米 Fe3O4粒子间因静电排斥作用而非常稳定的分散在溶液中,不易
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- 硅磁微球 制备 及其 植物 核酸 分离 纯化 中的 应用
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