基于納米材料增強(qiáng)信號(hào)的DNA生物傳感器研究.pdf

1、脫氧核糖核酸(DNA),是含有生物體遺傳信息的染色體主要化學(xué)成分,其結(jié)構(gòu)上的微小變化、差錯(cuò)都會(huì)有可能引起遺傳性狀的改變和各種疾病的出現(xiàn)。對(duì)DNA的研究是生命科學(xué)中相當(dāng)重要的一個(gè)研究領(lǐng)域,也是遺傳學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。DNA生物傳感器利用DNA分子間特異性互補(bǔ)配對(duì)規(guī)律實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定基因片段的快速分析,為分子生物學(xué)研究提供了全新的基因檢測(cè)技術(shù),廣泛地應(yīng)用于傳染病監(jiān)測(cè)和遺傳病早期診斷等重要領(lǐng)域。目前,DNA生物傳感器研究的主要任務(wù)之一

2、是提高傳感器的靈敏度。納米材料具有新穎的物理、化學(xué)特性,納米材料在DNA生物傳感器中的應(yīng)用可以為高靈敏度的DNA分子檢測(cè)提供了優(yōu)異條件。本論文研究的主要內(nèi)容是結(jié)合一些具有優(yōu)異特性的納米材料應(yīng)用于DNA生物傳感器中,探索納米材料在增強(qiáng)DNA雜交反應(yīng)轉(zhuǎn)換信號(hào),構(gòu)建新型DNA電信號(hào)測(cè)試器件,從而提高DNA檢測(cè)的靈敏度方面的作用。
　　第一章緒論部分對(duì)DNA生物傳感器和目前納米材料在DNA生物傳感器的研究進(jìn)展進(jìn)行了較為全面的綜述和評(píng)價(jià)。D

3、NA生物傳感器的機(jī)理是先將已知序列的探針DNA固定在固體基底,在一定條件下使其與溶液中互補(bǔ)的目標(biāo)DNA進(jìn)行雜交反應(yīng),在固體基底上形成穩(wěn)定的雙鏈DNA后,再通過(guò)換能器將DNA雜交信號(hào)轉(zhuǎn)變成可檢測(cè)的識(shí)別信號(hào),根據(jù)雜交前后識(shí)別信號(hào)的變化值來(lái)推斷出被測(cè)DNA的量。根據(jù)識(shí)別信號(hào)機(jī)制的不同,DNA生物傳感器可主要分為電化學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、壓電型和懸臂梁DNA生物傳感器。納米材料(納米顆粒、納米線(xiàn)和納米管等)具備獨(dú)特的物理、化學(xué)特性,為研制高靈敏度的

4、DNA生物傳感器提供了非常優(yōu)異的條件。
　　第二章介紹的是Au/MWCNTs納米復(fù)合物修飾電極的研制及其在電化學(xué)DNA雜交檢測(cè)中的應(yīng)用。采用簡(jiǎn)單的一步還原法制備出AuNPs均勻分散在MWCNTs管壁上的Au/MWCNTs納米復(fù)合物,并制作出其修飾的電極。比較了Au/MWCNTs修飾的、MWCNTs修飾的和無(wú)修飾物的三種玻碳電極的電化學(xué)特性。分別采用共價(jià)和非共價(jià)兩種方式將探針DNA固定在電極表面,并探討了探針DNA不同固定方式對(duì)DN

5、A檢測(cè)的影響。通過(guò)雜交前后電化學(xué)指示劑亞甲基蘭MB的差分脈沖伏安峰電流的變化實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)DNA的檢測(cè)。闡明了Au/MWCNTs納米復(fù)合物由于優(yōu)良的導(dǎo)電特性和較高的比表面積,其修飾電極增強(qiáng)電化學(xué)信號(hào),提高DNA檢測(cè)靈敏度的機(jī)制。
　　第三章介紹的是一種基于A(yíng)uNPs薄膜納米間隙的電子學(xué)DNA雜交檢測(cè)方法。在梳狀電極表面首先用硅烷化試劑APTES對(duì)二氧化硅基底進(jìn)行修飾,然后在基底上均勻鋪上一層間隙較大的AuNPs。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)“三

6、明治”雜交反應(yīng)的第一步,將修飾上DNA的AuNPs固定到微電極的表面,并與上一層的AuNPs形成納米尺寸的間隙,構(gòu)成能夠用于測(cè)量單鏈DNA和雙鏈DNA電信號(hào)的納米間隙。目標(biāo)DNA的檢測(cè)通過(guò)“三明治”雜交反應(yīng)的第二步完成的,通過(guò)雜交前后納米間隙電極的電學(xué)特性I-V曲線(xiàn)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)DNA的檢測(cè)。采用掃描電子顯微鏡和電流電壓曲線(xiàn)的表征手段,分析了AuNPs薄膜納米間隙的形成機(jī)制。與雙硫醇的方法制備的AuNPs膜納米間隙相比,“三明治”雜交

7、反應(yīng)制備的AuNPs薄膜納米間隙能夠快速和有效地檢測(cè)出目標(biāo)DNA,同時(shí)這種DNA電信號(hào)生物傳感器具有很高的靈敏度和很好的選擇性。
　　第四章介紹的是在懸臂梁DNA傳感器中,通過(guò)“三明治”雜交反應(yīng)引入AuNPs作為“質(zhì)量增強(qiáng)粒子”來(lái)放大雜交反應(yīng)信號(hào),從而提高DNA檢測(cè)靈敏度。以原子力顯微鏡的硅條形探針為懸臂梁,首先在其表面蒸鍍上一層金薄膜,目標(biāo)DNA通過(guò)“三明治”雜交反應(yīng)的第一步將結(jié)合到懸臂梁上,用于放大信號(hào)的AuNPs通過(guò)“三明治

8、”雜交反應(yīng)的第二步結(jié)合到懸臂梁上。采用了掃描電子顯微鏡和共振頻率峰表征手段對(duì)AuNPs的結(jié)合機(jī)理進(jìn)行了分析。利用結(jié)合在硅懸臂梁表面的AuNPs數(shù)量與目標(biāo)DNA的濃度相對(duì)應(yīng)的關(guān)系,通過(guò)原子力顯微鏡裝置檢測(cè)微懸臂梁在空氣中共振頻率峰的變化值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)DNA的檢測(cè)。采用AuNPs增強(qiáng)信號(hào),在保持懸臂梁DNA傳感器選擇性的同時(shí),能夠顯著提高DNA檢測(cè)靈敏度,并闡明了AuNPs增強(qiáng)懸臂梁DNA傳感器響應(yīng)信號(hào)的理論基礎(chǔ)。
　　第五章介紹的是

9、利用SnO2納米材料增強(qiáng)熒光信號(hào)的特性,并用于高靈敏的熒光DNA雜交檢測(cè)方法。利用氯金酸在硅表面原位還原生成AuNPs,結(jié)合傳統(tǒng)的光刻技術(shù),得到了分布均勻的圖案AuNPs。再采用化學(xué)氣相沉積的方法,以圖案AuNPs為催化劑,分別制備出圖案SnO2納米棒和Si納米線(xiàn)。探針DNA通過(guò)共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵結(jié)合到基質(zhì)表面,并通過(guò)熒光圖像的比較,考察了探針DNA固定方式對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。比較了SnO2納米材料和Si納米材料在DNA檢測(cè)過(guò)程中的穩(wěn)定性。