基于DNA纳米材料/电纺纳米纤维膜的QCM-D核酸生物传感平台构建及其分析应用

The sensitive and selective detection of nucleic acids is important in clinical diagnosis, genetic analysis, environmental monitoring, and biodefense applications. In this project, we will design and fabricate a biosensing platform of quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) for real-time, on-line, and label-free detection of nucleic acids using self-assembled DNA nanomaterials as signal amplifiers. The mechanisms of recognition and self-assembled DNA facilitated signal amplification will be investigated using atomic force microscopy and gel electrophoresis, etc. To further improve sensing sensitivity and speed, electrospinning technique will be applied to prepare nanofibrous film with 3D network structure and a large surface area-to-volume ratio on the surface of QCM-D gold electrode. Based on the above research results, we will develop new analytical methods with high sensitivity and selectivity for tumors and hereditary diseases-related specific nucleotide sequences. This novel biosensing platform for nucleic acid combines high biocompatibility, good water-solubility, easy designability and predictability of DNA nanomaterials with real-time, on-line and label-free detection of QCM-D technology, which can circumvent the disadvantages of traditional analytical methods such as relative lower signal-to-noise ratio and complicated functionalization procedure. The research findings will be contribute to extend the application of DNA nanomaterials and QCM-D technology to the construction of biosensing platforms, providing a promising strategy for highly sensitive detection of the specific nucleotide sequences in biological samples.

高灵敏和高选择性的分析检测核酸在临床诊断、遗传分析、环境监测和生物反恐等诸多领域均有重要意义。本项目首次提出以DNA自组装不同结构的纳米材料作为信号放大元件，构建实时在线、免标记、高灵敏、高选择性的耗散型石英晶体微天平(QCM-D)核酸生物传感平台，研究DNA自组装纳米材料的结构与传感信号放大之间的机制及规律。以静电纺丝技术在QCM电极表面修饰具有三维网状结构的纳米纤维膜，进一步提高传感体系的传质速率及灵敏度。据此发展面向肿瘤和遗传疾病相关特定核酸序列的传感分析新方法。本项目将DNA纳米材料的高生物亲和性、高水溶性、设计简单灵活等特点，与QCM-D传感技术的实时在线、免标记等优势相结合构建新型核酸生物传感平台，克服了传统方法信噪比相对较低及标记步骤复杂等不足。本项目将拓展DNA纳米材料和QCM-D技术在生物传感研究领域中的应用，并有望实现实际样品中肿瘤和遗传疾病相关特定核酸序列的分析检测。

本项目利用DNA纳米材料/电纺纳米纤维材料独特的可设计性和表面性能，结合荧光、石英晶体微天平技术的优势，发展了设计生物传感平台的新策略，据此构建了多种类型的新型生物传感平台，并建立了一系列高灵敏度、高选择性检测与疾病相关的核酸、非核酸目标物的新方法。主要进展如下：1) 基于DNA纳米材料构建增强型石英晶体微天平(QCM)核酸生物传感平台。选择与神经管缺陷等疾病相关的突变型MTHFR C677T核酸片段为模型，构建了基于链置换反应的可再生型QCM核酸传感平台；以p53肿瘤抑制基因片段为模型，构建了目标分子引发的原位层层自组装DNA-链霉亲和素树状纳米结构作为放大元件，据此发展了QCM核酸传感平台。2) 基于电纺纳米纤维复合膜构建传感平台。发展了DNA功能化AuNPs修饰电纺纳米纤维膜的新型制备方法，并据此构建了核酸荧光传感平台；基于荧光染料嵌入的DNA树状分子发展了高荧光强度的新型信号探针，并将其与电纺纳米纤维结合，构建了用于核酸、蛋白质、癌症细胞等多种目标物的增强型荧光生物传感平台。3) 基于DNA纳米材料构建核酸/非核酸目标分子荧光传感平台。设计了一种基于DNA四链结构的Toehold沉默和激活策略用于可控链置换反应，据此构建了非核酸目标分子三磷酸腺苷、Sr2+以及H+的识别新方法；设计构建了通用型分子转译器，实现了对不同类型的非核酸目标的特异性识别及传感，并将发展的非核酸分子转译器应用于DNA分子器件的控制；基于掩蔽辅助的分子信标体系发展了高特异性通用型单核苷酸突变分析检测方法。本项目发展的多种类型的生物传感平台的构建及传感过程简单，成本低，不需要复杂的分离过程及酶反应，在医学临床诊断等领域具有潜在的应用价值。