編號(hào)：CPJS02039
篇名：基于石墨烯構(gòu)建新型生物傳感器的研究
作者：葉宗煌
關(guān)鍵詞：生物傳感器； 電化學(xué)； 氧化石墨烯； 胰蛋白酶； 硫堇； 納米器件； 腺苷三磷酸； 適體； 功能化金納米顆粒； 陽(yáng)極氧化鋁膜； 核酸分析； 比色法檢測(cè)； 紫外-可見光譜分析； 循環(huán)伏安法； 計(jì)時(shí)庫(kù)侖法
機(jī)構(gòu)：
摘要： 生物傳感器是利用生物材料(包括酶,抗體,核酸,細(xì)胞,組織等)結(jié)合物理化學(xué)方法對(duì)被測(cè)物進(jìn)行檢測(cè)的裝置。生物傳感器具有靈敏度高、特異性強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn),在臨床檢驗(yàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、以及生命科學(xué)研究等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。石墨烯(graphene)是由碳原子蜂巢狀排列構(gòu)成的具有單層原子厚度的新型片狀結(jié)構(gòu)二維材料,它具有獨(dú)特的電子學(xué)、光學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)以及電化學(xué)特性,基于石墨烯構(gòu)建新型生物傳感器,不僅豐富了傳感器的構(gòu)建材料,而且,借助石墨烯特有的性質(zhì),可以研制許多新型的生物傳感器,本論文正是基于此開展了一些工作,并取得了一些結(jié)果,具體如下。1.基于氧化石墨烯和脫氧核酶構(gòu)建雙信號(hào)比色法DNA傳感器本章中,利用氧化石墨烯和過(guò)氧化物酶類似核酶,作者提出了一種新型的具有雙重信號(hào)輸出的策略構(gòu)建了DNA比色法傳感器。該設(shè)計(jì)中的雙功能DNA探針整合了過(guò)氧化物酶類似核酶序列和目標(biāo)DNA的互補(bǔ)序列。探針的目標(biāo)DNA互補(bǔ)序列可以通過(guò)π-π堆疊作用吸附到氧化石墨烯表面；然而,當(dāng)存在目標(biāo)DNA時(shí),石墨烯-DNA探針相互作用遭到破壞,導(dǎo)致離心分離后,過(guò)氧化物酶活性探針從石墨烯沉淀轉(zhuǎn)移到上清當(dāng)中,因此,上清中可以得到該核酶催化產(chǎn)生的比色信號(hào),通過(guò)肉眼簡(jiǎn)單觀察沉淀或者上清催化反應(yīng)的顏色深淺變化,就可以達(dá)到檢測(cè)目標(biāo)DNA的目的。另外,通過(guò)對(duì)雙重比色信號(hào)(沉淀中為“信號(hào)-關(guān)”,上清中為“信號(hào)-開”)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算,可以大大提高該傳感器的效能。2.基于氧化石墨烯與核酸適體功能化金納米顆粒構(gòu)建比色法ATP生物傳感器本章中,作者利用核酸適體功能化金納米顆粒與氧化石墨烯之間的相互作用,構(gòu)建了新型比色法ATP傳感器。當(dāng)溶液中沒(méi)有ATP時(shí),金納米顆粒借助表面修飾的核酸適體吸附到二維氧化石墨烯平面的兩側(cè),最終形成超級(jí)夾心三明治結(jié)構(gòu)而沉淀析出。然而,當(dāng)檢測(cè)體現(xiàn)中存在ATP時(shí),適體結(jié)合ATP發(fā)生折疊,金納米顆粒則不會(huì)結(jié)合到石墨烯上,因而穩(wěn)定存在于溶液之中,因此作者使用金納米顆粒和氧化石墨烯構(gòu)建了比色法ATP傳感器。該傳感器可以通過(guò)紫外-可見光譜分析,甚至可以直接用肉眼觀測(cè)達(dá)到檢測(cè)ATP的目的,而通過(guò)改變金納米顆粒上修飾的適體,該傳感器還有望發(fā)展成為用于DNA、金屬離子、小分子、蛋白質(zhì)等多種物質(zhì)檢測(cè)的生物傳感器。3.基于硫堇-石墨烯復(fù)合物構(gòu)建胰蛋白酶電化學(xué)生物傳感器本章中,作者利用多肽和石墨烯的相互作用構(gòu)建了一種簡(jiǎn)單的無(wú)標(biāo)記胰蛋白酶電化學(xué)傳感器。作者設(shè)計(jì)了一段胰蛋白酶的底物多肽,這條多肽通過(guò)C末端半胱氨酸修飾在金電極表面,其N末端的組氨酸則可以通過(guò)π-π作用及靜電作用吸附石墨烯,然而,當(dāng)檢測(cè)體系中存在胰蛋白酶時(shí),多肽序列經(jīng)過(guò)酶消化,暴露出來(lái)的絲氨酸殘基與石墨烯的作用非常微弱,因而導(dǎo)致石墨烯無(wú)法吸附在電極表面,通過(guò)檢測(cè)吸附在石墨烯表面報(bào)告分子(硫繭)的電化學(xué)信號(hào),作者因此研制了一種基于硫堇-石墨烯復(fù)合物的胰蛋白酶電化學(xué)生物傳感器。由于石墨烯具有較大的比表面積,具有巨大的負(fù)載能力,因而可以吸附大量報(bào)告分子,具有信號(hào)放大的作用,因此,該傳感器可以具有很高的靈敏度。此外,該傳感器不僅操作簡(jiǎn)便,無(wú)需特殊標(biāo)記,而且,通過(guò)改變切割的序列,還可以設(shè)計(jì)成用于其它蛋白酶檢測(cè)的傳感器。4.基于DNA功能化石墨烯構(gòu)建小分子三維“納米避難所”電極界面的納米組裝結(jié)構(gòu)可以賦予電極更多功能,作者利用DNA功能化氧化石墨烯,在電極表面搭建了三維“納米避難所”結(jié)構(gòu)用于保護(hù)信號(hào)分子。實(shí)驗(yàn)中,作者首先將DNA1利用金巰鍵固定在金電極表而,然后加入DNA2功能化的氧化石墨烯,通過(guò)一段與DNA1和DNA2均存在部分互補(bǔ)的連接DNA將上述分子連接到電極表面,形成以氧化石墨烯為頂棚,DNA為支柱的三維“納米避難所”結(jié)構(gòu)。隨后,作者選取一個(gè)有電化學(xué)活性的小分子,研究其進(jìn)出“納米避難所”的擴(kuò)散過(guò)程,結(jié)果表明,“納米避難所”可以明顯阻擋電化學(xué)活性小分子從本體溶液進(jìn)入避難所內(nèi)部,同時(shí),反向的過(guò)程也受到削弱。因此,“納米避難所”可以延長(zhǎng)電化學(xué)活性小分子的保留時(shí)間,并且阻擋外界的干擾,從而提高檢測(cè)的靈敏度和特異性,為發(fā)展新型生物傳感器打下了基礎(chǔ)。5.基于氧化石墨烯和陽(yáng)極氧化鋁膜構(gòu)建小分子響應(yīng)的智能膜開關(guān)本章中,作者利用ATP適體和氧化石墨烯設(shè)計(jì)了一種ATP響應(yīng)的智能膜開關(guān)。作者結(jié)合氧化石墨烯,以適體作為新型的識(shí)別及響應(yīng)元件,首先將ATP適體修飾在噴金的陽(yáng)極氧化鋁表面。當(dāng)檢測(cè)體系中沒(méi)有ATP存在時(shí),修飾的ATP適體可以通過(guò)π-π作用吸附氧化石墨烯,從而封閉膜表面的孔道,阻止分子通過(guò),膜為閉合狀態(tài)。然而,當(dāng)膜預(yù)先和ATP作用,適體結(jié)合ATP,不再結(jié)合氧化石墨烯時(shí),膜為開放狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,膜對(duì)ATP有良好響應(yīng),并且對(duì)膜孔的調(diào)節(jié)與ATP的濃度相關(guān),因而可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)控。此外,考慮到適體的多樣性,選取不同的適體序列,可以開發(fā)出響應(yīng)不同分子的膜開關(guān),拓展該體系的應(yīng)用范圍,為發(fā)展新型生物傳感器創(chuàng)造了條件。
