您的位置:首页

详情

新型功能纳米界面构建及生物传感分析应用

2014-04-25

生物分析过程中,绝大多数生物识别分子组装、特异性结合反应以及传感信号的读取,全都发生于传感界面,界面的功能和性质对于检测效果起到关键作用。如何构建新型生物传感界面,促进高灵敏、高特异和高通量的生物分析方法的实现,是生命科学中一个重要的研究课题。上海市计量测试技术研究院刘刚博士课题组利用表面共组装技术、新型纳米材料制备和修饰技术、DNA分子构型设计和控制技术,系统研究并构建了一系列新型生物传感界面,成功应用于多种生物分析方法的发展。

1)课题组利用OEG(寡聚乙二醇)同DNA共组装,构建了一种新型电化学传感界面,这种界面被证明具有很好的自洁功能,有效地提高了在血清、PCR扩增产物等实际样品中检测特异性,利用这个平台实现了大肠杆菌基因组的杂交检测。之后,课题组还将这种界面组装到多通道电极芯片上去,实现了T93G突变位点的高通量、快速的单核苷酸多态性(SNP)分析。

2)课题组利用纳米材料特殊的物理化学性质以及生物兼容性,构建了全新功能化生物传感界面。课题组在碳纳米管表面组装抗体分子以及小牛血清蛋白(BSA),经离心纯化后组装到电极表面,提高了电极表面蛋白结合效率和活性,提高了检测的特异性,实现了0.01ng/mL盐酸克伦特罗的检测,较传统方法提高了至少一个数量级。针尖状纳米电极具有特殊的半球状表面形状和电化学性质,为了课题组提供了新的传感界面,课题组利用电化学刻蚀制备100nm尺度纳米针尖电极,在电极表面组装DNA探针,利用Fe(CN)63+的电化学氧化还原信号,实现杂交反应的无标记检测,相对传统大电极系统明显降低本底信号。纳米金球(AuNPs)特殊的尺寸效应和表面形状对PCR(聚合酶链式反应)具有显著的调控作用,基于此课题组研究了一种新型SNP及单倍型PCR分析方法,克服了传统PCR在通量、选择性和测序长度上的限制,在长达34 kb人类基因组片断中实现高特异性扩增,获得清晰的测序图谱,实现规模化的单倍型检测。AuNPs球形的传感表面,还能够特异性地区分柔性DNA单链和刚性DNA双链,并且具有类似葡萄糖氧化酶的催化作用,基于此课题组研究了一种新的杂交检测方法,为纳米等离子体探针在生物识别领域的应用发展了新的方向。氧化石墨烯(GO)是一种二维平面碳纳米材料,具有很好的生物分子结合以及荧光淬灭能力,中性水溶荧光共轭大分子与刀豆凝集素(ConA)结合之后,会导致荧光信号的增强,但是由于本底信号较强,检测灵敏度一直不高,然而加入GO之后,荧光分子结合到GO表面,于是绝大部分的本底噪声被淬灭,实现了0.5nM ConA的检测和大肠杆菌菌株的区分。为了实现高通量传感策略,课题组利用硅纳米线构建了一种场效应晶体管阵列,实现了两种病毒基因(H1N1H5N1)的同时检测,灵敏度达到1fM

3)近年来课题组在DNA分子控制方面取得了显著的成果,使得新型DNA分子结构应用于传感界面的构建成为可能。DNA不仅是遗传信息的载体,更是一种优良的结构模块。一开始课题组尝试利用pH敏感电极芯片,实现了溶液中的i-motif 结构DNA分子的“开关”控制,为DNA更复杂的模块的构建奠定了基础。基于DNA自组装的DNA纳米折纸术,使DNA构型从一维单分子扩展到二维平面结构,课题组利用DNA作为结构模块,成功地设计了一个长150nm、宽120nm的纳米基因芯片,成为国际上首个非对称DNA纳米结构,该芯片全部由DNA分子构成,可以方便地通过序列设计实现任意位置探针分子组装。课题组研究了表面静电作用影响,优化了AFM表征条件,以酶联亲和素(strepavidinSTV)分子作为标记分子,成功实现了芯片上检测探针的固定以及杂交检测应用。后续的实验更是证明了课题组的新型芯片完全适用于多通道DNA检测以及无标记单核苷酸多态性(SNP)检测。这是一种全新的生物检测界面,它的优点是可以脱离固相载体,在溶液中通过简单的自组装就可以形成,大大提高了芯片检测的效率,降低了检测成本。利用DNA纳米技术基础,课题组继续进行了三维DNA结构的设计和应用,课题组将检测探针连接到一个“三菱锥”形四面体DNA纳米结构上,然后再组装到传感器表面进行检测研究。这种新的传感界面,利用了DNA四面体的支撑和调控作用,克服了柔性DNA探针容易倒伏、组装密度不均的问题,实现了探针分子在表面的快速、有序和角度可控的组装。利用这种界面,结合DNA杂交探针和适体分子,课题组发展了多种新型DNA和蛋白的检测方法,结果证明很好地屏蔽了非特异性吸附,在血清中实现了100pM的杂交检测灵敏度;对于凝血酶的检测灵敏度较传统界面提高了至少三个数量级,并且实现了低至33nM可卡因的检测,较传统方法提高了超过一个数量级。

近年来,刘刚博士课题组在生物传感研究领域取得了一系列创新性成果,并努力将新型生物分析方法进行完善和推广,在食品安全、医疗诊断、公共安全等领域取得了很好的使用效果,有较高的实用推广价值。同时课题组也积极通过研究生物基体标准物质,进行生物分析结果的质量控制和量值溯源,推动生物分析技术的发展。