基于图案化纸平台和背景信号抑制的核酸适配体生物分析新方法研究

This project work is aimed to be a contribution to the development of highly sensitive, low-cost and field-applicable aptamer-based bioassays and biosensors for multianalyte detection. Herein, the patterned paper is initially introduced as a platform to design these aptamer-based bioanalytical methods, in the combination with a new strategy of suppressing background signals via the superhydrophobic effect of lotus leaf-inspired functional surface. More specifically, the classical Chinese paper-cutting and Rubik's cube-stamp printing techniques are firstly utilized to produce two new kinds of multiplexing platforms of patterned paper. The simultaneous colorimetric and electrochemical detection of multiple model target analytes are subsequently realized on these newly prepared platforms, based on the enlargement of gold nanoparticles and proximity-dependent transduction of electroactive probes as signal amplification, respectively. More importantly, the background signals can be minimized by thoroughly repelling the aqueous solutions containing signal probes from the rough analytical surface via the DNA-hybridization-driven conversion of its wettability from superhydrophilicity to superhydrophobicity. The proposed novel technologies are expected to conquer a series of problems existing to varying degrees in the current aptamer-based bioanalytical methods, inculding relatively high intrinsic background signals, low ability of multianalyte detection, the requirement of expensive analytical instruments and low ability of field-based analysis. Thus, they may hold great potential for forwarding the practical applications of aptamer in a wide spectrum of fields, such as biomedicine (particularly the screening and early diagnosis of diseases in low income and remote regions),environmental monitoring, food safety, and so on.

本项目拟首次将图案化纸引入核酸适配体生物分析平台的设计，结合基于荷叶仿生表面的超疏水效应的背景信号抑制新策略，开展高灵敏、低成本且适于现场分析的核酸适配体多组分生化分析与生物传感新方法研究。先利用中国传统剪纸技术和魔方-印章印刷技术制备两种新型多通道图案化纸平台，进而借助金纳米颗粒增大、电活性探针邻近表面传导等信号放大技术，同时通过DNA杂交反应驱动固相分析表面从超亲水性转变至超疏水性以高效抑制背景信号的产生，实现对多样目标分析物的高灵敏同时比色或电化学检测。由此构建的核酸适配体多组分生物分析新方法，可望解决现有方法不同程度存在的背景信号难以抑制、多组分同时检测能力不足、所需仪器昂贵、不适于现场分析等问题，对于推动核酸适配体在生物医学（特别是低收入地区和偏远地区的疾病筛查及早期诊断）、环境监测、食品安全等领域的实际应用具有重要的理论价值和现实意义。

低成本便携式核酸适配体生物分析新技术对于推动此类新型分子探针在生物医学、环境监测、食品安全等领域的实际应用具有重要意义。本项目原计划利用手工剪纸和魔方印刷方案制备图案化纸平台（又称纸微流控分析装置），进而建立基于核酸适配体-目标物特异结合反应驱动纸体超亲水-超疏水润湿性改变的背景信号抑制策略，并佐以纳米金探针生长、电活性探针邻近表面传导等信号放大手段，开展核酸适配体比色和电化学多组分生物分析新平台研究。在项目的实际实施过程中，则根据出现的新问题与相关领域国际研究的最新进展，及时对部分研究计划与内容作了适当的调整。例如，针对手工剪纸法和魔方印刷法存在纸平台制备重现性较低、速度较慢、精密度较差等问题，采用激光切割/雕刻、石蜡活字印刷等作为替代性方案，开发了四种操作简单、制备快速、成本低廉且重现性与精密度良好的图案化纸装置制备新方法。其次，针对实验中发现的核酸适配体-目标物特异性亲和反应难以实现纸装置中分析区域超亲水-超疏水润湿性转换的问题，巧妙引入简单的氧化还原反应、高效的蛋白质酶或DNA模拟酶催化反应等机制，开发了一系列基于计时、计数以及显色长度量测策略的免仪器定量比色分析新技术。再次，鉴于在图案化纸平台上集成高信噪比电化学检测方法正成为该领域的研究热点之一，提出了分别基于分析物限制电解质局部扩散机制和酶标记微米粒子生物探针的两种高灵敏电化学信号转换/放大新原理。所取得的这些研究成果具有较好的创新性。由此形成的7篇较高质量的学术论文已发表在Analytical Chemistry、Chemical Communications等国际重要学术期刊。此外，申请相关的国家发明专利5项，其中已获得授权专利1项。本项目发展的图案化纸装置制备新方法、免仪器定量分析新策略与高信噪比电化学检测新原理，可望为后续开发基于纸平台的灵敏、特异、经济、便携式且具有潜在商业化应用前景的核酸适配体生物分析新技术提供有益的新思路。