基于金纳米和核酸适配体的近红外荧光生物传感器的研究

The project aims to develop a new method for the detection of biomolecule based on combining the unique near-infrared fluorescence property of gold nanoparticles and the specific recognition of aptamer. First, thiol-nucleic acid chain 1, thiol-nucleic acid chain 2 and thiol-compound protected gold nanoparticles are designed and synthesized. The excellent near-infrared fluorescence property of gold nanoparticles is selected for the following study work. Among, thiol-nucleic acid chain 1 and thiol-nucleic acid chain 2 are designed according to complementary base pairs of the aptamer. When the aptamer is added to the solution of gold nanoparticles, the gold nanoparticles is aggregated due to the complementary base pairs of thiol-nucleic acid chain 1 and thiol-nucleic acid chain 2 and aptamer. So, the near-infrared fluorescence intensity of gold nanoparticles is quenched. However, when the target molecule is also added to the solution, the aptamer prioritizes combination with target molecule, the gold nanoparticles is depolymerized. Therefore, the method for the detection of target molecular is developed based on increasing of the near-infrared fluorescence intensity of gold nanoparticles. The different biosensors can be designed and used to detect biological molecules such as proteins, enzymes, antibodies, etc. The biosensors can eliminate the interference of coexistence of biological molecules and keep the activity of biological molecules, and so, the sensitivity and selectivity of biosensors will be improved. The biosensors are expected to play an important role in disease research, medical diagnosis, and other fields.

本项目拟将核酸适配体的特异性识别能力与金纳米粒子独特的近红外荧光性能相结合，构建检测生物分子的光学传感器。首先以巯基核酸链1、巯基核酸链2和巯基化合物为修饰剂合成金纳米粒子，优化实验条件，筛选出具有优良近红外荧光性能的金纳米粒子。其中，设计巯基核酸链1和巯基核酸链2的一端在相连时恰好与核酸适配体的碱基对形成互补。因此，当向金纳米溶液中加入核酸适配体时，其碱基对与巯基核酸链1和巯基核酸链2的碱基对配对，使金纳米粒子发生聚集，导致近红外荧光的猝灭。而当进一步向溶液中加入目标分子后，核酸适配体优先与目标分子结合，相应的互补链打开，金纳米粒子解聚，近红外荧光强度增强，从而实现对目标分子的检测。基于不同的核酸适配体可实现对各种生物分子如蛋白质、酶、抗体等的检测。该生物传感器能消除共存生物分子的干扰，保持生物分子的活性，从而提高测定的灵敏度和选择性，有望在疾病研究、医学诊断等领域发挥重要作用。

化学和生物传感器是分析科学领域的一个重要研究方向，一直以来受到研究者广泛的关注，而近些年来将纳米材料应用于化学生物传感器中，可显著提高检测的灵敏度和选择性，因而成为新一轮的研究热点。但是传统的荧光纳米材料存在生物毒性高、量子产率低和背景干扰严重等缺点，因此发展一种生物相容性好、量子产率高，背景干扰小的新型纳米材料具有重要的意义。本项目成功的制备了金纳米、Mn掺杂ZnS量子点和碳量子点三类纳米材料，采用可见-紫外、荧光和电化学方法等对它们的光电性能进行了研究，并以此为平台构建了金属离子、环境有机污染物和生物分子的分析检测体系，应用于环境水样和生物体液分析。(1)将制备的AuNPs、Mn/ZnS QDs和辣根过氧化物酶、酪氨酸酶相结合，利用酶的特异性和高效的催化性能以及金纳米粒子、Mn掺杂ZnS量子点独特的光电性能，构建辣根过氧化物酶近红外荧光生物传感器和酪氨酸酶电化学生物传感器。(2) 以ATP的核酸适配体为模型，得到它的互补链，将互补链的两端修饰上巯基并分为三段，得到巯基核酸链1和巯基核酸链2和部分互补链3。分别以巯基核酸链1，巯基核酸链2作为修饰剂，Mn作为掺杂剂，采用水热合成法制备了具有良好磷光性能的ZnS量子点。基于ATP核酸适配体和ATP对量子点磷光的猝灭、恢复效应，构建了测定生物分子ATP的“turn off/on”型室温磷光传感体系。(3) 分别以南瓜、酿酒酵母菌为碳源，制备了磷氮共掺杂、氮硫磷共掺杂的碳量子点，它们具有高的荧光量子产率、大的斯托克斯位移、好的荧光可逆性、极好的光稳定性和细胞膜穿透性以及超低的细胞毒性，可用于体外细胞和活体内成像。且磷氮共掺杂碳量子点具有pH依赖性，可作为pH荧光探针，实时监测活细胞中内pH变化。Mn(VII)和L-抗坏血酸对氮硫磷共掺杂碳量子点荧光有猝灭和恢复效应，构建了测定Mn(VII)和L-抗坏血酸的“turn off/on”型荧光传感器。(4) 利用L-半胱氨酸对金纳米荧光的猝灭作用，建立测定L-半胱氨酸的近红外荧光传感新方法。构筑了碳量子点和金纳米的共振能量转移体系，将其作为比率型荧光探针对Cu2+进行测定，并与基于5-氯水杨醛荧光素腙构建的识别Cu2+的方法相比较。