环境中重金属离子的液晶生物传感分析技术研究

Liquid crystals (LCs) possess unique liquid-crystalline phase properties, and the long-range order inherent and optical anisotropy can transform chemical and biomolecular binding events into amplified optical signals.The liquid-crystal based biosensor has some features, such as simple structure,be easy to miniaturization and array.Recent studies have shown that the double-stranded DNA mismatch base pairs can specifically recognize the heavy metal ions.For examples, the thymine-Hg2+-thymine (T-Hg2+-T) interaction between the mismatched T-T base pairs and the cytosine-Ag+-cytosine(C-Ag+-C)interaction between the mismatched C-C base pairs.Recently,such analysis and detection of heavy metal ions has been developed rapidly in the international field. This project intends to combine the principle of specific recognition of heavy metal ions by the mismatch base pairs with the property of LC biosensor. We try to design a series of DNA recognition probe and achieve the aspiration of highly selective analysis and detection of heavy metal ions at the same time. It can also been achieved the purpose of highly sensitive analysis and detection of heavy metal ions by nanoparticles marked on the nucleic acid molecules, which can greatly disrupt the orientational arrangement of LCs. We try to develop a high-selectivity, high-sensitivity, high-throughput analytical techniques, which can analyze and detect of heavy metal ions in the complex environment, and to explore the initial practical application.

液晶分子拥有独特的液-固相性质，其长程有序性和光学各向异性能将化学和生物结合事件转换成放大的光学信号。基于液晶分子特性而发展起来的液晶生物传感器，具有构造简单、易于实现微型化、阵列化和可视化等特点，是一类极具潜力的新兴传感技术。近年研究发现，双链DNA分子的错配碱基对能特异性识别重金属离子Hg2+（T-Hg2+-T）和Ag+(C-Ag+-C),国际上有关此类分析检测重金属离子的研究近几年来也获得了飞速的发展。本项目拟结合错配碱基对特异性识别重金属离子的原理，设计出一系列DNA识别探针,研究新型液晶生物传感技术，实现同时高选择性分析检测环境中多种重金属离子；并进一步结合纳米粒子标记核酸分子，增强扰乱液晶分子取向排列效应，实现重金属离子的高灵敏分析检测。通过本项目的研究，将建立一种高选择、高灵敏、高通量的液晶生物传感分析技术，实现对环境中重金属离子以及其它小分子的分析检测，并探索其初步应用。

液晶分子的取向排列对基底上的物理、化学性质以及表面微观形貌非常敏感，液晶型生物传感器的颜色和光亮度会随着传感器界面生物识别反应发生而变化，从而实现对目标分子的检测，传感器构造简单，很容易实现传感器的微型化和阵列化，在生命科学、环境监测和食品检验等领域具有广阔的应用前景。本项目围绕环境中重金属离子的识别与检测展开研究，研究了一系列新型金属离子识别体系和液晶生物传感信号放大方法，发展了多种高灵敏的重金属离子液晶生物传感以及其它相关生物技术。.项目组主要围绕重金属离子的特异性识别、以及液晶信号增强体系和液晶生物传感器开展研究。利用T-Hg2+-T对Hg2+的识别、C-Ag+-C对Ag+的识别以及核酸酶的特异性识别等建立了Hg2+、Ag+和Pb2+等重金属离子识别体系。研究了酶催化金属沉积、滚环扩增、金纳米粒子标记等一系列信号放大体系，并在基础上发展了高灵敏液晶生物传感器。研究发现直径为10 nm的金颗粒可容纳上百条单链DNA，能显著增强对液晶分子的诱导效果，提高液晶生物传感器检测灵敏度，可检出低至0.1pM Hg2+。开展了阵列化液晶生物传感器技术研究,针对Hg2+、Ag+首次构建了“AND”和“INHIBIT”液晶核酸逻辑门,实现了对多目标分析物进行同时检测,为进一步发展新型液晶生物传感奠定了良好的基础。.知识产权成果： .项目的部分研究工作已在国际国内高水平学术期刊上发表。目前已在国际国内SCI源学术刊物上发表相关学术论文20篇，其中5篇发表在SCI收录的影响因子较高（IF>5）的杂志上；申请国家发明专利1项。.人才培养： .本项目人才培养做了大量工作，培养了毕业博士研究生4人,毕业硕士研究生9人。