核酸及小分子物質的液晶生物傳感檢測方法研究.pdf

1、液晶(LiquidCrystal,LC)是介于固體和液體之間的一種特殊物質形態(tài),由于具有獨特的物理化學特性,近年來被作為敏感元件構建液晶生物傳感器。液晶生物傳感器的檢測原理是建立在液晶具有雙折射特性基礎上,根據(jù)傳感界面接觸目標物前后,液晶分子在基底表面的取向排列發(fā)生變化,改變對光線的折射能力,導致光學圖像信號的顏色和亮度發(fā)生變化,實現(xiàn)對目標分子的檢測。相對于其它類型的檢測技術,該傳感器具有構造簡單,低耗,易于實現(xiàn)微型化和陣列化等優(yōu)點。目

2、前液晶生物傳感器主要用于分析監(jiān)測蛋白質、大分子抗原-抗體、核酸等生物分子的相互作用,在小分子物質及金屬離子的檢測領域研究甚少。此外,已報道的液晶生物傳感器靈敏度普遍偏低,難以滿足現(xiàn)代分析檢測的要求,因此擴展液晶生物傳感器的應用領域,研發(fā)更靈敏、準確的新型液晶生物傳感檢測技術已成為新的研究方向。建立高性能液晶生物傳感器的關鍵問題主要在于:構建良好的傳感基底敏感膜,建立對目標分子的有效識別措施以及對識別事件的靈敏信號轉換和信號增強。本文圍繞

3、這些問題,在提高液晶生物傳感檢測方法靈敏度和實現(xiàn)液晶生物傳感對小分子物質靈敏檢測等方面進行了初步探討,主要研究內容如下:
　　(1)基于AuNPs具有比表面積大、生物相容性好及表面負載量高的優(yōu)良性能,將功能化的AuNPs作為信號放大手段與液晶生物傳感技術相結合,提出了一種基于納米金信號增強的高靈敏DNA液晶生物傳感檢測方法。首先采用N,N-二甲基-N-十八烷基-3-氨丙基三甲氧基甲硅烷基氯化銨(DMOAP)和3-氨丙基三甲氧基硅烷

4、(APS)兩種硅烷化試劑混合組裝基底表面,提供無干擾背景和便于固定生物分子的敏感膜,然后在其表面固定捕獲探針,當目標DNA分子存在時,一端可與捕獲探針進行雜交,另一端則與納米金標記的信號探針(DNA-AuNPs)雜交,將DNA-AuNPs結合于傳感基底表面。由于納米金表面可以固定大量信號探針,因此DNA-AuNPs的引入顯著改變基底表面形貌,增強對液晶分子取向排列的影響,從而增強檢測信號,提高靈敏度。該方法簡單、靈敏、準確,可獲得0.1

5、pM的檢出限。
　　(2)以K-ras基因第12位密碼子點突變(GGT突變?yōu)镚TT)為模型,建立了基于滾環(huán)擴增信號放大的液晶生物傳感方法檢測單核苷酸多態(tài)性(SNP)。首先采用三乙氧基丁醛硅烷(TEA)和DMOAP混合修飾傳感基底表面構建敏感膜,然后在其表面組裝捕獲探針,通過雜交反應將滾環(huán)擴增產物結合于傳感基底表面。當目標物存在時,滾環(huán)擴增產物為一條長度可達幾萬個堿基,且具有大量重復序列的單鏈DNA,結合于傳感基底表面能顯著改變基底

6、的表面形貌,擾亂液晶分子的有序排列,進而產生明顯可辨的圖像變化,達到檢測目標物的目的。
　　(3)由于低濃度的重金屬離子對液晶的作用力非常弱,不足以擾亂液晶分子的垂直排列,因此研究檢測重金屬離子的液晶生物傳感方法非常少。為了拓展液晶生物傳感檢測技術在重金屬離子領域的應用,本章以汞離子為代表建立了一種靈敏度高,特異性好的非標記液晶生物傳感方法檢測重金屬離子。該方法基于雙鏈DNA能有效擾亂液晶分子的有序排列,及功能核酸對金屬離子的高親

7、和力和高度特異性的結合原理,采用目標物誘導核酸分子構象發(fā)生變化增強對液晶分子有序排列的擾亂,達到信號放大的目的。當Hg2+存在時,基于“T-Hg2+-T”特異性結合作用,促使Hg2+特異核酸探針的發(fā)夾結構打開,打開的發(fā)夾型探針3′末端可與基底的捕獲探針進行雜交反應,從而將雙鏈結構的DNA引入傳感基底表面,雙鏈DNA能夠顯著擾亂液晶分子的有序排列,導致信號增強。該方法將對重金屬離子的檢測轉換成對DNA分子雜交反應事件的檢測,大大提高了對重

8、金屬離子的檢測靈敏度,檢出限可達0.1nM。
　　(4)構建了基于裂開型核酸適體的非標記液晶生物傳感方法檢測三磷酸腺苷(ATP)。將ATP核酸適體分為兩部分,其中一部分序列作為捕獲探針固定在經(jīng)TEA/DMOAP混合修飾的傳感基底表面,當ATP存在時,裂開的兩部分核酸適體在ATP的介導下形成雙鏈結構,進而有效誘導液晶分子排列取向發(fā)生變化,引起光學信號的亮度及顏色發(fā)生變化,實現(xiàn)對ATP的檢測,該方法在ATP的濃度為10nM時仍可觀測到

9、明顯的光學信號變化。這種基于“適配體-目標分子-適配體”的“三明治”夾心式液晶生物傳感方法具有無需標記,操作簡單等特點,為建立小分子液晶生物傳感檢測方法提供了新思路。
　　(5)根據(jù)競爭免疫反應的原理,以吲哚乙酸(IAA)小分子抗原為模型,研究了一種非標記、快速檢測小分子抗原的新型液晶免疫傳感方法。由于IAA為小分子抗原,分子尺寸效應小,對液晶分子作用力也非常小,因此對液晶分子的排列取向影響極小,而其抗體分子屬于蛋白質類物質,分子