基于功能化微纳流控芯片系统的生物分子识别研究

This project will focuse on the study of interactions between biomolecules. To realize this aim, a novel concept based on functional micro/nanofluidic system will be developed, which combines the excellent preconcentration ability of nanofluidics and the high selectivity of aptamer. In this sutdy, the functional micro/nanofluidic system for protein recognition is first constructed by introducing nanostructures. Then, homegeneous and heterogeneous biomoelcuar recognition systems will be designed to realize various functions including rapid protein concentration, molecular recognition, efficient separation, and sensitive detection on micro/nanofluidic chips in miniaturized and continuous manner and understand the protein recognition kinetics in heterogeneous and homogeneous reaction systems. Finally, the influenece of probes immobilization, channels size, surface properties, electric field intensity, sample concentration time, and solution constitution on the protein recognition reactions will be investigated systematically. On the basis of the above researches, a novel bioanalytical systems based on micro/nanofluidics with high sensitivity is constructed. We believe that progresses achieved in this project will help us to understand the fundamentals of biomoelcular recognition reactions and promote the developement of micro/nanofludic systems.

本项目拟以生物分子识别研究为基点，结合纳流控的高效富集能力与适配体探针的高选择性优点，创建基于功能化微纳流控芯片系统的生物分子识别新方法。根据拟定的研究目标，本项目将纳米结构单元引入微流控系统，构建功能化微纳流控芯片系统，以适配体与蛋白质相互作用为研究对象，利用微纳流控系统独特的物质传输性质，分别构建异相和均相生物分子识别反应体系，实现连续、微型化方式对蛋白质样品进行快速富集、识别、分离与检测，揭示不同反应体系下蛋白质识别反应动力学，并系统研究探针的组装方式、通道尺寸、表面性质、外加电场强度、样品富集时间、溶液组成等因素对蛋白质识别的影响，创建基于功能化微纳流控芯片系统的高灵敏生物分析新方法。研究成果将对认知生命体系中的生物分子识别过程提供理论依据，同时为微纳流控芯片系统在生物分析中的应用起到重要的推动作用。

微流控技术作为一门新兴学科，由于其独特的尺寸效应，具有显著的微纳米限域空间结构，以及比表面积大、样品消耗量少、易散热、易于实现高通量合成与筛选等优点，在生物分析领域被广泛使用。但微流控系统在用于生物分析时也存在一些缺点，如微米通道内的流体由于较小的雷诺常数而呈现层流状态，样品混合只能通过扩散进行，混合速度较慢。此外，分析物数量较少使检测灵敏度不高，难以实现对超低浓度样品的定量检测。为此，将纳米结构单元引入微流控系统，构筑微纳流控芯片系统，可以兼备微流控系统的固有优势，又凸显纳米通道的特殊性质，拓展了芯片系统的功能性，有效的解决微流控系统所面临的问题，可更好的用来进行生物和化学分析。在微纳流控芯片系统中，所引入的纳米结构单元包括多孔纳米材料、阵列纳米孔膜和单纳米通道。纳米结构单元中纳米通道所具有的电荷效应和尺寸效应，使微纳流控芯片系统具有许多独特的性质和物质传输行为，可实现对生物分子的快速混 合、高效富集和分子开关效应等操作。.本项目以生物分子识别研究为基点，结合纳流控的高效富集能力，创建基于功能化微纳流控芯片系统的生物分子识别新方法。根据拟定的研究目标，本项目将纳米结构单元引入微流控系统，构建功能化微纳流控芯片系统，分别进行了微纳米限域空间中自由酶反应动力学研究，微纳流控芯片上裂解酶活性研究及蛋白质裂解动力学研究，微量蛋白质含量的高效、灵敏、快速测定等方面的研究。研究结果表面，项目所构建的微纳流控芯片系统能够快速高效的进行生物分子识别研究，以及在此基础上的生物分子活性及含量检测。研究成果将对认知生命体系中的生物分子识别过程提供理论依据，同时为微纳流控芯片系统在生物分析中的应用起到重要的推动作用。