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化学/生物传感器是以分子识别为基础的检测方法。通过主体对客体的选择性相互结合,其可将体系中无法直接读取的化学/生物信号(如化合物种类、浓度等)转换为可直接读取的物理信号(如光、电、磁信号等),实现化学和生物分子的检测。一个典型的传感器主要包括两个部分:分子识别单元和信号报告单元。当分子识别单元与目标分子发生特异性分子识别时,信号报告单元将识别过程转化为可供测量的物理信号,从而实现对目标分子的定性/定量检测。DNA和无机纳米材料是传感器设计领域经常用到的生物和无机材料,通过改变序列,DNA可以成为不同目标分子的受体单元,而后者由于其特殊的光电性质,经常被用作信号报告单元。两者的合理结合,为高灵敏度、高选择性传感器的构建提供了一个思路。
本论文以高选择性、高稳定性、低背景和可用于复杂体系的化学/生物传感器的设计为目标,将核酸分子和无机纳米材料(包括碳纳米管、银纳米颗粒)有机结合,设计核酸生物传感器平台,实现对阳离子、阴离子、有机小分子的高灵敏度、高选择性检测。其涉及的主要内容包括以下5个部分:
1.基于单壁碳纳米管(SWINTs)/DNA自组装的核酸荧光响应传感器设计。利用单壁碳纳米管(SWNTs)作为通用猝灭剂,荧光素(FAM)标记的发夹结构DNA在SWNTs表面发生自组装并造成荧光猝灭。由于双链DNA与SWNTs的亲和力要小于单链DNA,当与目标DNA杂交后,其荧光强度发生增强从而实现互补DNA的检测。相比于传统分子信标,DNA.SWNTs只需进行单荧光标记,合成更方便经济,荧光背景更低,单碱基选择性和热力学稳定性也有所提高。
2.基于模板合成DNA-银纳米颗粒复合物的生物响应传感器设计。模板合成的银纳米颗粒(AgNPs)被用作纳米猝灭剂并用以构建荧光检测平台。由于模板合成的AgNPs与DNA的紧密结合,AgNPs呈现出很高的猝灭效率,并且所形成的自组装复合物在复杂环境下也呈现出很好的稳定性。由于Ag-S键的形成,硫醇与AgNPs的强配位作用可以将DNA从AgNPs的表面取代下来,从而造成DNA荧光的增强。基于这一原理,DNA-AgNPs自组装复合物被用于生物硫醇的传感分析,并可对尿液中的硫醇化合物进行检测。由于AgNPs的细胞渗透作用,DNA-AgNPs自组装复合物也可以用于细胞内生物硫醇的荧光成像。
3.基于DNA/银纳米颗粒修饰电极的阴离子电化学传感器设计。利用DNA作为连接分子,将AgNPs修饰到金电极表面构建AgNPs修饰电极。AgNPs可在高电位下氧化并释放出Ag+,当溶液中存在Cr时,其会在电极表面沉积Ag/AgCl复合物,并呈现出尖锐的固态氧化还原信号。该电极呈现出很好的选择性,通过控制扫描电位范围,其可对Cl-和Br-进行明显的区分。另一方面,该电极有很好的抗干扰能力,可应用于复杂生物条件下阴离子的检测。使用银纳米颗粒修饰电极,未经处理的尿液中Cl-可被直接测定。
4.基于荧光银纳米材料的Hg2+荧光响应传感器设计。利用硫醇作为还原剂和保护试剂,合成了水溶性荧光银纳米簇。与传统荧光银纳米簇的合成相比,硫醇还原法简单方便,无需模板,产物更为纯净。结果显示,合成的银纳米簇有良好的水溶性和分散性,具有狭窄的吸收峰和较强的荧光信号。Hg2+与硫醇的强相互作用,会诱导银纳米簇发生团聚,并产生吸收和荧光信号的变化。基于这一原理,我们利用所合成的荧光银纳米簇构建了Hg2+传感器。
5.基于金属配位作用的茎部可控分子信标设计。利用胸腺嘧啶(T)与Hg2+配位形成T-Hg-T结构替代Watson-Crick碱基对设计分子信标茎部,构建了Hg2+调控的功能性分子信标。由于T-Hg-T茎部结构的稳定性依赖于Hg2+浓度,该功能性分子信标的热力学和动力学性质可通过Hg2+浓度进行调节。与传统分子信标相比,该功能性分子信标呈现出更好的单碱基选择性,可应用于高温环境,并可在DNA酶和单链结合蛋白等存在下对目标DNA进行检测。