生物大分子/纳米材料可控组装及在分子识别与细胞成像中的应用研究

本项目旨在借助生物大分子与纳米材料的特殊相互作用，构建纳米材料/生物大分子功能化纳米组装基元，运用表面等离子体共振、荧光光谱、显微成像等现代测试技术，实时动态地跟踪监控纳米组装基元的组装与解组装过程，获取组装基元之间结合与解离的动态参数；结合第一性原理等分子动力学模拟方法，从实验和理论层次上揭示纳米组装体的功能结构与生物分子构象及环境因子之间的逻辑构效关系，实现自组装体组装与解组装的智能调控；基于组装与调控过程中的能量传递（表面等离子共振耦合、荧光共振能量转移等）、物质传输（分子识别与传感）等重要物理化学特性，构建高效灵敏的生物分子识别及传感平台；集合组装体的多功能性，在杂化组装体与细胞相互作用规律研究的基础上，开展组装体在细胞成像及药物运载等方面的应用研究。为新型组装基元和智能调控纳米自组装体的设计与构建提供新思路，对新型光学探针在疾病诊断与治疗领域的发展应用具有重要意义。

基于生物大分子与纳米材料相互作用构建纳米组装基元，利用生物分子或环境因子逻辑调控纳米组装基元的组装与解组装，基于聚集组装与调控过程中的能量传递（表面等离子共振耦合及荧光猝灭等）、物质传输（分子识别与传感）等重要物理化学特性，建立理论模型，构建高效灵敏的分子识别及传感平台，在此基础上进一步将纳米材料应用于细胞成像领域。围绕以上内容，本项目主要开展了以下方面的研究工作：（1）制备了具有优异光电性质的贵金属纳米材料，研究生物大分子与贵金属纳米材料相互作用机制，基于生物分子之间或生物分子与环境因子（如pH、金属离子种类、酶等）之间相互作用，实现纳米材料的组装调控及传感平台的构建并进一步应用于细胞成像中；（2）制备了具有优异荧光特性的石墨烯量子点、硼掺杂石墨烯量子点及氮掺杂石墨烯量子点，探究其表面特性，研究其与阳离子及有机小分子相互作用，进一步研究石墨烯量子点与生物大分子之间相互作用，基于石墨烯量子点组装聚集导致的荧光变化构建生物传感平台；（3）研究了半导体量子点与生物分子之间共价耦合作用，基于量子点自身组装聚集导致的荧光猝灭构建生物分子传感平台；以生物大分子为模板合成贵金属纳米簇，将纳米簇通过共价耦合组装至核壳型半导体量子点表面，以此组装体为比率荧光探针实现目标分子可视化分析；（4）构建了一系列以金属离子或DNA为输入信号，DNA构象变化导致的光电信号为输出的DNA逻辑门，在此基础上实现DNA构象的逻辑调控，实现金属离子或DNA的逻辑检测。项目已按计划完成，在本项目的资助下，在Chem. Eur. J., Chem. Commun., Langmuir, Anal. Chem., Biosens. Bioelectron., J. Phys. Chem. C等国际期刊上发表SCI论文30余篇，获授权发明专利4项，申请发明专利6项。