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核酸适配体能与靶标物质高特异性、高选择性地结合,这些优点使得适配体被广泛的应用于生物传感器领域。纳米材料具有特殊的光、电、磁等性能,将纳米技术与适配体的结合,实现了对靶标物质的高灵敏、高选择性地检测。因此,构建基于纳米技术与适配体结合的生物传感器有着广泛的应用前景。本文建立了基于适配体和纳米材料的新型光学生物传感器,并将其应用于水体中重金属离子Ag+和Hg2+的分析检测,主要研究内容分为以下两部分:
第一部分主要研究基于荧光染料标记的适配体对水体中Ag+和半胱氨酸的分析检测,研究内容如下:
1.基于C-Ag+-C碱基对的光诱导电子转移实现对银离子和半胱氨酸的检测。实验中选择富含胞嘧啶(C)的DNA作为Ag+适配体。随着Ag+的加入C-C错配的碱基对形成C-Ag+-C结构,FAM-标记的DNA的荧光会被猝灭,并且荧光发射波长会发生红移。Cys与Ag+之间能够发生强烈地相互作用,这种相互作用能够破坏C-Ag+-C结构。因此,随着Cys的加入,溶液的荧光强度和荧光发射波长都能得到恢复。基于该原理设计了简单、快速的用于Ag+和Cys检测的双输出荧光传感器。
2.基于氧化石墨烯构建双输出荧光DNA逻辑门和检测银离子和半胱氨酸(Cys)的传感器。石墨烯对单链DNA的选择性吸附和对染料标记单链DNA的高荧光猝灭性能,Ag+能够稳定C-C错配的碱基对形成C-Ag+-C结构,而Cys能够打开C-Ag+-C结构。随着Ag+和Cys的加入荧光强度和荧光发射波长都在发生变化,据此现象设计了用于检测Ag+和Cys的双输出荧光传感器。同时,成功地提出了一个概念性的Ag+/Cys驱动的双输出荧光DNAINHIBIT逻辑门,并可能将其应用到新一代的分子逻辑门中。
第二部分主要研究基于免标记的适配体对水体中Hg2+的分析检测,研究内容如下:
1.基于吖啶橙和免标记适配体包裹的金纳米粒子(AuNPs)构建三通道光学信号探针用于水体中Hg2+检测。实验利用了AuNPs与单、双链DNA之间不同的相互作用力、带正电荷的吖啶橙(AO)染料与DNA之间高的亲和力、AuNPs对荧光染料能量转移效率的可调节性等原理用于传感器设计。该实验体系中,选择富含胸腺嘧啶(T)的单链DNA作为Hg2+适配体。当没有Hg2+时,适配体包裹着AuNPs,可以有效地阻止盐诱导的团聚。此时,溶液的颜色为粉红色,共振光散射(RLS)信号较低,AO的荧光被高效猝灭。当Hg2+存在时,单链DNA将形成T-Hg2+-T结构。在一定浓度的盐溶液中,形成的双链DNA对AuNPs的亲和力降低,导致溶液的颜色发生变化,RLS信号增强,AO的荧光也得到恢复。首次利用了靶标物诱导调节免标记适配体包裹的AuNPs与荧光染料的能量转移效率,该方法有助于开发其他多通道传感器。
2.基于免标记适配体和Mn2+掺杂ZnS量子点(Mn-ZnSQDs)构建室温磷光(RTP)传感检测水体中的Hg2+。L-半胱氨酸(L-Cys)修饰的Mn-ZnSQDs在水溶液中具有很强的RTP。在实验环境pH条件下,阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)通过静电作用很容易吸附到L-Cys修饰的Mn-ZnSQDs表面,阴离子磷酸骨架寡核苷酸链也可以通过静电作用吸附到形成的CTAB/Mn-ZnSQDs的表面。富含T碱基的单链DNA作为Hg2+适配体,当Hg2+存在时容易形成T-Hg2+-T双链DNA结构。这个金属诱导形成的双链DNA会导致CTAB/Mn-ZnSQDs的RTP猝灭,通过这种方法实现了免标记适配体磷光法对Hg2+的分析检测。