核酸适配体金纳米颗粒光学局域表面等离子共振小麦内源激素检测新方法研究

A novel method for the detection of endogenous hormones in wheat based on the localized surface plasmon resonance spectroscopy of aptamer-functionalized gold nanoparticles is proposed in order to solve these problems caused by the environmental matrix in the analysis of biological samples at a low concentration when the optical surface plasmon resonance is used. The real-time, label-free detection of endogenous hormones in wheat is developed with a high sensitivity and a low limit of detection.The principle of the localized surface plasmon resonance spectroscopy of aptamer-functionalized gold nanoparticles and nanocomposites, and the characteristics of the response signals from the sample solutions including endogenous hormones will be investigated to reveal the acquisition mechanism of the response signals from the endogenous hormones in wheat at a high precision. Meantime, the inherent property of this rapid detection method of endogenous hormones in wheat based on localized surface plasmon resonance of aptamer-functionalized gold nanoparticles is studied intensively. The algorithm for the solutions of the peak wavelength corresponding to the endogenous hormones in wheat detected by using the optical localized surface plasmon resonance is studied deeply. The biomolecular recognition membrane, the signal amplification mechanism and the biomolecular interaction for the detection of the endogenous hormones in wheat are also studied to construct the endogenous hormone detection system based on the optical localized surface plasmon resonance spectroscopy. The rapid detection scheme of the endogenous hormones at a low limit of detection (less than 1ng/g) obtained from the biological optics technology is established to open a novel way for the detection of the ultramicro plant hormones.

针对构建小麦内源激素低浓度检测新技术与新方法的要求，并解决光学表面等离子共振易受环境基质的影响问题，提出基于核酸适配体金纳米颗粒光学局域表面等离子共振光谱小麦内源激素检测新方法，实现小麦内源激素实时、无标记、高灵敏度等特征的光学生物检测技术。本项目研究金纳米颗粒光学局域表面等离子共振光谱机理与内源激素的光谱响应特性，揭示高精度小麦内源激素生物光学信号快速获取机理，同时探索新颖的金纳米复合物颗粒对小麦内源激素快速测定的技术内涵。研究小麦内源激素光学局域表面等离子共振波长峰值求解算法 ，小麦内源激素生物分子识别膜和信号放大机制，小麦内源激素与分子识别膜动力学过程，构建一种光学局域表面等离子共振小麦内源激素分析检测新体系，寻求一种检测限低于1ng/g 小麦内源激素检测方案，开拓光学生物传感技术在内源激素超微量检测中的应用。

项目《核酸适配体金纳米颗粒光学局域表面等离子共振小麦内源激素检测新方法研究》 (31671581) , 2016年获得国家自然科学基金面上项目资助。项目执行期：2017年1月至2020年12月。本项目主要围绕光学局域表面等离子共振生物传感 (Localized surface plasmon resonance, LSPR)技术，研究以核酸适配体为识别单元发展一些新型高效的光学LSPR植物内源激素脱落酸 (Abscisic acid, ABA) 检测方法。历经四年研究，主要取得以下结果：第一，针对解决植物内源激素脱落酸快速检测问题，研究了光学局域表面等离子共振光谱信号获取方式，对比传统的光谱信号获取方法，设计了新颖的基于光纤光谱仪的单通道、双通道及耦合多通道定位机构的多通道LSPR生物传感器的光谱检测系统，实现了光谱信号的快速获取；第二，研究了LSPR生物传感器共振峰值波长求解算法，采用Savitzky-Golay卷积平滑法进行光谱数据预处理，消除了光谱数据中受到随机因素影响而产生的误差，然后采用多项式拟合求解LSPR生物传感器共振光谱峰值波长；第三，优化植物激素ABA 核酸适配体序列结构，降低了ABA核酸适配体的空间位阻，使其构象转变为G四聚体结构; 研究了多重光学生物检测信号放大机理，建立了特征变量与植物激素ABA分子含量之间的定量关系模型，实现了PolyA尾纳米颗粒功能化探针的植物激素ABA分子快速、高特异性和高灵敏度检测。第四，对光纤结构进行改造，在光纤表面生长金纳米颗粒并耦联植物激素ABA核酸适配体进行植物激素ABA检测；第五，探索了表面增强拉曼光谱植物激素ABA检测方法，结合金银核壳纳米颗粒构建了一种新型的表面增强拉曼生物传感器进行植物激素ABA检测。总之，我们从理论和实验上构建了基于核酸适配体金纳米颗粒光学局域表面等离子共振小麦内源激素检测新方法。本项目现已发表相关学术论文10篇，其中SCI/EI论文8篇、中文论文2篇，申请专利2项，培养研究生10名，其中博士生2名，硕士生8名，完成了预期研究目标。