基于纸芯片和聚合反应介导高效信号放大的超灵敏核酸适体生物传感新方法研究

This project work is aimed to design simple, rapid, and low-cost aptamer-based bioassays with high sensitivity and specificity by integrating microfluidic paper-based analytical devices with polymerization-based amplification. More specifically, new types of paper devices are fabricated by laser cutting and phase separation in polymer solution. Ultra-sensitive, equipment-free quantitative detection of model analytes (small molecules, proteins or circulating tumor cells) are subsequently realized on these analytical platforms with a visual distance-measuring or counting readout, by dramatically amplifying the signals of analyte-aptamer molecular recognition events via thephotoinitiated polymerization that could sensitively regulate the paper’s wettability and “open-close” the pores of nanoporous membrane, or via the enrichment of polymer products for fluorescence amplification on the functional interfaces inspired by the Namib desert beetle and lotus leaf. These proposed bioassays should be superior to most of existing aptamer-based analytical methods which either have limited detection sensitivity, or require large analytical instruments and specialized skills, suffer from relatively complicated and time-consuming analytical procedures, and are not suitable for point-of-care testing uses. 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.

本项目拟使用纸芯片和光引发聚合反应，开展超灵敏、简单、快速、免仪器的核酸适体生物分析新方法研究。利用激光切割法制备新型纸芯片，进而以核酸适体与靶标的生物识别特性为基础，同时引入测距或计数读取信号模式，着重探索发展基于光引发聚合反应灵敏调控纸的润湿性或灵敏“开-关”纳米多孔膜的孔道、利用沙漠甲虫与荷叶协同仿生功能界面富集光聚合产物以增强其荧光等机制的高效信号放大新策略，实现对小分子、蛋白质或循环肿瘤细胞等模型分析物的超灵敏可视化定量检测。由此构建的核酸适体免仪器分析新方法，可望解决现有方法不同程度存在的分析灵敏度有限、依赖大型仪器、专业技能要求高、分析过程繁琐费时、不适于即时检验应用等一系列问题，对于推动核酸适体在生物医学（尤其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重要的理论价值和现实意义。

以核酸适体为探针的生物传感方法在生物医学、环境监测、食品安全等领域具有广阔的应用潜力。本项目原计划利用激光切割等技术制备纸芯片，进而以核酸配适体-靶标生物识别为基础，结合测距等免仪器信号读取模式，探索发展基于光引发聚合反应灵敏调控纸的润湿性或灵敏“开-关”纳米多孔膜的孔道、利用仿生功能界面富集光聚合产物等机制的信号放大新策略，实现对小分子等模型分析物的可视化定量检测。本项目在实施过程中基本按照预定计划进行。例如，利用激光切割法成功制备若干种新型二维和三维纸芯片，进而用于开发数种基于测距等模式的核酸适体免仪器定量生物传感新技术。此外，根据项目执行过程中出现的新问题、新现象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。例如，实验发现，利用光引发聚合反应调控纸的润湿性或“开-关”纳米多孔膜孔道的策略与制备沙漠甲虫与荷叶协同仿生功能界面的技术均存在重复性差的问题。针对这些问题，在选择合适的模式分析物的基础上，一方面，积极寻找新的信号放大途径，例如成功发展分析物选择性介导淀粉水解实现纸的润湿性灵敏调控的新机制；另一方面，及时调整便携式分析器件的开发思路，巧妙提出基于丁达尔效应的目视定量分析新技术。所取得的研究成果具有较好的原始创新性，由此形成的13篇较高质量的学术论文已发表在Analytical Chemistry等化学与分析化学领域国际权威SCI收录期刊。此外，申请国家发明专利3项。本项目发展的免仪器定量化学与生物传感新方法，可望为后续开发具有潜在商业化应用前景的核酸适体生物分析新技术与新器件提供有益的新思路。