基于G-四链体脱氧核酶催化指示的电位型核酸适体传感技术研究

This project is to develop polymeric membrane ion-selective electrodes for potentiometric aptasensing based on the G-quadruplex/hemin DNAzyme. The G-quadruplex/hemin DNAzyme catalyzes the hydrolysis of the substrate molecules to generate indicator ions. The response characteristics and mechanism of ISEs for potentiometric detection of indicator ions will be clarified. G-quadruplexes with enhanced peroxidase activity and substrate molecules for G-quadruplex/hemin DNAzyme will be screened to obtain indicator ions for potentiometric aptasensing. Solid-state polymeric membrane ion-selective electrodes with lipophilic salt, which do not possess ion exchange properties, will be designed and are used to eliminate the interferences arising from the ion-exchange process between the sample solution and the membrane. By modulating the direction and the magnitude of the current, both positive and negative charged indicators ions can be detected via chronopotentiometry. A controlled voltage can be used to refresh the membrane for multiple consecutive measurements. In this way, a new kind of potentiometric aptasensor with different sensing modes will be designed by incorporation of a G-quadruplex into an aptamer. Their applications to typical environmental pollutants will be discussed. It is anticipated that this research will provide the analytical community with a new kind of electrochemical sensors that can be used for selective, sensitive, multiple and rapid potentiometric aptasensing.

本项目将对基于G-四链体脱氧核酶催化指示的电位型核酸适体传感技术进行系统研究，深入探讨以G-四链体脱氧核酶催化底物产生高灵敏电位信号指示离子，以聚合物膜离子选择性电极传导电位信号的检测机制。通过筛选高催化活性G-四链体脱氧核酶及其底物，获得高灵敏电位信号指示离子；构建含有亲脂性盐的惰性固体接触式离子选择性电极，消除离子交换效应对电极稳定性、灵敏度的干扰；通过优化电流方向、大小等条件，实现同一电极分别对正负电荷指示离子的计时电位分析；通过控制电极恒电位，实现电极可逆和连续检测；进一步设计G-四链体脱氧核酶链接的核酸适体，依据不同传感模式，开发出一类新型电位核酸适体传感器，探讨其在典型环境污染物电位传感分析中的应用。本项目在提高聚合物膜离子选择性电极对指示离子特异性识别，快速、高灵敏电位检测，以及单一电极在双组分分析中的应用方面具有理论和方法创新，为电位型传感器在生物传感领域中的应用做出贡献。

聚合物敏感膜离子选择性电极主要用于某单一离子的检测。近年来，核酸适配体作为识别分子的引入，有望拓展敏感膜电位传感分析的应用空间。然而，开发以离子选择性电极为通用型换能器的生物传感技术仍然存在高效电位信号指示离子难以获得、高灵敏电位检测技术缺乏的难题。.本研究通过筛选高催化活性G-四链体脱氧核酶及其底物，获得高灵敏电位信号指示离子；构建含有亲脂性盐的惰性固体接触式离子选择性电极，消除离子交换效应对电极稳定性、灵敏度的干扰；通过优化脉冲恒电流方向/大小，控制电极恒电位，实现同一电极分别对正负电荷指示离子的可逆和连续计时电位分析；发展基于G-四链体脱氧核酶催化指示的电位型核酸适配体传感技术。.项目筛选了G-四链体脱氧核酶、辣根过氧化物酶、碱性磷酸酯酶的底物，获得了高灵敏电位响应信号指示离子；制备了不含有离子交换功能的惰性固体接触式离子选择性电极，优化了电极膜组分；研究了恒电流调控指示离子进入敏感膜、恒电位更新电极的计时电位响应机制，实现了单一电极对对正负电荷指示离子的灵敏电位检测；发展了G-四链体脱氧核酶催化指示的电位型核酸适配体传感技术，实现了对抗生素、致病菌等环境污染物的高灵敏检测。计时电位检测G-四链体脱氧核酶线性范围为10-500 nM；基于G-四链体脱氧核酶催化指示的双组份电位型核酸适体传感器对卡那霉素和土霉素检出限分别为7.5 nM 和9.8 nM。.发展的计时电位传导机制，将显著提高聚合物敏感膜电位分析的灵敏度、可逆性和稳定性；所开发的G-四链体脱氧核酶催化指示的核酸适配体电位传感方法，将极大地拓宽电位分析技术的应用空间。.共发表SCI论文16篇，影响因子5.0 以上期刊论文14篇，1篇发表于《德国应用化学》杂志，4 篇发表于《美国分析化学》杂志；授权发明专利6项，申请发明专利2项；联合培养博、硕士毕业生4名；课题成员在国内外会议上做邀请/口头报告9次；研究获得2018年度烟台市自然科学一等奖、2018年度中国分析测试协会科学技术奖一等奖。