新型高灵敏免修饰液晶型DNA生物传感器及其应用

摘要

DNA目标物的相关检测因在众多领域中的应用需求，近年来得到了越来越强烈的重视。传统的DNA检测方法虽可以实现相关目标物有效准确的检测，但需要昂贵且笨重的专业仪器支持，相关技术操作复杂繁琐且必需配备专业人员，不便用于实时检测或野外检测。DNA生物传感器是新兴发展的一种分子检测技术，主要基于DNA分子探针和目标DNA间的碱基互补配对，来实现对待测核酸的检测分析。DNA生物传感器特异性好、检测快速、可操作性强、方便等优点而迅速发展。目前研究应用中主要有光学DNA生物传感器、质量型DNA生物传感器和电化学DNA生物传感器，但这几类传感器都存在一定的缺陷。例如，石英晶体微天平DNA生物传感器难以排除气象环境中水气吸附对检测灵敏度产生的影响。基于荧光的DNA矩阵芯片探针的荧光标记复杂且较昂贵，且会影响探针杂交效率，从而影响检测性能，荧光标记还存在光致漂白和荧光猝灭问题。液晶是一种特殊的物质形态，具有着液体的流动性以及晶体的形状各向异性、光学各向异性和介电各向异性等特殊性质。液晶在生物传感器中的应用也是近期的研究热点，其在生物传感器中扮演着信号放大器及换能器的角色，无需复杂仪器辅助即可实现对目标检测物的灵敏检测，甚至可以不需要电能。基于液晶的生物传感器已有被用于蛋白质、抗原-抗体、核酸和细菌病毒等物质的分析。根据文献报告，目前大多数液晶型DNA生物传感器在制作时为实现探针DNA的固定，需要分别对DNA分子和基底进行联接基团的修饰，探针通过基团间的特异性识别结合固定于基底。尽管包含本小组研究以内的前期研究证明DNA的这种修饰固定是用于构建液晶生物传感器的有效方式，但依然存在着难以精确控制表面固定探针的取向、构型和密度的问题。这些问题进而会影响传感器的可重建性、液晶的背景响应和探针的杂交能力——也即传感器的响应能力。 为解决这一问题，本小组在已有的液晶型DNA生物传感技术基础上结合A.Opdhl小组提出的利用多聚腺嘌呤（poly A）与金间亲和性吸附的新型DNA固定方法，提出并构建了新型的免修饰液晶型DNA生物传感器。由于DNA4种碱基中腺嘌呤（A）对金有着最强的亲和力，当探针DNA的末端序列为poly A时，poly A上每个A与其他碱基竞争金上的吸附位点，扮演着DNA探针的有效锚定“基团”，多点吸附固定DNA。成熟的PCR技术使得末端带有poly A的DNA合成方便且低价。通过该方法固定的DNA无需进行额外修饰。简单改变DNA末端poly A片段的长度就能精确有效的调节DNA探针的固定密度及构型，且当其他参数适当，探针将以“L”型的构型排列于金表面，其中末端poly A部分会平躺吸附于金表面，DNA的其他部分将在基底表面静电及聚电解质效应下垂直于基底以“刷子状”排列，这一结构有利于探针进行杂交反应，同时能诱导液晶分子垂直于基底排列。该新型免修饰液晶型DNA生物传感器主要由DMOAP自组装硅烷化基底、固定有DNA探针的基底和介于两基底中间的液晶三部分组成。硅烷化基底上的DMOAP自组装膜能允许液晶分子的垂直嵌入，进而控制基底附近液晶分子始终保持垂直于基底排列。液晶盒中的液晶分别与两个基底接触，整体取向受两个基底共同影响。单链探针DNA能充当液晶分子的取向剂，诱导液晶垂直于传感基底排列，无需引入诱导分子，此时液晶分子在两基底的共同作用下垂直排列，透过液晶层的光平行于液晶光轴传播，不产生双折射现象，产生黑色的背景信号。当传感基底DNA探针捕获目标DNA形成双链时，传感基底的表面形貌发生极大改变，基底表面液晶分子取向从垂直改变为倾斜或平行取向。局部区域液晶分子取向变化在液晶分子间力的作用下传递放大到整个液晶层，引起其有效双折射率的变化，最终转变为可通过偏振片肉眼观察到的光学信号，实现对目标DNA链的检测。为优化传感器性能，本研究对相关制备方式或参数进行了深入探讨及优化，随后将其应用于DNA目标物的检测，检测下限低至0.1nM，特异性良好。随后，本研究引入纳米金作为信号放大剂，实现检测信号的进一步放大。当待测液中存在目标DNA，信号探针-纳米金能特异性结合于传感基底引起其表面结构显著变化，引起液晶层取向变化，产生光学响应实现检测。纳米金信号放大下的的传感器检测下限低至0.1pM，且具有良好的特异性，无需复杂仪器辅助条件即能实现对微量DNA目标物的直观、高灵敏检测。

目录

声明

英汉缩略语名词对照

第一章 绪论

1 研究背景

2 本研究的主要内容及意义

3 文章结构

第二章 免标记液晶型DNA生物传感器及其参数和制备方法的优化

1 前言

2 实验部分

3 结果与讨论

4 结论

第三章 免标记DNA液晶传感器用于核酸分析检测

1 前言

2 实验部分

3 结果与讨论

4 结论

第四章 免标记DNA液晶传感器在纳米金信号放大下的核酸分析应用

1 前言

2 实验部分

3 结果与讨论

4 结论

全文总结及展望

参考文献

文献综述:液晶型DNA生物传感器及探针固定方法研究进展

攻读硕士学位期间发表的学术论文