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新型DNA电化学生物传感器的研制及纳米材料在其中的应用研究

蔡宏  
【摘要】: 随着基因的结构与功能的研究不断深入,特别是人类基因组计划(HGP)的发展,基因的分离及分析检测在卫生防疫、医学诊断、药物研究、环境科学及生物工程等领域发挥着越来越重要的作用。许多新的生物技术的开发,为发展高灵敏度、高特异性的生物分析检测方法注入了活力,其中利用DNA分子间的特异性互补配对规律发展起来的各种DNA生物传感技术,引起了国内外生物分析工作者的广泛关注。DNA电化学生物传感器是一门新兴的,涉及生物化学、电化学、医学及电子学等领域的交叉学科,它提供了一种全新的DNA(基因)检测技术,具有简单、可靠、价廉、灵敏和选择性好等优点,并且与目前的DNA生物芯片技术兼容,在分子生物学和生物医学工程领域具有很大的实际意义和应用价值。与传统的同位素标记基因检测技术方法相比,它具有快速、准确、操作简便、无污染的特点,并且与其他DNA生物传感器一样,不仅具有分子识别功能,而且还有无可比拟的分离纯化基因的功能,在疾病基因诊断、抗癌药物的筛选、环境监测、法医鉴定及食品卫生检验等方面显示了广阔的应用前景,已成为当今生物学、医学领域的前沿性课题。 纳米材料被认为是跨世纪材料研究领域的热点,有“21世纪最有前途的材料”之美誉。当物质的结构单元进入纳米量级(1~100 nm)时,其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应,因而展现出许多特有的性质,在催化、光吸收、生物医药、磁介质及新材料等方面得到了广泛的应用。纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、催化效率高、吸附能力强等这些优异性质,为生物医学研究提供了新的研究途径。 本论文的主要创新之处就是将纳米技术、核酸分子杂交技术与电化学分析技术相结合,研制具有高灵敏度高选择性的基于纳米材料修饰的新型DNA 摘要新型DNA电化学生物传感器的研制及纳米材料在其中的应用研究 电化学生物传感器,成功地应用于对特定序列DNA片断的选择性测定和对 DNA链中的碱基尤其是单个碱基突变的快速、灵敏和准确的识别,为基因的 快速分析测定提供了一种简便、快捷、廉价的检测装置。基于纳米微粒标记 DNA探针和直接利用电信号来进行DNA杂交检测的传感器,容易实现仪器 化。这种袖珍式、电池驱动、价格低廉的DNA检测器必将给诊断行业带来巨 大的利益。特别值得一提的是:电化学检测有望成为基因芯片新的检测系统, 从而彻底地改变传统的DNA芯片主要以荧光为检测信号,测定受样品浊度影 响以及仪器设备价格昂贵、检测系统庞杂,不利于便携的缺点,电化学检测 DNA杂交的发展为芯片的显微集成化提供了可能,可大大降低检测成本,使 DNA芯片技术能够得到更加广泛、有效的应用。 论文分为四部分: 第一部分:绪论 首先系统介绍了DNA生物传感器的基本结构及其分类,介绍DNA压电 和DNA光学生物传感器的工作原理和特点。着重介绍了DNA电化学生物传 感器的研究进展,叙述了DNA的各种电分析化学方法,以及DNA电化学传 感器的设计(包括DNA片段的固定方法以及杂交信号的转化两方面)、在基 因检测方面的应用和今后的发展趋势。随后介绍了基于纳米微粒增强的DNA 生物传感器和DNA芯片技术。由于DNA生物传感器和DNA芯片的使用还 处在一个早期阶段,这种方式(装置)预计将对今后的DNA(基因)诊断产 生巨大的影响。 第二部分到第四部分主要阐述作者在新型DNA电化学传感器研制方面 开展的研究工作。 第二部分:基于金属纳米微粒标记的新型DNA电化学探针的研究 DNA电化学传感器由一个支持DNA片段的电极和检测用的DNA探针 (或嵌入剂)构成。其原理是基于固定在电极上的寡聚核昔酸与溶液中互补 核酸杂交后,能够引起电极上电化学参数的变化。目前报道较多的DNA电化 2 摘要新型DNA电化学生物传感器的研制及纳米材料在其中的应用研究 学传感器一种是采用嵌入方式的杂交指示剂(一般为金属络合物或抗癌药物, 这类物质由于本身具有毒性且易对电极产生非特异性吸附而造成干扰,影响 测定选择性);一种是将具有电化学活性的小分子如二茂铁和氢醒等物质标记 在单链DNA的一端,制备成DNA电化学探针进行杂交检测(这类DNA探 针由于每条DNA链的末端仅含一个电活性分子,其检测的灵敏度有待提高)a 为了解决以上问题,我们研制了一系列基于金属纳米团簇标记的DNA电化学 探针。将电化学活性良好的纳米金、银以及壳一核型合金纳米微粒,分别标记 在疏基修饰的寡聚核昔酸片段上,制备成金属纳米微粒标记DNA电化学探 针,通过与固定在电极表面的互补靶DNA杂交后,检测探针上标记物的电化 学信号来识别和测定靶序列。与以往的DNA小分子标记物相比,金属纳米团 簇中所含的大量原子为该DNA电化学传感器检测灵敏度的提高提供了坚实 的基础。 第一章基于纳米金胶标记DNA探针的电化学DNA传感器研究 我们以纳米金胶作为标记物,将其标记于人工合成的5’端琉基修饰的寡 聚核昔酸片段上,制备成具有电化学活性的金胶标记DNA电化学探


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