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基于DNA纳米机器和纳米材料的生物传感新方法

【摘要】:生物传感技术作为生命科学领域的一种重要研究工具,越来越多的小分子、核酸以及蛋白质等都需要借助生物传感技术进行检测及分析。生物传感技术已广泛应用于医学诊断、基因分析、临床诊断治疗等领域。但随着社会的发展与进步,旧的生物传感技术也不能完全满足各个领域的需求。开发新的具有特异性强、准确性高、操作程序简单、响应迅速的生物传感器以满足生物医学等领域的实际应用对于研究者也是一项巨大的挑战。随着纳米技术的诞生与应用,促使生物传感技术相应的得到进一步的拓展,纳米科学为生物传感器的发展提供了新的发展方向。针对目前生物传感器所存在的问题,本文基于DNA纳米技术以及纳米材料构建一系列具有特异性好,响应快,适用于小分子检测的生物传感器。具体研究内容如下:(1)第二章中,由于pH是参与各种细胞行为和生物学过程有关的重要参数,pH值的异常会导致很多疾病。基于此我们构建了一种可逆的比率型荧光DNA三棱柱纳米机器(TPN)用于监测和测绘活细胞内的pH变化。该TPN中具有pH能够响应的i-Motif序列。在中性或弱碱性pH环境下,此基序所呈现的状态是一条自由的单链,上面标记的Cy3和Cy5荧光基团空间上是远离的,荧光处于“关闭”的状态。在酸性pH条件下,i-Motif基序发生质子化,分子内折叠形成四聚体,促使Cy3和Cy5两个荧光基团的相互靠近,当二者的距离小于一定的阈值后,即可发生荧光共振能量转移,荧光处于“打开”的状态。该传感体系不仅可以观察细胞在不同刺激条件下pH的变化,并能监测细胞内吞过程中pH的时空变化。该TPN具有宽的pH检测范围,在5.0~7.5范围内均能响应,响应速度快,可逆性好。(2)第三章中,准确测定和定量双氧水(H_2O_2)和葡萄糖对医疗诊断和生物工程建设是必要的。我们基于石墨烯-氮化碳(g-C_3N_4)和二氧化锰(MnO_2)纳米片设计合成了g-C_3N_4-MnO_2纳米复合物,用于快速、选择性地检测双氧水和葡萄糖。g-C_3N_4是具有蓝色荧光的纳米片,MnO_2能够与g-C_3N_4之间发生明显的FRET,使得此纳米片的荧光被猝灭。然而在H_2O_2的作用下,MnO_2能被还原成Mn~(2+),荧光共振能量转移也相应解除,g-C_3N_4的蓝色荧光即可再次恢复。此外,由于H_2O_2是一定条件下葡萄糖的反应产物之一,所以同样适用于葡萄糖检测,可以通过检测H_2O_2的有无,进而间接的检测目标物葡萄糖是否存在。该传感体系的荧光变化与H_2O_2、葡萄糖在一定浓度范围内均呈现一定的线性关系,检测下限同低至1.5μM。该传感器除具有较宽的线性响应外,还具有诸多优势,如检测速度快,操作性强、辨识度高。(3)第四章中,有机磷(OPs)作为农药的重要成分,不合理、不规范的使用农药会使农产品和及其周边环境中产生过多的农药残留,不仅破坏生态环境,而且不合格的农产品也存在相应的安全隐患,危及人类健康。针对这一问题,我们合成了g-C_3N_4-MnO_2纳米复合物用于有机磷小分子的检测。硫代胆碱(TCh)存在时可将MnO_2还原成Mn~(2+),使开始被MnO_2猝灭的g-C_3N_4的荧光得到恢复,TCh是硫代乙酰胆碱(ATCh)在一定条件下水解的产物,其反应所采用的催化物是乙酰胆碱酯酶(AChE),有机磷能使其磷酰化,进而达到抑制该酶活性的作用,活性大幅降低后AChE就不能有效的催化水解反应,此时TCh的生成效率极低,进而阻止g-C_3N_4的荧光恢复,因此我们可以通过检测g-C_3N_4的荧光信号变化来检测有机磷小分子。该传感方法合成方法较为简单,对于目标物检测的准确性好。

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