基于新型碳納米材料的生物傳感器的構(gòu)建及其分析應(yīng)用.pdf

1、隨著生命科學(xué)的不斷發(fā)展，人們對(duì)與生命活動(dòng)相關(guān)的蛋白質(zhì)、小分子以及毒性環(huán)境污染物的分析檢測(cè)要求變得越來越高。為了獲得全面的生命信息，急需發(fā)展一些靈敏度高、選擇性好、操作簡(jiǎn)單且花費(fèi)低廉的分析檢測(cè)方法。生物傳感器(Biosensor)涉及了多學(xué)科交叉的分析應(yīng)用，結(jié)合了生命科學(xué)、分析化學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)和信息科學(xué)及其相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)λ枰獧z測(cè)的物質(zhì)進(jìn)行快速分析和追蹤。由于其具有靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)速度快、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)而受到了科研工作者的高

2、度重視，并在生化分析領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。
　　 近年來在世界范圍內(nèi)掀起了碳納米材料研究熱潮，不同結(jié)構(gòu)及形貌的新型碳納米材料相繼被合成出來，例如零維的富勒烯、一維的碳納米管和二維的石墨烯等。碳納米材料作為一種常見的納米材料，具有良好的生物相容性，優(yōu)良的催化性、導(dǎo)電性、大的比表面積等優(yōu)點(diǎn)，在生化分析領(lǐng)域得到了廣泛而有效的應(yīng)用。不同結(jié)構(gòu)碳納米材料的引入能夠有效地提高生物傳感器的靈敏度、穩(wěn)定性等性能，從而大大推動(dòng)了生物傳感器的發(fā)展

3、。
　　 本文主要采用化學(xué)氣相沉積法制備了幾種新型碳納米材料，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了新型生物傳感器，并將其應(yīng)用于重金屬離子、DNA和小分子的檢測(cè)。具體內(nèi)容如下:
　　 (1)基于氧化石墨烯-DNA酶復(fù)合物生物傳感器的研究。由于氧化石墨烯對(duì)不同長(zhǎng)度的單鏈DNA吸附能力的不同，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于氧化石墨烯-DNA酶復(fù)合物的熒光增強(qiáng)型生物傳感器并用于鉛離子的檢測(cè)。由于底物鏈和酶鏈雜交之后的探針中含有一段單鏈DNA序列，通過π-π堆積

4、效應(yīng)，該探針可以吸附在氧化石墨烯(GO)表面，并使標(biāo)記在底物鏈5'端的熒光基團(tuán)靠近GO，發(fā)生熒光能量共振轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致熒光基團(tuán)的熒光被淬滅。而當(dāng)加入Pb2+后，DNA酶的催化活性被激活，并將底物鏈切割為兩部分。標(biāo)有熒光基團(tuán)的短鏈DNA(僅有5個(gè)堿基)以及另外一段底物鏈片段從酶鏈上解鏈游離下來。釋放出的酶鏈可繼續(xù)與未反應(yīng)的底物鏈雜交，同時(shí)誘發(fā)下一輪的催化切割，如此循環(huán)，反應(yīng)體系中就存在很多標(biāo)有熒光基團(tuán)的短鏈DNA。之后加入具有高熒光淬滅效率的

5、GO，由于短鏈DNA(僅有5個(gè)堿基)與GO結(jié)合力很弱，熒光基團(tuán)將遠(yuǎn)離GO而使其熒光不被淬滅。因此，該傳感器顯示出高的靈敏度，其檢測(cè)限為300 pM。
　　 (2)基于磁性石墨納米囊(MGN)的生物傳感器的研究。由于MGN對(duì)單鏈DNA和雙鏈DNA吸附能力不同，我們構(gòu)建了一個(gè)基于MGN的熒光生物傳感器，并將其用于DNA檢測(cè)。首先，我們利用化學(xué)氣相沉積法合成了具有核-殼結(jié)構(gòu)的MGN。其次，將MGN引入DNA檢測(cè)領(lǐng)域，單鏈DNA(ssD

6、NA)，通過π-π堆積效應(yīng)可以吸附在MGN表面，形成穩(wěn)定的ss-DNA/MGN復(fù)合物。這種復(fù)合物可用于目標(biāo)DNA的捕獲。實(shí)驗(yàn)中，我們選取了一條標(biāo)有熒光基團(tuán)的含有29個(gè)堿基的單鏈DNA作為捕獲探針，首先將捕獲探針與MGN混合，然后加入目標(biāo)DNA鏈(含有17個(gè)堿基)，由于捕獲探針和目標(biāo)DNA鏈雜交之后的探針中仍含有一段單鏈DNA序列，故該探針吸附在MGN表面，導(dǎo)致體系的熒光被淬滅。但當(dāng)加入釋放DNA鏈之后，釋放鏈與探針分子形成剛性的雙鏈結(jié)構(gòu)

7、，由于雙鏈DNA與MGN的結(jié)合力很弱，熒光基團(tuán)將遠(yuǎn)離MGN而使其熒光不被淬滅。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)DNA的檢測(cè)。同時(shí)，我們利用磁富集效應(yīng)，除去仍處于游離狀態(tài)的捕獲鏈以降低背景熒光，可以進(jìn)一步提高該傳感器的靈敏度。實(shí)驗(yàn)證明，該生物傳感器能夠高靈敏、高選擇性地檢測(cè)目標(biāo)DNA，其檢測(cè)限為50 pM，比普通基于碳納米管和石墨烯的生物傳感器的檢測(cè)限提高了三個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　 (3)基于空心石墨納米囊的生物傳感器的研究。在磁性石墨納米囊的基礎(chǔ)上，我

8、們進(jìn)一步用混酸氧化的方法制備了具有中空結(jié)構(gòu)的石墨納米囊(HGN)。該顆粒具有較大的比表面積、優(yōu)良的導(dǎo)電性、良好的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，因此我們構(gòu)建了基于空心石墨納米囊的電化學(xué)傳感器用于H2O2檢測(cè)。通過靜電作用，帶正電的亞甲基藍(lán)(MB)和辣根過氧化物酶(HRP)，可以被吸附固定在HGN表面。同時(shí)因?yàn)镸B分子與HGN之間的π-π堆積效應(yīng)，HGN對(duì)作為電子介體的MB分子有高的承載能力。MB分子的引入，實(shí)現(xiàn)了HRP酶的活性中心與電極之間的直接電子