基于氧化石墨烯的高灵敏度光学纳米生物传感器研究

论文摘要

本论文将新型纳米材料——水溶性氧化石墨烯（water-solublegrapheneoxide,WSGO）引入到光学生物传感器的研究中,充分利用其良好的生物相容性、高的荧光猝灭效率以及大的比表面积的优点,设计了几种具有高灵敏度、选择性和稳定性的纳米生物传感器,用来对环境中的重金属离子及生物体内重要的生物分子等物质进行检测。首先,我们利用水溶性氧化石墨烯设计了一种多功能传感平台,能够方便、快速、灵敏的检测DNA链的杂交和氧化损伤,并且也能够检测对单链DNA有特异性作用的S1核酸酶及其抑制剂。以荧光标记的单链DNA探针和氧化石墨烯组成的光学纳米生物传感器,可以同时用来检测DNA链和S1核酸酶。由于氧化石墨烯与荧光标记的单链DNA之间存在强的非共价结合力,能够有效地将荧光猝灭,使荧光处于猝灭状态。当加入互补DNA链后,双链的形成使DNA探针脱离氧化石墨烯的表面,荧光信号得以恢复。然而,当其互补链在S1核酸酶或羟基自由基（·OH）存在的条件下被切割成小的碱基片段,从而不能与探针形成双链结构,因此荧光仍然处于猝灭状态。根据荧光信号强度变化的情况,对S1核酸酶的检测限达到2.50×10-5U。此外,利用该多功能生物传感器能够对酶切和氧化损伤作用及其对应的抑制剂进行定量分析。其次,我们利用水溶性氧化石墨烯和荧光标记的对Hg2+有特异性作用的分子探针（mercury（II）-specific oligonucleotide, MSO）设计了一种高灵敏度和选择性、“turn-on”模式、简便的Hg2+传感器。该探针富含胸腺嘧啶（T）,能够形成T-Hg2+-T的茎环结构。当不存在Hg2+时,探针呈现自由卷曲状态并且荧光被有效地猝灭。然而加入Hg2+后,T-Hg2+-T结构的形成使MSO探针脱离氧化石墨烯表面,荧光信号得以恢复。通过荧光检测的方法,该传感器对Hg2+的检测限能够达到pM级（187 pM）,具有高的选择性,并且对很多非特异性金属离子的响应都非常小。磁性纳米粒子（MMPs）广泛用于对生物分子和待测物质的固定富集和分离。利用功能化的磁性纳米粒子和8-17核酸酶设计了一种新型高灵敏度Pb2+生物传感器。其中,8-17核酸酶组装在磁性纳米粒子表面作为识别组分,用来捕获目标离子。当Pb2+存在时,酶链被激活并在rA处切割底物链。此时,8-17核酸酶通过变性使底物链上标记荧光染料的部分脱离磁性纳米粒子表面。将含有荧光染料的溶液收集并检测,能够观察到非常强的荧光发射表明溶液中存在Pb2+。该生物传感器具有良好的特异性,对Pb2+的检测限达到31 nM。此外,在检测体系中加入水溶性共轭聚合物,通过聚合物与荧光染料之间有效地FRET作用有望进一步提高检测的灵敏度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 生物传感器
• 1.1.1 生物传感器的发展历程
• 1.1.2 生物传感器的分类
• 1.2 纳米生物传感器
• 1.2.1 石墨烯及其生物传感器
• 1.2.2 水溶性共轭导电高分子及其生物传感器
• 1.2.3 磁性微粒及其生物传感器
• 1.3 课题的提出及意义
• 1.4 课题的创新之处
• 第二章 基于WSGO 的酶裂解/羟基自由基的检测
• 2.1 引言
• 2.2 S1核酸酶/·OH生物传感器的作用原理
• 2.3 实验部分
• 2.3.1 实验材料
• 2.3.2 仪器与方法
• 2.3.3 实验过程
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 DNA探针及WSGO对cDNA的分析
• 2.4.2 DNA探针及WSGO对51核酸酶的分析
• 2.4.3 DNA探针及WSGO对羟基自由基（·OH）的检测
• 2.5 结论
• 2+传感器'>第三章 基于WSGO 的高灵敏度Hg²⁺传感器
• 3.1 前言
• 2+生物传感器的作用原理'>3.2 Hg²⁺生物传感器的作用原理
• 3.3 实验部分
• 3.3.1 实验材料
• 3.3.2 仪器与方法
• 3.3.3 实验过程
• 3.4 结果与讨论
• 2+'>3.4.1 MSO探针及WSGO检测Hg²⁺
• 2+生物传感器选择性分析'>3.4.2 Hg²⁺生物传感器选择性分析
• 2+生物传感器的灵敏度检测'>3.4.3 Hg²⁺生物传感器的灵敏度检测
• 2+生物传感器的可重复利用性研究与分析'>3.4.4 Hg²⁺生物传感器的可重复利用性研究与分析
• 3.5 结论
• 2+传感器'>第四章 基于磁性微粒的高灵敏度Pb²⁺传感器
• 4.1 引言
• 2+生物传感器的作用原理'>4.2 Pb²⁺生物传感器的作用原理
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 实验材料
• 4.3.2 仪器与方法
• 4.3.3 实验过程
• 4.4 结果与讨论
• 2+传感器的可行性分析'>4.4.1 Pb²⁺传感器的可行性分析
• 2+传感器检测结果分析'>4.4.2 Pb²⁺传感器检测结果分析
• 2+传感器选择性分析'>4.4.3 Pb²⁺传感器选择性分析
• 2+传感器灵敏度研究'>4.4.4 Pb²⁺传感器灵敏度研究
• 4.4.5 PF对荧光信号的放大
• 4.5 结论
• 第五章 结束语
• 附：中英文缩写对照表
• 参考文献
• 硕士研究生期间发表论文及专利情况
• 致谢