基于納米技術和替代機理構建的電化學生物傳感器的研究.pdf

1、對特異DNA序列的檢測在基因相關疾病的診斷、軍事反恐和環(huán)境監(jiān)測等方面約具有非常重要的意義。DNA傳感器的研究就是為了滿足對特異DNA序列的快速、便捷、高靈敏度和高選擇性檢測的需要。近年來涌現(xiàn)出多種傳感策略，根據(jù)檢測方法的不同大致可以分為光學傳感器、電化學傳感器和聲學傳感器等，由于電化學檢測方法本身所具有的靈敏、快速、低成本和低能耗等特點，電化學DNA傳感器已成為一個非?；钴S的研究領域并在近幾年中得到了快速發(fā)展。
　　 納米技術逐

2、步引入生物分析化學和分子生物學研究領域，并顯示了光明的前景。納米微粒具有大比表面積和高活性、特異性等特點；作為傳感器材料，納米探針具有高選擇性、高靈敏度、快速、方便檢測的特點，改造傳統(tǒng)的生物傳感器，可以增加固定的分子數(shù)量，從而增強反應信號，制得的高選擇性、高靈敏度的納米傳感器能用于探測很多細胞化學物質，可以監(jiān)控活細胞的蛋白質和其他所感興趣的生物化學物質。
　　 超分子化學是一門處于近代化學、材料化學和生命科學交匯點的新興學科。它

3、的發(fā)展不僅與大環(huán)化學（冠醚、穴醚、環(huán)糊精、杯芳烴、碳60等）的發(fā)展密切相連，而且與分子自組裝（雙分子膜、膠束、DNA雙螺旋等）、分子器件和新興有機材料的研究息息相關。環(huán)糊精是超分子化學的重要主體化合物之一，對特定的有機分子具有識別和選擇的能力，對其研究逐漸從主客體識別形成包合物的機理轉移到對其在分析化學、醫(yī)藥、環(huán)境保護和傳感器等領域的應用研究中。
　　 本論文的創(chuàng)新之處在于，將納米技術、超分子作用與電化學分析技術結合，用于對核酸

4、分子或凝血酶蛋白分析檢測，研制出具有高選擇性，非固定的新型電化學生物傳感器，成功應用于特定序列DNA或目標蛋白質的選擇性測定，以及對DNA鏈中堿基，尤其單堿基突變的快速、靈敏和準確的識別，為基因及蛋白質的快速分析與測定提供了多種簡便、快捷、廉價的檢測方法。
　　 第一章緒論
　　 這一章中首先介紹了DNA生物傳感器及其研究進展，著重介紹DNA生物傳感器的原理，基于不同標記物的電化學DNA生物傳感器分類、研究進展，敘述了D

5、NA電化學傳感器在基因檢測等方面的應用，接著介紹了核酸適配體技術、納米材料，主客體識別技術在生物傳感器中的一系列應用。最后闡述了本論文的目的和意義，簡述論文的創(chuàng)新之處及研究內容。
　　 第二章基于目標替代的電化學適體傳感器檢測thrombin的研究
　　 本章構建了一種基于目標蛋白引起DNA鏈替代機制的電化學適體傳感器。該傳感器首先將含有巰基的單鏈固定DNA(IP)與目標凝血酶(thrombin)適體堿基序列(aptam

6、er)通過雜交反應得到雙鏈DNA(dsDNA)，通過Au-S鍵自組裝于金電極表面，而另一標記有CdS納米顆粒的單鏈DNA(DP-CdS)被用作檢測探針。當預先制備好的dsDNA修飾金電極浸入含有目標蛋白和DP-CdS的溶液時，dsDNA中的aptamer更傾向與目標thrombin結合形成G-四分體，從而引起dsDNA離解，IP從而與DP-CdS堿基互補。將電極捕獲的CdS納米顆粒溶解，使用汞膜電極對溶出的Cd2+離子進行電化學檢測，獲

7、得靈敏的電化學信號傳遞。Cd2+離子的峰電流相對thrombin濃度在2.3x10-9.2.3×10-12 mol/L范圍內有良好的線性響應，檢出限為4.3×10-133mol/LBSA，溶菌酶等其他蛋白質共存不會影響thrombin的檢測，檢測具有良好的特異性。
　　 第三章基于目標替代的電化學傳感器檢測DNA的研究
　　 本章設計了一種基于DNA之間雜交替代機制的電化學DNA傳感器。該傳感器通過預先將3’修飾巰基，5

8、’修飾二茂鐵的發(fā)夾探針DNA與識別DNA雜交形成雙鏈DNA，然后通過金硫鍵組裝于金電極表面。此時二茂鐵位于雙鏈DNA的頂端，遠離電極表面，呈現(xiàn)出“Switch-off”狀態(tài)，僅產(chǎn)生一個小的背景信號。目標DNA加入后，由于與識別DNA之間具有更多互補堿基，在雜交競爭作用下，識別DNA離開探針DNA，與目標結合，探針DNA隨之恢復原有的發(fā)夾狀態(tài)，二茂鐵靠近電極表面，呈現(xiàn)出“Switch-on”狀態(tài)，獲得一個較大的電化學信號。通過目標加入前后

9、電化學信號變化，可實現(xiàn)對目標的檢測。這種新型的電化學生物傳感器對DNA和蛋白質的響應線性范圍為6.4x10-10～6.4x10-7 mol/L，相關系數(shù)為0.996，檢出限為4.4x10-10mol/L。
　　 第四章基于主客體識別的電化學傳感器檢測DNA的研究
　　 本章構建了一種新型傳感器，將DNA雜交引起的探針DNA構型變化通過主客體識別技術與納米顆粒標記轉換為電化學信號。該傳感器中，末端標記有4-4-二甲氨基苯基

10、偶氮苯甲酸（Dabcyl，以下簡稱偶氮苯）和巰基基團的發(fā)夾DNA作為探針DNA通過金硫鍵組裝于金電極表面，而表面修飾有β-環(huán)糊精的CdS納米顆粒(CdS-CDs)則被用于電化學信號提供者和主客體識別元件。無目標存在時，固定于電極上的探針DNA保持莖環(huán)結構，此時由于空間位阻效應，Dabcyl被屏蔽難以觸及溶液中的CdS-CDs，而當探針DNA與目標DNA雜交之后，探針DNA發(fā)生構型變化，使得Dabcyl遠離電極表面。最初被屏蔽的Dabcy