石墨烯量子点-核酸适体纳米生物界面构建与生物传感研究

Ultrasensitive and highly selective quantitative detection of human critical disease-specific proteins, pathogenic genes and bioactive small molecules have great significance in the prevention and diagnosis of diseases. The nanotechnology can effectively improve the sensitivity, stability and selectivity of the biosensor. Graphene quantum dots, which was used in the area of bio-sensing, provides a novel method for the design of bio-sensing system for its great properties of photochemical, electrochemical and biocompatible, which solved the problems of other carbon nanomaterials such as poor solubility in water and hard to disperse, and overcomed the disadvantage of inorganic quantum dots, such as poor biocompatibility and high poisonousness. In this project, graphene quantum dots-aptamer nano bio-sensing interface was constructed based on the inherent interaction of graphene quantum dots and aptamer and the high specificity of aptamer for recognition of the targets. The interaction mechanism between graphene quantum dots, aptamer and the targets are explored and the effects of the allocation of forces between them on the performance of biosensor are also researched. Excellent performanced electrochemical, electrogenerated chemiluminescent, fluorescent biosensors were successfully constructed for establishing ultrasensitive and high selectivity analytical methods to detect tumor markers, pathogenic genes and bioactive small molecules in a complex sample matrix, such as serum, and this will provide experimental and theoretical basis for early diagnosis, therapy of cancer and other critical diseases, and for the development and screening of medicines.

人类重大疾病特异性蛋白质、致病基因和生物活性小分子的超灵敏、高选择性定量检测对疾病的预防和诊断具有十分重要的意义。纳米技术能有效地提高生物传感器的灵敏度、稳定性和选择性。石墨烯量子点具有优良的光、电化学性质和生物相容性，将其用于生物传感领域，既解决了其它碳纳米材料水溶性差、分散难的问题，又克服了无机量子点生物相容性差和毒性高等缺点，为生物传感体系的设计提供了新思路。本项目拟利用石墨烯量子点与核酸适体特有的相互作用，结合核酸适体对目标物识别的高特异性，构建石墨烯量子点-核酸适体纳米生物传感界面，研究石墨烯量子点、核酸适体与待测物之间相互作用机理及相互作用的调配对传感器性能的影响，制备性能优良的电化学、电致化学发光和荧光生物传感器，建立血清等复杂基质中肿瘤标志物、致病基因和生物活性小分子的超灵敏、高选择性分析方法，为癌症等重大疾病的早期诊断及治疗、药物的研制和筛选提供理论和实践依据。

人类重大疾病特异性蛋白质、致病基因和生物活性小分子的超灵敏、高选择性定量检测对疾病的预防和诊断具有十分重要的意义。本项目按照项目计划书中的年度研究计划和预定的研究内容，通过对石墨烯量子点的制备与功能化和对核酸适体的标记与修饰，利用石墨烯量子点与核酸适体特有的相互作用（π-π堆积，静电相互作用等），构建基于石墨烯量子点-核酸适体的纳米生物传感界面。该生物传感界面既能发挥石墨烯量子点高比表面积、高电子传输能力、优良的生物相容性和发光性能等优势，又能利用核酸适体对目标物识别的高特异性和高亲和性，以及两者能在水溶液等均相介质中自主形成复合物从而易于传感界面的构建，并引入双信号分子标记、核酸工具酶辅助目标循环和杂交链增长等信号放大策略，制备了系列性能优良的电化学和荧光生物传感器，发展了用于肿瘤标志物、致病基因和生物活性小分子的高灵敏、高选择性、快速、廉价的生物传感新技术。研究了石墨烯量子点与核酸适体、石墨烯量子点-核酸适体复合物与待测物之间相互作用机理及三者之间的作用力的调配对传感器性能的影响，建立了血清等复杂基质中肿瘤标志物、致病基因和生物活性小分子的分离、富集与检测的通用性电化学、荧光分析新方法。该项目的顺利开展，为艾滋病、癌症等重大疾病的早期诊断及治疗、药物的研制和筛选提供了实验数据和理论依据。同时，本项目也为高层次人才培养和队伍建设提供了良好的平台：5名研究生和多名本科生参与了本课题的科研工作，他们得到了较好的科研训练，科研能力和素质均得到了较大的提高；项目组成员中晋升副教授1人、高级实验师1人，培养了一支能在化学、材料与生物医学等交叉学科开展创新研究的教师队伍。项目执行期内发表已标注该项目资助的SCI学术论文16篇（其中影响因子大于20的1篇，影响因子大于7的9篇；按2016中科院期刊分区，一区论文11篇，二区论文3篇，三区论文2篇），较好地完成了项目计划书中原定的研究计划和研究任务。