富勒烯功能材料的界面组装及其在乳腺癌早期诊断中的应用

The development of a detection method with high selectivity and sensitivity for cancer at its earliest stages is one of the central challenges in cancer prevention, diagnostics, and treatment. For this, in this project, photoelectrochemical bioprobes based on fullerene derivatives will be explored for applications in the bioanalysis of tumor markers (TMs) and circulating tumor cells (CTCs). Various fullerene derivatives will be designed and synthesized so as to modify the solubility, interfacial assembly and electronic band structure. Moreover, the assembly between cancer targets and different fullerene derivatives will be constructed based on covalent or non-covalent interactions. The interfacial assembly based on antigen-antibody or aptamer-CTCs markers between biomolecules and various fullerene derivatives with different electronic structures will be investigated for the synchronized sensing of various cancer targets based on photoelectrochemical strategy. The correlations between the interfacial structure/interaction and the sensing performance, and the involved mechanism as well, will be investigated. The correlation of these targets to the breast cancer will be studied, and the model for multiple markers detection will be set up to improve the diagnostic accuracy.

肿瘤早期检测高度依赖于生物检测技术的发展，迫切需要大幅提升检测灵敏度、特异性和抗干扰能力,是该领域长期面临的挑战性问题。本项目拟提出对富勒烯材料的分子设计、界面组装及其与生物分子间特异相互作用等进行调控，实现富勒烯电子能带结构的优化并与生物分子定向偶联和有序组装，利用富勒烯材料对不同波长光的响应，发展针对多种血清肿瘤标志物和外周血循环肿瘤细胞多指标联合检测的乳腺癌早期诊断新方法，探索富勒烯功能材料、识别功能生物分子和靶标间的光电信号转导机制，研究这些不同靶标分子对于乳腺癌的相关性，建立多指标联用的乳腺癌诊断模型，从而显著提高临床诊断准确性。

肿瘤早期检测高度依赖于生物检测技术的发展，迫切需要大幅提升检测灵敏度、特异.性和抗干扰能力,是该领域长期面临的挑战性问题。作为一种n型半导体，富勒烯材料（例如C60、C70等）具有分子/电子结构可精确可控，其发光为带隙发光，带隙大小可理论计算，光电转换、电荷迁移和能量转移的机理及动力学过程研究相对简单等优点。不仅如此，由于富勒烯本身就是半导体材料，在应用于光电化学传感时，可以直接作为光活性材料，而不需要像碳纳米管和石墨烯那样额外引入其它荧光分子，因而传感器件界面少、体系相对简单。因此，设计以富勒烯为主要组分的光电生物传感探针，将为实现高效灵敏光电生物传感提供一个新思路。然而，相关研究还存在诸多挑战。一方面，其动力学过程还亟需进一步提高，一方面，富勒烯材料的界面性质比较差，严重限制了其更广阔的应用，如光电传感中与目标分子间的界面、与溶剂间的界面以及与器件间的界面；另一方面，其电子传递性能还有待提高。本项目围绕这些科学问题，主要开展了以下研究工作：通过合成长烷基链功能化的富勒烯，制备富勒烯/氧化石墨烯/石墨相全碳复合材料，改善光电转换动力学过程和传感界面，提高了光电转换性能，并在此基础上发展了基于碳纳米材料的光电转换应用；通过非共价相互作用制备了富勒烯/金属有机框架材料碳纳米复合物，不仅为生物分子偶联提供了一个友好界面，而且构建了一个长程有序的电子供体-受体体系，在最大程度保留其本征电子结构的前提下，改善其与生物分子相互作用的界面，优化其电子迁移和分离效率，从而提高了光电传感性能；拓展传感新应用，研究氧化钨点制备新方法和电化学发光新性能，构建基于氧化钨纳米点的多功能纳米探针，实现对多种血清肿瘤标志物和循环肿瘤细胞的分析传感，给出了临床检测应用实例。