一种高载量的核酸提取用磁珠及其制备方法与应用[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 112779245 A(43)申请公布日 2021.05.11

(21)申请号 2019110465.8(22)申请日 2019.11.08

(71)申请人 北京迈佳致和科技有限公司

地址 100085 北京市海淀区上地信息路12

号1幢D308室(72)发明人 李宗洋　

(74)专利代理机构 北京知元同创知识产权代理

事务所(普通合伙) 11535

代理人 聂稻波　吕少楠(51)Int.Cl.

C12N 15/10(2006.01)H01F 1/00(2006.01)H01F 41/00(2006.01)

权利要求书2页 说明书5页 附图4页

(54)发明名称

一种高载量的核酸提取用磁珠及其制备方法与应用(57)摘要

本发明公开一种高载量的核酸提取用磁珠及其制备方法与应用。该磁珠包括磁核和包覆在所述磁核表层的包覆层，磁核的粒径R与包覆层的厚度D的比值R/D为0.5-8，包覆层上带有羟基、羧基、氨基、巯基、酚羟基或对甲苯磺酰基基团。制备时采用处理液对带有包覆层的磁核进行活化处理制备得到磁珠；处理液为包括无机盐、无机碱、水溶性有机碱和表面活性剂中的至少一种的水溶液；活化处理包括对含有带包覆层的磁核的处理液进行搅拌下超声处理。活化处理可使磁珠表面的包覆材料上形成褶皱等微观结构，在保持磁珠的磁强度不变下，增加磁珠的比表面积，从而使磁珠对核酸提取的载量增加。

CN 112779245 ACN 112779245 A

权　利　要　求　书

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1.一种磁珠，其特征在于，所述磁珠包括磁核和包覆在所述磁核表层的包覆层，所述磁核的粒径R与包覆层的厚度D的比值R/D为0.5-8，所述包覆层上带有羟基、羧基、氨基、巯基、酚羟基或对甲苯磺酰基基团；

其中，R代表磁核的直径。

2.根据权利要求1所述的磁珠，其特征在于，所述磁核为超顺磁性材料，所述磁核的粒径为10nm-10μm；

优选地，所述磁核的形状为球形、立方体、长方体、圆柱体、棒状或无定形状；优选地，所述包覆层的厚度为10-500nm；优选地，形成包覆层的原料为二氧化硅、高分子聚合物、生物大分子材料中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的磁珠，其特征在于，所述磁珠的饱和磁化强度为25-80emu/g；

优选地，每毫克磁珠结合核酸的量为10-100μg。4.权利要求1-3任一项所述磁珠的制备方法，其特征在于，采用处理液对带有包覆层的磁核进行活化处理制备得到所述磁珠；

所述处理液为包括无机盐、无机碱、水溶性有机碱和表面活性剂中的至少一种的水溶液；

所述活化处理包括对含有带包覆层的磁核的处理液进行搅拌下超声处理。5.根据权利要求4所述磁珠的制备方法，其特征在于，所述无机盐选自碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、柠檬酸钠、氟化钠、氟化氢钾、氟化铯、氯化钠、氯化钾和溴化钠中的至少一种；优选地，所述无机盐选自碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、柠檬酸钠、氟化钠、氯化钠或溴化钠；优选地，所述处理液中无机盐的浓度为0-10wt％；

优选地，所述无机碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、氢氧化钙中的至少一种；优选地，所述处理液中无机碱的浓度为0-10wt％；

优选地，所述水溶性有机碱选自DBU(1,8-二氮杂二环[5.4.0]十一碳-7-烯)、DBN(1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯)、甲胺和乙胺中的至少一种；优选地，所述处理液中水溶性有机碱的浓度为0-10wt％；

优选地，所述表面活性剂选自四丁基氟化铵、四丁基溴化铵、四丁基氯化铵、皂角粉、SDS(十二烷基硫酸钠)、Morwet EFW(丁基萘磺酸钠)中的至少一种；优选地，所述处理液中表面活性剂的浓度为0-0.15wt％。

6.根据权利要求4或5所述磁珠的制备方法，其特征在于，所述磁核、包覆层、以及磁核的粒径R与包覆层的厚度D的比值R/D具有如权利要求1或2所述的含义；

优选地，所述超声的时间为0.5-8h，超声频率为20-100kHz。7.根据权利要求4-6任一项所述磁珠的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括活化处理前对带有包覆层的磁核进行修饰的过程。

8.根据权利要求4-7任一项所述磁珠的制备方法，其特征在于，所述磁珠的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用包覆材料对磁核进行包覆，得到具有包覆层的磁核；

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(2)对具有包覆层的磁性进行修饰，然后利用处理液对所述具有包覆层的磁核进行活化处理；或者，直接利用处理液对所述具有包覆层的磁核进行活化处理，得到所述磁珠；

所述处理液为包括无机盐、无机碱、水溶性有机碱和表面活性剂中的至少一种的水溶液；

所述活化处理包括对含有带包覆层的磁核的处理液进行搅拌下超声处理。9.权利要求4-8任一项所述制备方法得到的磁珠。

10.权利要求1-3任一项或权利要求9所述磁珠在提取核酸中的应用。

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一种高载量的核酸提取用磁珠及其制备方法与应用

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技术领域

[0001]本发明属于磁性材料领域，涉及一种高载量的核酸提取用磁珠及其制备方法与应用。

背景技术

[0002]基因检测是体外诊断检测重要的一种，主要应用于孕检、遗传病检测、肿瘤检测、农业等多个领域。基因检测的方式是通过从复杂样本中对核酸提取富集后进行定性定量检测，从而得到相对应的数据结论；另一方面，二代测序技术的兴起使得基因检测技术的应用得到进一步的扩大。但是，样本的复杂性和目标核酸的微量性加大了基因提取的难度，快速、高效地富集和回收核酸样本的方法是基因检测技术的基础。[0003]传统核酸的提取、富集、回收方法有以下两种：1、溶液沉淀法，即是利用阴(阳)离子表面活性剂和盐在破坏细胞膜的同时沉淀蛋白等其他物质，分离纯化后，通过调节盐浓度获得纯化的核酸样本，该方法中最常见的是针对植物样本的CTAB法和针对微生物样本的SDS法，但是溶液沉淀法难以与高通量筛选技术串联使用，并且该方法中多次使用有机溶剂进行抽提和耗时较大的离心方法进行分离；2、膜/柱分离法，主要是利用表面修饰的膜或者填充柱材料对核酸进行富集，通过洗脱过程分离纯化核酸样本，该方法可以与高通量筛选方法串联使用，但是在该方法的提取还会使用到离心进行辅助分离。[0004]磁珠是一种具有超顺磁性的纳米颗粒，其主要结构为具有超顺磁性的中心磁核和具有功能性修饰的外层包覆材料。磁珠具有良好的生物兼容性，已经广泛应用于各类体外诊断检测中，磁珠性能主要决定于磁珠粒径大小和形状、外层包覆材料的种类和厚度、最外层修饰材料的种类等因素。在磁珠的现有制备方法中，控制磁珠粒径的方法主要有两种：一种方式主要通过先制备一定大小的中心磁核，接着再通过控制包覆材料的加入速度和加入量来控制磁珠的粒径大小和均一度，这种方式制备所得的磁珠表面光滑，无褶皱，比表面积较小；另一种控制磁珠粒径的方法是利用聚苯乙烯(PS)等高分子材料事先制备一个内核，再通过溶胀的方式形成细小的孔道结构，然后利用铁氧化合物在孔道内的沉淀以实现磁珠粒径的规格化，最后再对磁珠外层进行修饰，但是该方法的工艺较为复杂，不易控制。[0005]近些年来，磁珠对核酸样本进行分离纯化方法已经在科学研究、医疗诊断、二代测序等领域中广泛使用，其过程主要是利用表面含有特殊修饰的磁珠对样本中的核酸进行富集提取，通过磁吸的方式进行磁分离后，洗脱得到纯化的核酸，该方法具有分离速度快、溶剂量小、回收率高、可与高通量检测技术串联使用等特点。但是，目前磁珠提取核酸方法的载量有限，无法针对大量的核酸进行提取。常规增加磁珠载量的方法主要有两种，一是通过减小磁珠的粒径，从而增加磁珠的比表面积，但是磁珠的磁性能随着粒径的减小而降低，从而会影响磁回收的效率。另一种增加磁珠载量的方法是通过在磁珠表面进行特殊复杂基团的修饰，使其的载量提高，但是利用该方法的生产成本通常较高，不利于大规模使用。

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发明内容

[0006]本发明的第一方面提供一种磁珠，所述磁珠包括磁核和包覆在所述磁核表层的包覆层，所述磁核的粒径R与包覆层的厚度D的比值R/D为0.5-8，所述包覆层上带有羟基、羧基、氨基、巯基、酚羟基或对甲苯磺酰基等基团；[0007]其中，R代表磁核的直径。[0008]优选地，所述R/D的值为0.75-5；更优选为1-2。[0009]根据本发明的技术方案，所述磁核为超顺磁性材料，例如为γ-三氧化二铁、四氧化三铁、氧化亚铁或其他金属与铁的合金等。其中，所述磁核的粒径为10nm-10μm，例如50nm-1μm，又如80-300nm；示例性地，磁核的粒径为100nm、150nm、200nm。其中，所述磁核的形状可以为球形、立方体、长方体、圆柱体、棒状、无定形状等，优选为球形。[0010]根据本发明的技术方案，所述包覆层的厚度为10-500nm，例如15-200nm，又如20-100nm；示例性地，包覆层的厚度为20nm、25nm、30nm、40nm、50nm。其中，形成包覆层的原料可以为二氧化硅、高分子聚合物、生物大分子材料中的至少一种；例如，所述高分子聚合物可以为聚乙烯、聚丙烯和聚苯乙烯等中的至少一种；所述生物大分子材料可以为多巴胺、蔗糖、葡聚糖等中的至少一种。

[0011]根据本发明的技术方案，所述磁珠的饱和磁化强度为25-80emu/g，优选为30-60emu/g。

[0012]根据本发明的技术方案，每毫克磁珠可以结合核酸的量为10-100μg，优选30-80μg。

[0013]本发明的第二方面提供上述磁珠的制备方法，采用处理液对带有包覆层的磁核进行活化处理制备得到所述磁珠；

[0014]所述处理液为包括无机盐、无机碱、水溶性有机碱和表面活性剂中的至少一种的水溶液；

[0015]所述活化处理包括对含有带包覆层的磁核的处理液进行搅拌下超声处理。超声处理可以使磁珠表面的微结构表现均一，既可增加比表面积，也可得到最佳R/D的微结构的磁珠。

[0016]通过处理液对带有包覆层的磁核进行活化，可以使得包覆层表面出现褶皱微结构，从而在不影响磁珠的磁性能的前提下，大大增加磁珠的比表面积。[0017]根据本发明的技术方案，所述无机盐可以选自本领域已知无机盐，例如碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、柠檬酸钠、氟化钠、氟化氢钾、氟化铯、氯化钠、氯化钾和溴化钠等中的至少一种；优选地，所述无机盐选自碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钾、碳酸氢钾、磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、柠檬酸钠、氟化钠、氯化钠或溴化钠。进一步地，所述处理液中无机盐的浓度为0-10wt％，例如浓度为0.01-8wt％、0.05-5wt％、0.1-2.5wt％；示例性地，浓度为0.073wt％。[0018]根据本发明的技术方案，所述无机碱可以选自本领域已知无机碱，例如氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、氢氧化钙等中的至少一种；进一步地，所述无机碱的来源可以为金属单质(如金属钠)、金属氧化物(氧化钠、过氧化钠或氧化钾)、金属氢氧化物与水混合得到的碱溶液。进一步地，所述处理液中无机碱的浓度为0-10wt％，例如1-8wt％、2-5wt％。[0019]根据本发明的技术方案，所述水溶性有机碱可以选自DBU(1,8-二氮杂二环

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[5.4.0]十一碳-7-烯)、DBN(1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯)、甲胺和乙胺等中的至少一种。进一步地，所述处理液中水溶性有机碱的浓度为0-10wt％，例如1-8wt％、2-5wt％。[0020]根据本发明的技术方案，所述表面活性剂可以选自四丁基氟化铵、四丁基溴化铵、四丁基氯化铵、皂角粉、SDS(十二烷基硫酸钠)、Morwet EFW(丁基萘磺酸钠)等中的至少一种。进一步地，所述处理液中表面活性剂的浓度为0-0.5wt％，例如浓度为0.01-0.4wt％、0.05-0.35wt％、0.1-0.3wt％；示例性地，浓度为0.33wt％。[0021]其中，上述无机盐、无极碱、水溶性有机碱和表面活性剂的用量不同时为0。[0022]根据本发明的技术方案，所述处理液中的溶质与带有包覆层的磁核的质量比不作特别限定，本领域技术人员可根据溶质的不同，对二者的配比进行选择。例如，当处理液中的溶质为无机盐时，无机盐与带有包覆层的磁核的质量比可以为1:(0.5-10)，例如1:(1-5)，示例性为1:1.36；当处理液中的溶质为表面活性剂时，表面活性剂与带有包覆层的磁核的质量比可以为(1-20):1，例如(1-10):1，示例性为3.33:1。[0023]根据本发明的技术方案，所述磁核、包覆层、以及磁核的粒径R与包覆层的厚度D的比值R/D均具有如上文所述的含义。[0024]根据本发明的技术方案，所述超声的时间为0.5-8h，超声频率为20-100kHz；优选地，所述超声的时间为1-4h，超声频率为60-100kHz；示例性地，超声时间为2.5或3h，超声频率40kHz。

[0025]根据本发明的技术方案，所述制备方法还包括活化处理前对带有包覆层的磁核进行修饰的过程。例如，采用氨基、羟基、羧基、氨基、巯基、酚羟基或对甲苯磺酰基对带有包覆层的磁核进行再修饰。

[0026]具体流程如图1所示，采用包覆材料对生产所得磁核进行包覆，形成具有一定R/D值的磁珠后，再利用处理液对所得磁珠进行活化处理，制备高载量的核酸提取用磁珠。[0027]优选地，所述磁珠的制备方法，包括以下步骤：[0028](1)采用包覆材料对磁核进行包覆，得到具有包覆层的磁核；[0029](2)对具有包覆层的磁性进行修饰，然后利用处理液对所述具有包覆层的磁核进行活化处理；或者，直接利用处理液对所述具有包覆层的磁核进行活化处理，得到所述磁珠；

[0030]所述处理液为包括无机盐、无机碱、水溶性有机碱和表面活性剂中的至少一种的水溶液；

[0031]所述活化处理包括对含有带包覆层的磁核的处理液进行搅拌下超声处理。[0032]根据本发明的技术方案，所述磁核可以通过共沉淀法、水热法、高温热分解法、微乳法、多聚物沉积法、生物合成法等本领域已知磁核合成方法制备得到。[0033]本发明的第三方面提供由上述制备方法得到的磁珠。[0034]本发明的第四方面提供上述磁珠在提取核酸中的应用。[0035]本发明的有益效果：

[0036]本发明涉及一种高载量的核酸提取用磁珠的制备方法，具体是利用筛选得出的磁核粒径(R)与包覆层厚度(D)最佳比例的磁珠，通过采用处理液对磁珠进行超声活化处理方法，使磁珠表面的包覆材料上形成褶皱等微观结构，在保持磁珠的磁强度不变下，增加磁珠的比表面积，从而使磁珠对核酸提取的载量增加。

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附图说明

[0037]图1为本发明高载量的核酸提取用磁珠的制备流程。

[0038]图2为本发明实施例1处理前后的硅羟基磁珠的IR表征图。

[0039]图3为本发明实施例1处理前后的硅羟基磁珠的TEM和SEM表征图。[0040]图4为本发明实施例1处理前后的硅羟基磁珠的磁滞回线表征图。

[0041]图5为本发明实施例1处理前后的硅羟基磁珠对162bp核酸提取单位载量测定。[0042]图6为本发明实施例1处理前后的硅羟基磁珠对1017bp核酸提取单位载量测定。[0043]图7为本发明实施例2处理前后的氨基磁珠的TEM和SEM表征图。

[0044]图8为本发明实施例2处理前后的氨基磁珠对不同片段大小的核酸的回收率。具体实施方式

[0045]下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。[0046]除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。

[0047]实施例1高载量的核酸提取用硅羟基磁珠的制备[0048]1、利用高温热分解法制备磁核过程[0049]在烧杯中加入3.0g氯化铁(FeCl3)，7.2g无水醋酸钠(NaOAc)，900mg柠檬酸三钠，加入30mL乙二醇(EG)和90mL二乙二醇(DEG)，150r/min下搅拌8h，使得所有固体完全分散，形成红棕色先导液。然后将先导液倒入250mL玻璃内衬中，再将内衬转移至高压反应釜中，加热至200℃下反应12h后冷却至室温，磁吸除去上清液，分别利用乙醇和去离子水洗涤磁核三次，每次洗涤液用量为500mL。最后用200mL水分散得到的磁核，形成磁核悬浮液。[0050]2、利用硅酸四乙酯(TEOS)包覆磁核过程[0051]在1L的三口烧瓶中，加入步骤1制备好的磁核干重1.2g，加入240mL水，600mL乙醇，15mL氨水，150r/min搅拌下，40kHz超声辅助分散0.5h。接着利用滴液漏斗缓慢向烧瓶中滴加8mL TEOS，滴加完成后继续超声搅拌反应10h。磁吸除去上清液，分别利用乙醇和去离子水洗涤磁珠三次，每次洗涤液用量为500mL。最后用200mL水分散磁珠后形成悬浮液。[0052]3、利用处理液处理硅羟基磁珠流程

[0053]称取220mg碳酸钠(Na2CO3)溶解于300mL水中，将步骤2中制备所得的磁珠300mg加入在溶液中，在三口瓶中150r/min搅拌下，40kHz超声处理3h。磁吸除去上清液，利用去离子水洗涤磁珠三次，每次洗涤液用量为500mL。最后配制成40mg/mL的高载量核酸提取用磁珠分散液。[0054]4、高载量的核酸提取用硅羟基磁珠的相关表征[0055]利用IR(红外光谱)、TEM、SEM和磁滞回线对活化处理前后的磁珠进行表征，IR的表征结果如图2所示，TEM和SEM的表征结果如图3所示，磁滞回线的表征结果如图4所示。[0056]从图2可知，步骤3处理前后，Fe-O键和Si-O键的信号相对比例发生变化，Si-O键的信号比例下降，说明磁珠在处理过程中，Si包覆层发生变化，被处理液降解。[0057]从图3可知，步骤1制备的磁核的直径R约为200nm，包覆层的厚度D约为50nm；通过

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处理液的处理，磁珠表面从光滑表面变得粗糙、多褶皱，说明磁珠的比表面积增大。[0058]从图4可知，处理前后，磁珠的磁场强度无明显变化。[0059]5、高载量的核酸提取用硅羟基磁珠的载量测试[0060]利用未处理过的磁珠(即步骤2制备得到的带有包覆层的磁珠)和上述处理后磁珠分别对162bp和1017bp长度大小的核酸进行提取，具体测试过程如下：取50μL稀释后的PCR(聚合酶链式反应)产物体系，加入100μg的磁珠，然后加入100μL的PEG(聚乙二醇)结合液(30wt％的PEG-8000溶液)，静置15min后，磁吸除去上清液。加入200μL的80％乙醇溶液洗涤磁珠，磁吸除去乙醇后，加入Tris-HCl洗脱液(pH＝8.5，浓度为10mM)对磁珠上的核酸进行洗脱，并利用Qubit对洗脱后的核酸进行定量检测。结果显示处理前后磁珠的载量表现出巨大差异，处理后磁珠对两种核酸的单位载量分别为26μg/mg和84μg/mg，而未处理的磁珠单位载量仅为4μg/mg和10μg/mg。具体结果如图5和图6所示。(注：核酸样本为对应片段大小的质粒DNA的PCR产物，核酸量通过Qibit测定定量，磁珠用量为100μg)。[0061]实施例2高载量的核酸提取用二氧化硅包覆氨基磁珠的制备[0062]1、氨基磁珠的制备流程

[0063]通过实施例1步骤1和步骤2制备得到硅羟基磁珠。接着将300mg硅羟基磁珠加入三口瓶中，加入240mL水，600mL乙醇，15mL氨水，150r/min搅拌下，40kHz超声辅助分散0.5h。接着利用滴液漏斗缓慢滴加6mL硅烷偶联剂KH-540((3-氨基丙基)三甲氧基硅烷)，滴加完成后继续超声搅拌反应10h。磁吸除去上清液，分别利用乙醇和去离子水洗涤磁珠三次，每次洗涤液用量为500mL。最后用200mL 80％乙醇溶液分散磁珠后形成悬浮液。[00]2、利用处理液处理氨基磁珠流程

[0065]称取1.0g四丁基氟化铵(TABF)溶解于300mL水中，将步骤1中制备所得的300mg氨基磁珠加入在溶液中，在三口瓶中150r/min搅拌下，40kHz超声处理2.5h。磁吸除去上清液，利用去80％乙醇洗涤磁珠三次，每次洗涤液用量为500mL。最后配制成40mg/mL的高载量核酸提取用磁珠分散液。[0066]3、高载量的核酸提取用氨基磁珠的相关表征[0067]利用TEM和SEM对活化处理前后的磁珠进行表征，其结果如图7所示。其结果可以显示，通过处理液的处理，磁珠表面从光滑表面变得粗糙、多褶皱，比表面积明显增加。[0068]4、高载量的核酸提取用氨基磁珠的回收率测试[0069]利用未处理过的氨基磁珠和上述处理后氨基磁珠分别对162、341、535、806、1017和1612bp不同片段大小的核酸进行提取，提取过程参照实施例1步骤5。结果显示吸附同一片段大小的核酸时，处理前后磁珠的回收率表现出巨大差异，处理后磁珠的回收率均大于90％，而未处理的磁珠的回收率仅为75％左右(具体结果如图8所示)。(注：核酸样本为对应片段大小的质粒DNA的PCR产物，核酸投入量为50L的10倍稀释浓度PCR产物，核酸量通过Qibit测定定量，磁珠用量为100μg)。[0070]以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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