基于金纳米颗粒和核酸的生物传感新方法的研究

摘要

纳米材料由于具有量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等，表现出一系列独特的力学、光学、电学、磁学及催化性能，因此，在诸多领域中得到日益广泛的应用。而在众多纳米材料中，金纳米材料是各领域应用得最多的纳米材料之一。近年来，金纳米材料在生物传感方面的应用也已经成为研究的热点及焦点。当今世界，生物传感器已经普遍应用于医学诊断、临床检测、生物化工、食品工业以及环境检测等方面，金纳米材料由于其超强的吸附能力、良好的定向能力和生物兼容性，为生物传感器的研究和应用提供了新思路。
　　DNA探针作为一种生物传感工具，它能巧妙地利用生物分子的一些特殊的化学性质，如核酸的杂交、蛋白质的特异性结合、酶的生化功能、立体构象转变等，结合分子水平的信号传导机制，将相关的生命信息转变为易于检测的信号，如荧光、拉曼、化学发光、电化学信号等。DNA探针由于其特异性强、背景信号低、易于实现活细胞检测等优点，已成为生物传感研究的热点。本文利用金纳米颗粒与DNA探针，结合本小组已发展的方法和技术，发展了一系列快速、操作简单、成本低的光学及电化学分析的新方法，成功实现了对金属离子、DNA、蛋白质和肿瘤细胞的高选择性、高灵敏度的检测。其主要内容如下:
　　(1)第2章中，我们构建了一种简单、快速、免标记的基于DNA构象转换的荧光生物传感方法用于银离子高灵敏的检测。我们设计了一条银离子的特异性DNA，它是一条富含胞嘧啶C的寡核苷酸DNA，在目标物银离子存在的情况下，银离子与其特异性DNA中的胞嘧啶相互作用形成C-Ag+-C的复合结构，使得银离子特异性DNA发生构象转换形成发夹式的双链结构。当我们加入荧光染料SybrGreenⅠ，它会与双链DNA结合并产生一个增强的荧光信号。而相反，在不存在银离子的情况下，银离子的特异性DNA则不会发生构象转换，加入SybrGreenⅠ后，只能产生非常弱的荧光信号。整个的检测过程基本上都在一步完成，并且不需要任何标记，这就为银离子的检测提供了一种简单、快速、免标记的方法，同时也为重金属的检测提供了一个新的思路。
　　(2)第3章中，我们建立了一个基于等离激元耦合及表面增强拉曼散射光谱的生物传感平台用于DNA和Hg2+的检测。该方法是利用未进行修饰的金纳米颗粒来进行SERS检测:首先，单链DNA和双链DNA在金纳米颗粒表面的吸附性各不相同。单链DNA能够通过强大的静电吸附作用吸附在金纳米颗粒表面，从而保护金纳米颗粒，使其在一定盐离子的诱导下不发生团聚;但是，双链DNA则没有这一特性，在一定盐离子的诱导下不能阻止金纳米颗粒团聚的发生;其次，当单分散的金纳米颗粒发生团聚时，会产生等离激元耦合，形成许多“拉曼热点”，从而极大地增强了拉曼散射。我们将该传感平台应用于DNA和Hg2+的检测中，分别设计了一条与目标DNA互补的DNA单链和一条能与Hg2+特异性结合的DNA单链，在目标物存在下，目标物与其对应的DNA杂交或结合。当加入金纳米颗粒、拉曼报告分子和NaCl后，由于没有单链DNA的保护，金纳米颗粒发生团聚，从而导致拉曼信号增强。相反，在目标物不存在下，单链DNA通过强烈的静电吸附作用吸附在金纳米颗粒表面，阻止了盐诱导的金纳米颗粒团聚，从而产生一个弱的SERS信号。这种方法在实验中有着高达30倍的信噪比以及良好的选择性，不仅设计简单，而且在操作上相当快速、方便。通过利用寡核苷酸能选择性地结合分析物这一特性，从而延伸到检测各种分析物，例如，其他金属离子、蛋白质、小分子等。
　　(3)为了进一步证明第3章中所构建方法的普遍性，在第4章中，我们利用类似的原理发展了一种基于目标诱导的等离激元耦合的SERS方法用于牛奶中三聚氰胺的检测。我们设计了一条聚T的寡核苷酸DNA，它能通过氢键与三聚氰胺结合形成“T-三聚氰胺-T”的结构，首先，通过静电吸附作用，聚T寡核苷酸和拉曼活性染料混合吸附在金纳米颗粒的表面。聚T寡核苷酸能够保证金纳米颗粒很好的分散在反应混合溶液中，并且保护金纳米颗粒在盐离子的诱导下不发生团聚。当三聚氰胺存在时，三聚氰胺能与聚T寡核苷酸在水介质中形成三重氢键，降低了金纳米颗粒表面的负电荷，从而导致金纳米颗粒的不稳定，在加入NaCl溶液后，金纳米颗粒会发生团聚。其结果是，由于金纳米颗粒表面电磁场的显著增强，粒子间强的表面等离激元耦合引发了明显增强的拉曼信号。由于目标物诱导的粒子间的等离激元耦合以及表面增强拉曼信号增强的高效性，我们所发展的这种纳米传感器在三聚氰胺的快速检测中具有很高的灵敏性和选择性，并且在液态牛奶样品的检测中可达到8nM的检测下限。
　　(4)在第5章中，利用适配体辅助靶细胞的捕获及生物催化银沉积反应，构建了一种新颖的电化学生物传感平台用于高灵敏地检测肿瘤细胞。本章中，我们选择Ramos细胞做为目标肿瘤细胞，并且我们设计了两条不同的Ramos细胞核酸适体探针。核酸适体探针1在5'末端共价标记了巯基基团，它能与金面形成Au-S键，从而将探针1固定在金电极表面;核酸适体探针2则在5'末端标记了一个生物素，用来结合SA-ALP并在电极表面产生催化银沉积反应。首先，将巯基标记的捕获探针1固定在金电极表面，用来识别、特异性捕获目标Ramos细胞。接着，引入探针2，与电极表面的Ramos细胞进行特异性结合，并形成“核酸适体-细胞-核酸适体”复合物。由于探针2是有生物素标记的，因此，它能通过生物素和亲和素的相互作用与SA-ALP酶结合，并在电极表面发生酶催化银沉积反应。最后，采用线性扫描伏安法(LSV)检测Ag的电化学信号，从而计算出Ramos细胞的浓度。
　　该方法有很高的选择性，具有很宽的线性检测范围（10～106个Ramos细胞），最低能检测到10个Ramos细胞，并且具有相当理想的重现性。该技术平台具有优良兼容性并且符合成本效益的小型化技术，这些特性使得该方法在临床上具有应用潜力。此外，在为每种细胞选择与之特定的核酸适体后，可以实现多种细胞的多元检测。鉴于这些优点，这种新颖的电化学细胞检测方法预计将会为肿瘤细胞的检测和相关研究提供一个具有高特异性和高灵敏度的平台。
　　(5)在第6章中，我们构建了一种新型的基于金纳米颗粒和端粒酶扩增反应对信号的双重放大，并结合银沉积增强的电化学免疫检测平台用于蛋白质的检测。本章，我们选择人的IgG做为靶蛋白，并引入了Ab-AuNPs-P1纳米复合物，这是一种在金纳米颗粒上同时修饰了羊抗人IgG二抗和巯基标记的DNA探针1(P1)的复合物，其中巯基标记的P1链为端粒酶的引物链，是用来进行端粒酶扩增反应的。首先，在金电极表面自组装上半胱胺，通过戊二醛的交联将羊抗人IgG抗体固定在金电极表面，用来捕获样品溶液中人的IgG抗原。接着，与Ab-AuNPs-P1纳米复合物在电极上发生免疫夹心反应，当加入端粒酶及混合dNTP后，Ab-AuNPs-P1纳米复合物上的端粒酶引物发生端粒酶扩增反应;然后，将生物素标记的检测探针2(P2)与扩增后的重复单元进行杂交，通过生物素与亲和素的相互作用，SA-ALP酶与P2链结合。在SA-ALP酶的作用下，在电极表面发生酶催化银沉积反应。最后，采用线性扫描伏安法(LSV)检测Ag的电化学信号，从而实现对人的IgG的检测。
　　该方法检测目标IgG抗原有着高达35倍的信噪比，检测下限为0.02μg/mL。该电化学免疫传感平台经过金纳米颗粒及端粒酶扩增反应对最后电化学的信号进行了双重信号放大，只有在靶蛋白存在的条件下，才能即时检测到金属银的还原电化学信号。因此，该电化学免疫传感器为检测其他蛋白质构建了一个信号放大的平台，并能用于实际样品的检测。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 金纳米颗粒

1．1．1 金纳米颗粒的合成方法及表面修饰

1．1．2 金纳米颗粒在生物传感中的应用

1．2 DNA探针

1．2．1 DNA探针在电化学生物传感器中的应用

1．2．2 DNA探针在荧光生物传感器中的应用

1．2．3 DNA探针在比色生物传感器中的应用

1．3 本研究论文的工作内容

第2章 基于免标记的DNA构象转换对银离子进行简单、快速、高灵敏的荧光检测

2．1 前言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂和仪器

2．2．2 荧光检测银离子

2．3 结果与讨论

2．3．1 荧光检测银离子的基本原理

2．3．2 荧光检测银离子的可行性考察

2．3．3 实验条件的优化

2．3．4 传感器特异性的考察

2．3．5 荧光检测Ag+的工作曲线

2．3．6 传感器选择性的考察

2．3．7 实际水样品中银离子的检测

2．4 小结

第3章 基于等离激元耦合及表面增强拉曼散射光谱的无标记的生物传感平台用于DNA和Hg2+的检测

3．1 前言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与仪器

3．2．2 金纳米颗粒的制备

3．2．3 DNA的SERS检测

3．2．4 Hg2+的SERS检测

3．3 结果与讨论

3．3．1 SERS方法检测DNA的基本原理

3．3．2 SERS方法检测DNA的拉曼光谱及其对应的紫外吸收光谱

3．3．3 SERS方法检测DNA透射电子显微镜图(TEM)的表征

3．3．4 SERS方法检测DNA的条件优化

3．3．5 SERS方法检测DNA的工作曲线

3．3．6 错配DNA的识别

3．3．7 SERS方法检测Hg2+的基本原理

3．3．8 SERS方法检测Hg2+的现象表征

3．3．9 SERS方法检测Hg2+的工作曲线

3．3．10 SERS方法检测Hg2+传感技术选择性的考察

3．4 小结

第4章 目标诱导的等离激元耦合以及表面增强拉曼光谱用于牛奶中三聚氰胺的检测

4．1 前言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂与仪器

4．2．2 金纳米颗粒的制备

4．2．3 吸附了拉曼活性染料和聚T寡核苷酸的金纳米颗粒溶液的准备

4．2．4 SERS检测三聚氰胺

4．2．5 实际牛奶样品的检测

4．3 结果与讨论

4．3．1 SERS方法检测三聚氰胺的基本原理

4．3．2 SERS检测三聚氰胺的拉曼光谱及其对应的紫外吸收光谱

4．3．3 实验条件的优化

4．3．4 SERS方法检测三聚氰胺的工作曲线

4．3．5 选择性的考察

4．3．6 实际牛奶样品中三聚氰胺的检测

4．4 小结

第5章 基于适配体辅助目标捕获以及生物催化金属沉积的电化学生物传感平台用于高灵敏的癌细胞的检测

5．1 前言

5．2 实验部分

5．2．1 试剂和仪器

5．2．2 细胞的培养及处理

5．2．3 金电极的处理及捕获探针的固定

5．2．4 核酸适体辅助细胞捕获

5．2．5 酶催化银沉积及电化学检测

5．3 结果与讨论

5．3．1 电化学生物传感器检测Ramos细胞的基本原理

5．3．2 Ramos癌细胞检测的典型特征

5．3．3 实验条件的优化

5．3．4 癌细胞的定量分析

5．3．5 人血清样品中Ramos细胞的检测

5．4 小结

第6章 基于金纳米颗粒以及端粒酶扩增反应双重信号放大的电化学传感平台用于蛋白质的检测

6．1 前言

6．2 实验部分

6．2．1 试剂与仪器

6．2．2 金纳米颗粒的制备

6．2．3 Ab-AuNPs-P1纳米复合物的制备

6．2．4 细胞的培养及端粒酶的提取

6．2．5 金电极的处理及抗体的固定

6．2．6 金纳米颗粒辅助的免疫反应及端粒酶扩增反应

6．2．7 酶催化银沉积以及电化学检测

6．3 结果与讨论

6．3．1 电化学方法检测蛋白质的基本原理

6．3．2 传感器中双重信号放大的验证

6．3．3 电化学阻抗表征

6．3．4 实验条件的优化

6．3．5 电化学免疫传感器的性能分析

6．3．6 传感器特异性考察

6．3．7 实际样品的分析检测

6．4 小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢