基于金属阳离子介导纳米金膜隧道电流增强机制的高灵敏核酸适配体生物传感新方法研究

This project work is aimed to be a contribution to the development of simple, rapid aptamer-based electrochemcial biosensors with high sensitivity and specificity as well as wide linear detection range. Herein, the micro?uidic paper-based analytical devices and striped nanogold film-modified gold microelectrodes are synergistically utilized as the analytical platforms. More specifically,the classical Chinese movable-type printing and laser-based paper cutting techniques are firstly applied to create two new kinds of micro?uidic paper-based analytical devices. The highly sensitive electrochemical detection of model analytes (small molecules or proteins) are subsequently realized on these newly prepared platforms based on the biorecognition of analytes by corresponding aptamers. More importantly, the analyte-aptamer molecular recognition signals could be dramaticlly amplied via the metal cation-mediated enhancement in tunnelling current across the nanogold films modified between two gold microelectrodes with the aid of functionalized gold nanoparticle probes. The proposed novel electrochemical biosensing technologies are expected to conquer a series of problems existing to varying degrees in the current aptamer-based bioanalytical methods, inculding limited detection sensitivity, narrow linear detection range, relatively complicated and time-consuming analytical procedures, and the requirement of specialized skills. 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),environmental monitoring, food safety, and so forth.

本项目拟使用纸微流控分析装置和条状纳米金膜修饰金微电极，开展高灵敏度、高特异性、宽线性检测范围、简单、快速的核酸适配体电化学生物传感新方法研究。先利用中国传统活字印刷术和激光剪纸术制备两种新型纸微流控分析装置，进而以核酸适配体与靶标的生物识别特性为基础，同时结合功能化纳米金颗粒探针技术，着重引入金属阳离子介导纳米金膜隧道电流增强的高效信号传导机制，实现对小分子或蛋白质模型分析物的高灵敏电化学检测。由此构建的核酸适配体生物传感新方法，可望解决目前现有方法不同程度存在的分析灵敏度有限、线性检测范围较窄、分析步骤繁琐费时、专业技能要求较高等一系列问题，对于推动核酸适配体在生物医学（特别是疾病筛查与早期诊断）、环境监测、食品安全等领域的实际应用具有十分重要的理论价值和现实意义。

发展基于核酸适配体的低成本高性能生物传感新技术在生物医学、环境监测、食品安全等领域具有重要的理论研究价值和实际应用前景。本项目原计划利用中国传统活字印刷术和激光剪纸术制备新型纸微流控分析装置，进而结合功能化纳米金探针，并引入金属阳离子介导纳米金膜隧道电流增强的高效信号传导机制，开展灵敏、特异、简单、快速的核酸适配体生物传感新方法研究。本项目在实施过程中基本按照预定计划进行。例如，成功开发分别基于图案化活字铁质小元件和多功能魔方印章的两种石蜡活字印刷制备纸装置新技术以及分别基于激光雕刻石蜡涂层和石蜡薄片的两种激光辅助制备纸装置新方法。此外，根据实验中出现的新问题、新发现与相关领域国际研究的最新进展，对部分研究计划与内容作了适当的调整和补充。首先，针对在纸装置中制备金微电极存在重现性较低的问题，巧妙引入血糖仪和笔式pH计作为替代性便携式电化学传感新平台。其次，鉴于发展免仪器定量分析策略正成为化学生物传感领域的研究热点之一，深入研究了基于氧化还原反应或酶催化反应介导纸体颜色改变、纸体亲水性-疏水性转换、液体粘度调控等机制的测距、计时、计数等若干种免仪器定量分析新策略，开发了一系列液相或基于纸装置的核酸适配体免仪器定量生物传感新方法。特别是，发展了具有独特免仪器定量分析优势的二维液相比色分析新理论，并应用于建立基于纳米金凝集变色的核酸适配体二维液相免仪器比色定量分析新原理。所取得的系列研究成果具有较好的创新性，所形成的13篇较高质量的学术论文已发表在Analytical Chemistry等国际化学与分析化学领域重要SCI/EI收录期刊。此外，申请国家发明专利11项，其中已获得授权2项。本项目发展的化学生物传感新原理、新策略与新方法，可望为后续开发具有潜在商业化应用前景的核酸适配体生物传感新技术提供有益的新思路。