基于DNA功能化石墨烯复合材料高性能电化学传感界面的构建与应用

Fabrication of high-performance electrochemical sensing interface is an important content of electroanalytical chemistry, and is also one of the goals of analytical chemists has been worked on. The aims of this project are as bellow: (1) Preparation and characterization of graphene nanocomposite materials based on combining the advantages of special double helix structure,molecular recognition and good conductivity of DNA with the advantages of special structure and special property of graphene. (2) The construction of high-performance electrochemical sensing interface using the DNA functionalized nanocomposite materials and used for the direct electrochemical determination of some important biological molecules such as nucleic acid bases, biomarkers of DNA damage and the neurotransmitter. (3) The fabrication of electrochemicalbiosensors based on the immobilization of redox protease, such as glucose oxidase etc and its biosensing for enzyme-catalyzed substrate. And we also attempted to construct the electrochemical immunosensors and aptamersensors for detecting the biomarker of tumor and some proteins.(4) Studying on the interaction mechanism of DNA with graphene and revealing the effect rules of the function group and the binding site on the property of DNA functionalized graphene.This study will provide theoretical and methodological supporting for human to overcome or prevent the disease and promote the developing of electroanalytical chemistry.

高性能电化学传感界面的构建是电分析化学研究的重要内容，也一直是广大电分析化学工作者努力的目标之一。本项目研究内容包括：（1）选择具有特殊双螺旋结构和分子识别功能且导电性良好的DNA对具有特殊结构和性质的石墨烯进行功能化，制备性能优异的石墨烯纳米复合材料并加以表征；（2）将制备的DNA功能化石墨烯纳米复合材料用于构建高性能电化学传感界面，实现对一些重要生物物质如核酸碱基、DNA损伤标志物、神经递质类物质的直接电化学检测；（3）利用DNA功能化石墨烯固定葡萄糖氧化酶等氧化还原蛋白酶，制备性能优异的电化学生物传感器，用于葡萄糖等酶催化底物的生物传感测定，并尝试构建性能优异的免疫和核酸适配体电化学传感器；（4）研究DNA与石墨烯的作用机制，揭示功能化基团以及结合位点等因素对石墨烯复合材料性能的影响规律。该研究将为为人类战胜或预防重大疾病提供理论帮助与方法支持，并进一步推动电分析化学的发展。

石墨烯已经成为备受瞩目的国际前沿和研究热点，而脱氧核糖核酸（DNA）由于其良好的生物相容性、可再生性以及其特殊的双螺旋结构，已经成为现代科技中一个颇具吸引力的生物大分子功能材料。针对石墨烯制备和应用中存在的问题，我们对DNA、PDDA等功能化石墨烯或氧化石墨烯进行了系统的研究，构筑了生物友好且具有高性能的电化学传感界面，将其应用于电化学传感器和生物电化学传感器制备，建立了DNA氧化损伤产物8-羟基脱氧鸟嘌呤核苷（8-OH-dG）以及多巴胺、抗坏血酸、尿酸等小分子的快速灵敏检测方法；基于8-OH-dG存在时8-OH-dG-aptamer（APT）构象的变化制备了多种无标记测定8-OH-dG的电化学传感器，基于非线性杂交链反应特异性引发的DNA分子链支生长（HCR），建立了一个DNA的高灵敏检测平台，基于杂交链式反应(HCR)信号放大研制了一种高灵敏度、高选择性的8-OH-dG传感器。我们还合成制备了性能优异的石墨烯量子点并进行功能化，将其作为发光标记物或共反应剂制备了多种肿瘤标志物癌坯抗原CEA的电化学发光检测新方法；基于纳米磁球/包裹蔗糖转化酶的脂质体探针构筑了血糖仪（PGM）便携灵敏快速定量检测 DNA 甲基酶活性的新方法，还发展了基于挂锁指数滚环扩增的脂质体编码磁珠用于灵敏和便携检测miRNA的新方法等；这些研究将为人类战胜或预防疾病提供理论支撑和方法支持，为助推功能化石墨烯在纳米生物器件中的应用打下基础。