基于多孔有机框架材料的光电化学传感器的构建及单核苷酸多态性检测应用研究

The development of biosensors for single nucleotide polymorphisms (SNP) direct detection in the complex physiological samples is the challenges of today's scientific research, since SNP are associated with many diseases such as various cardiovascular diseases, diabetes, AIDS, neuropsychiatric disorders, thalassemia and cancer. This project aims to construct a series of photoelectrochemical biosensor (PEC) with high sensitivity, good selectivity and good stability for the detection of SNP by taking advantage of large surface area, enhanced photoelectrochemical response, high conductivity, uniform mesopores, and high stability of porous organic frame material (POF) as well as the reduced background signals of PEC which resulted from the complete separation of excitation source (light) and detection signal (current). We prepare new types of POF with specific functions to improve the photo-to-current efficiency, investigate the different morphologies and sizes on the effect of the photoelectric properties, and then study the photoelectric response mechanism. The use of dual-signal ratio biosensors to eliminate the effects of environmental and human factors, and signal amplification is used to increase the sensitivity of the system, enabling ultra-high sensitivity monitoring of multiple SNP in complex matrices. The research could provide a new detection platform for the detection of SNP, especially for human genome-related diseases.

开发可直接用于复杂生理样品中单核苷酸多态性（SNP）的监测是科学研究的热点和挑战，SNP与各种心血管病、糖尿病、艾滋病、神经精神病、地中海贫血及癌症等许多疾病相关。本项目拟利用多孔有机框架具有比表面积大、独特的光电响应增强效应、导电性高、介孔均匀、易于功能修饰、结构规整和稳定性强等优点，结合光电化学激发源（光）和检测信号（电流）完全分离背景信号较低的优良性能，构建一系列灵敏度高、特异性好和稳定性高的光电化学生物传感器用于SNP的监测。制备新型的具有特定功能的多孔有机框架，研究不同形貌与尺度的材料对光电响应的影响，解决光电化学光电转换效率不高等问题，并研究其光电响应机理。利用双信号比率型传感消除环境与人为因素的影响，利用信号放大的策略提高体系灵敏度，实现复杂基质中多个SNP的超高灵敏监测。该项目的研究成果有望为SNP的临床医学检验尤其是人类基因组相关的疾病提供新的检测平台。

单核苷酸多态性（single nucleotide polymorphism，SNP），主要是指在基因组 水平上由单个核苷酸（A，T，C，G）的变异所引起的DNA序列多态性。SNP是 人类可遗传的变异中最常见的一种，它的变异由单个碱基的转换或颠换所引起， 这些改变直接导致编码蛋白质结构及功能活性发生变化。有些SNP本身是疾病致病基因的突变位点，与许多疾病相关联，如各种 心血管病、糖尿病、艾滋病、神经精神病、地中海贫血及癌症等。因此，发展灵敏度高、选择性好、简单易行的方法用于SNP 的定量监测，对于研究序列变异与疾病风险、药物代谢及复杂疾病的诊断和治疗具有十分重要的意义。本项目合成了几种框架材料，构建了一系列传感器用于SNP的检测。代表性工作如下：①基于共价有机框架（COFs）大的比表面积、介孔均一、易于功能修饰和稳定性强的优点，合成电子传导率高的COFs材料，构建了一系列生物传感器用于目标物的高灵敏检测，并解决了光电传感平台光电转换率低的问题。②提出了一种新的SNP传感器检测机理， 首次将金属有机框架材料（MOFs）作为信号探针，通过检测 Cd-MOFs-74 中的 Cd2+离子的信号实现对 SNP 的超灵敏快速检测。③构建基于无酶DNA步行者的超灵敏比例电化学生物传感器结合Zr MOF (UiO-66)信号物质用于miRNA的检测。④针对复杂体系干扰较大的问题，该项目以核酸DNA为工具，构建了系列生物传感器，实现了复杂体系中生物分子的高灵敏度、高选择性、成本低廉、简单便捷的分析检测。本项目培养研究生 5人，研究发表了 14 篇 SCI 收录的论文，其中一区 5 篇; 单篇最高影响因子 12.545，累计影响因子 67.074。