基于肽核酸入侵的微电极阵列高灵敏双链DNA直接测定研究

Detection of nucleic acids on nano device with electrical methods is an emerging detection technology, in which Watson-Crick base pairing rules are generally adopted to specifically identify single-strand DNA. But how to directly detect dsDNA on microelectrode array has been an unsolved scientific problem. In this project, we will develope a direct and ultra-sensitive electronic DNA biosensor based on the invasion of peptide nucleic acid (PNA) probe on interdigitated array microelectrode into target double-stranded DNA (dsDNA). For this purpose, attentions would be paid on exploring the controllable self-assembly system on the surface of interdigitated array microelectrode; investigating the interaction of PNA with dsDNA; studying the influence on nucleic acids detection and molecular diagnosis; designing new self-assembly system and technology with molecular recognition function; researching on the detection performance of the biosensor fabricated by interdigitated array microelectrode toward target nucleic acids and single nucleotide polymorphisms. This biosensor is for the highly selective, sensitive and direct detection of dsDNA molecules. It is of great significance for building new electric biosensing system based on nano biotechnology and exploring its application in highly sensitive detection of cancer and other serious diseases.

用电学方法在纳米器件上检测核酸分子是一种新兴的检测技术，通常仍采用Watson-Crick的碱基配对原则对单链DNA的特异性识别；但是如何在微电极阵列上直接检测生物样品中的双链DNA分子，依然是一个未解决的科学问题。本项目拟通过开展基于叉指阵列微电极纳米器件表面的肽核酸(PNA)探针入侵双链DNA分子的超灵敏DNA直接检测研究，致力于探讨叉指阵列微电极器件微纳界面的可控自组装体系及PNA与双链DNA (dsDNA)的相互作用，及其对核酸分子检测和分子诊断的影响；设计具有分子识别功能导向的自组装新体系和新技术，研究叉指阵列微电极器件构筑的生物传感器对于目标核酸及单核苷酸多态性的检测性能，从理论上来探索微阵列电极上直接检测生物样品的双链DNA分子的机理和方法，实现对双链DNA分子的高选择性、超灵敏直接检测。这对于建立基于纳米生物技术的新型电检测生物传感系统具有重大的意义。

本课题将通过制备硅基质的叉指阵列微电极器件，设计合适的自组装体系，探讨适宜的反应条件，通过硅烷试剂活化表面并将PNA探针分子修饰到体系中，用于目标dsDNA分子的捕获，由于PNA骨架不带电，dsDNA骨架带负电，目标DNA与探针PNA杂交后会引起微电极的电信号发生改变，从而实现对无标记dsDNA分子的直接高灵敏电检测。建立基于纳米生物技术的新型电检测生物传感系统，进而探索该系统在高灵敏检测肿瘤及其他重大疾病方面的应用。根据研究目标将分为以下三部分内容 （1）设计和制备了叉指阵列微电极器件(IDAM)，并且选择了合适的自组装体系将捕获探针肽核酸（PNA）固定到微电极表面；通过探讨反应条件，得到了均匀分布带活化基团的单分子层；对得到的分子界面进行了表征。(2)在叉指阵列微电极纳米界面上，以PNA为捕获探针，借助电化学介导的聚合信号放大策略，实现了双链DNA(dsDNA)的高灵敏、高选择性检测，同时初步开展对研究项目的扩展，实现对单链DNA(ssDNA)及多肽的高灵敏检测。(3)研究叉指阵列微电极器件构筑的生物传感器对于目标核酸及单核苷酸多态性的检测性能。以双体肽核酸（bisPNA）为固定化的捕获探针，利用bisPNA可以入侵双链DNA（dsDNA）的特性，通过电化学阻抗技术，在不需要dsDNA解旋的情况下实现了对dsDNA直接定量检测；此外，还利用PNA对dsDNA链入侵的特性，借助电化学介导的聚合信号放大策略，实现了对混合碱基dsDNA直接的高灵敏检测，并通过荧光信号放大实现了对核酸与多肽的超灵敏检测。