基于DNA自組裝的智能水凝膠設(shè)計(jì)及其應(yīng)用.pdf

1、水凝膠是一類(lèi)含有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的親水性聚合物材料。通過(guò)相應(yīng)設(shè)計(jì)，水凝膠可實(shí)現(xiàn)其對(duì)不同外界環(huán)境因素的響應(yīng)。由于具有這種性質(zhì)，這種水凝膠又被稱(chēng)為“智能水凝膠”。傳統(tǒng)水凝膠響應(yīng)對(duì)象單一，而近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的DNA水凝膠則突破了這一局限。DNA的結(jié)構(gòu)及行為的可預(yù)知性，DNA自組裝的簡(jiǎn)便性和功能核酸的功能可控性，大大拓寬了智能水凝膠的應(yīng)用領(lǐng)域。DNA水凝膠作為一種新型材料，可用于構(gòu)建生物傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物靈敏、便攜的檢測(cè)，且價(jià)格低廉，易于儲(chǔ)存。通過(guò)

2、目標(biāo)分子響應(yīng)前后水凝膠的膠態(tài)-液態(tài)相態(tài)轉(zhuǎn)化，包裹在膠態(tài)水凝膠的信號(hào)分子在溶液態(tài)時(shí)被釋放，可以很好地實(shí)現(xiàn)DNA水凝膠的信號(hào)輸出。DNA水凝膠目前已可實(shí)現(xiàn)從小分子到蛋白的便攜檢測(cè)，充分顯示了DNA水凝膠作為一個(gè)便攜檢測(cè)平臺(tái)的可行性和通用性。
　　許多金屬離子參與生物體內(nèi)的基本生命活動(dòng)，是生物體不可或缺的元素，但是即便攝入極少的過(guò)量金屬離子（如鉛、汞等重金屬離子），也會(huì)影響人的正常生理活動(dòng)，損害人類(lèi)的健康。傳統(tǒng)測(cè)定方法依賴(lài)大型儀器及專(zhuān)業(yè)

3、人員的操作，不利于在無(wú)專(zhuān)業(yè)化大型儀器和人員的環(huán)境或欠發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)金屬離子的檢測(cè)。因此，迫切需要發(fā)展一種可對(duì)金屬離子進(jìn)行便攜定量檢測(cè)的方法。脫氧核酶是通過(guò)人工進(jìn)化篩選得到的一類(lèi)功能核酸，由于其功能的金屬依賴(lài)性，經(jīng)常被用作檢測(cè)金屬離子的生物傳感器。
　　本文將脫氧核酶響應(yīng)傳感體系與水凝膠平臺(tái)相結(jié)合，發(fā)展了通用DNA脫氧核酶水凝膠的設(shè)計(jì)方法，合成了一系列特定金屬離子響應(yīng)的水凝膠，結(jié)合納米材料及微流控芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛離子、鈾酰離子、鑭系離子的

4、便攜可視化檢測(cè)。本文主要的工作分為以下幾個(gè)方面:
　　(1)優(yōu)化脫氧核酶水凝膠的設(shè)計(jì)方案，建立通用型的金屬離子響應(yīng)水凝膠的方法，即利用脫氧核酶的酶鏈和底物鏈作為水凝膠的交聯(lián)劑，實(shí)現(xiàn)水凝膠的交聯(lián)。優(yōu)化水凝膠的DNA用量，降低水凝膠制備成本，提高商業(yè)化應(yīng)用潛力。
　　(2)構(gòu)建基于鉛離子(Pb2+)依賴(lài)的脫氧核酶的水凝膠，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛離子的可視化定量檢測(cè)。鉛離子的存在導(dǎo)致水凝膠瓦解，釋放出包埋的信號(hào)納米粒子。當(dāng)包埋的信號(hào)納米粒子為在

5、520 nm有共振能量吸收，顏色鮮亮的金納米粒子時(shí)，水凝膠可以實(shí)現(xiàn)10 nM鉛離子的可視化識(shí)別。進(jìn)一步將包裹鉑包金納米粒子的水凝膠與微流控技術(shù)結(jié)合，利用氣動(dòng)芯片V-chip這一簡(jiǎn)易便攜的檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛離子精確定量的檢測(cè)，達(dá)到2.6 nM的檢測(cè)限。同時(shí)將這一體系可用于消解后的血液樣品中鉛離子的檢測(cè)，其結(jié)果與ICP-MS結(jié)果相符。
　　(3)構(gòu)建基于鈾酰離子(UO22+)依賴(lài)的脫氧核酶的水凝膠體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)鈾酰離子的可視化定量檢測(cè)。

6、鈾酰離子的存在導(dǎo)致水凝膠的瓦解，釋放出包埋的信號(hào)納米粒子。當(dāng)信號(hào)納米粒子為金納米粒子時(shí)，水凝膠可以實(shí)現(xiàn)對(duì)100 nM鈾酰離子的可視化識(shí)別。將包埋的信號(hào)分子金納米粒子替換成可以催化H2O2產(chǎn)氣的鉑金納米粒子，結(jié)合V-chip這一檢測(cè)裝置，可以得到更加準(zhǔn)確的鈾酰離子的定量檢測(cè)結(jié)果，達(dá)到37 nM的檢測(cè)限。將鈾酰離子響應(yīng)的水凝膠用于湖水為復(fù)雜基質(zhì)的檢測(cè)體系中，仍可得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。
　　(4)構(gòu)建了基于鑭系三價(jià)離子(Ln3+)依賴(lài)的脫

7、氧核酶的水凝膠體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)單一鑭系三價(jià)離子的檢測(cè)，并可用于估算混合鑭系三價(jià)離子的鑭系三價(jià)離子總濃度。鑭系三價(jià)離子的存在導(dǎo)致水凝膠的瓦解，釋放出包埋在水凝膠里的金納米粒子。該水凝膠對(duì)全部鑭系三價(jià)離子都具有響應(yīng)性，對(duì)其它離子不響應(yīng)。對(duì)Ce3+的響應(yīng)靈敏度最高，其檢測(cè)限可到20 nM，對(duì)Lu3+響應(yīng)靈敏度最低，其檢測(cè)限為60 nM。該水凝膠體系還可用在自然水體中的鑭系三價(jià)離子檢測(cè)。
　　綜上，本論文構(gòu)建了一種基于脫氧核酶自組裝的通用型D