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自组装DNA的电化学

董丽琴  
【摘要】: 随着人类基因组计划的顺利实施,用于DNA检测的异相基因传感器(genosensors)(或DNA生物传感器,DNA biosensors)研究更成为生物传感器中的前沿课题及热点,基因芯片(gene chips)技术已成为21世纪迅速升起的一颗生物技术的明珠。基因传感技术研究时间还相对较短,仍有许多关键技术迄待完善和提高,其发展和完善有赖于以下几方面的技术进步: ⅰ)基体表面探针的最适宜固定及表面分析,除探索新的固定化反应和筛选新的基体材料外,探针在基体表面的吸附取向、探针密度和多点吸附等表面微观结构亟需深入研究; ⅱ)杂交效率的提高、探针与靶标分子在界面杂交过程的热力学、动力学及界面对杂交过程热力学、动力学的影响等,同时,还需建立DNA表面杂交模型,解释一系列相关热力学和动力学参数变化的规律; ⅲ)杂交信号的有效转换和检测等问题也有待深入研究,大部分DNA电化学生物传感器的应用受到电活性杂交指示剂的限制,高选择性、高灵敏度、能识别特殊序列结构,如错配碱基序列的杂交指示剂的寻找是关键,基于界面电容、电阻、光电性质变化的无标记电化学检测法需深入探索。 以上基因传感技术关键问题的研究需要多学科的参与。电化学方法,包括传统电化学方法和电化学现场谱学、显微技术等是一种简单、快速、灵敏、无放射性 厦门大学理学博士学位沦文 自组装DNA的电化学 董丽琴200211 污染的原位方法,是对电极界面上发生的分子间相互作用进行定性及定量描述的 有用工具。但是,己有的研究大都停留在宏观的水平,电化学现场谱学技术未得 到充分的运用。 本论文工作围绕如何解决以上基因传感技术中的某些关键技术问题,充分开拓 电化学研究方法如电化学非现场、现场SERS光谱,交流阻抗技术及电化学石英晶 体微天平技术等在DNA生物传感技术研究中的应用。利用修饰硫醇基团的寡聚核 昔酸探针分子(SSDNA)在金基体表面自组装实现SSDNA的固定化。以金基体上 自组装 SSDNA为研究对象,对自组装 SSDNA及其杂交双螺旋(dSDNA)的 SERS 谱随电极电位的变化规律进行研究探讨,获得了吸附取向随电极电位变化的信息, 在此基础上,尝试借助于阻抗频谱法识别寡聚核昔酸探针及其杂交双螺旋吸附取 向的变化,并利用等效电路模型分析相应的阻抗谱数据,得到吸附取向变化过程 的电极过程机理的信息。借助于石英晶体微天平(QCM)及电化学现场 SERS光 谱技术,对寡聚核苦酸探针杂交进行实时检测,并考察了施加负电位对杂交效率 的影响,运用电化学现场SERS光谱技术对探针分子与互补靶标序列杂交所引起的 DNA结构、构象变化的杂交过程动态信息进行研究。在自组装SSDNA及dSDNA 修饰电极上,尝试研究了一些电化学活性的杂交指示剂,如邻菲咯琳钻配合物离 于厂。he…‘们和硫莫(血。de)与DNA的相互作用,并对将其作为标记物的 可行性进行了讨论。对 ssDNA及 dsDNA与[Cotohen)3]‘+/3”相互作用进行电化学现 场朋贴研究,为二者相互作用机制提供分子水平的现场识别信息。本论文的主要 研究结果可归纳如下: 一、金基体上寡聚核昔酸探针的自组装及表征 1.X-光电子能谱、红外漫反射光谱法研究表明,利用修饰硫醇的寡聚核苦酸探针 在金基体上的自组装可实现寡聚核昔酸探针的固定。 二、首次采用非现场SERS光谱法研究金基体表面自组装DNA的微观表面结构 1.非现场SERS研究表明,大气环境中金基体上自组装寡聚核昔酸探针取向处于 豆豆 中文摘要 相对无序的状态,探针分子在基体表面可能以垂直、斜插及平躺等多种取向存在, 斜插和平躺取向时,探针分子可能与金基体有多个吸附位点,即探针分子存在AU七 键作用的同时,亦存在DNA碱基非键合吸附作用; 2.大气环境中,杂交形成的dsDNA在基体表面以A型、B型两种构象同时存在, 杂交过程可能伴随DNA链在基体表面吸附取向的变化。 三、首次将电化学现场SERS光谱法用于识别自组装DNA吸附取向的变化 1.根据现场SERS研究结果,ssDNA及dsDNA的大多数SERS谱带强度随电极 电位正移而降低,尤其是归属于碱基A的两种面外振动模式谱带变化更为明显; 2.利用SERS表面选择定则判断出随电极电位由负向正变化,ssDNA及dsDNA 螺旋吸附取向由垂直吸附向斜插/平躺吸附于金基体表面变化,平躺吸附取向时, sSDNA及dsDNA与金基体表面存在多个吸附位点。 四、首次运用阻抗频谱法识别88DNA及d8DNA吸附取向的变化及杂交 1.阻抗频谱法研究表明,由于电位移动导致的ssDNA及dSDNA吸附取向变化会 对其非法拉第吸附过程的电极界面阻抗产生影晌,进而影响电极界面阻抗的相应 等效电路; 2.当吸附取向有未发生变化时,选用两个不同的等效电路模型模拟相应的阻抗谱, 当自组装DNA吸附取向发生变化时,取向变化过程等效于一个电阻Rp和电容Cp 相串联的支路,该支路与原有非法拉第吸附阻抗的吸附电容相并联,且与取向有 关的电容Cp具有恒相位元件的特征,其指数因子接近于卜 3.阻抗频谱法研究进一步


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