基于纳米通道中分子、离子传输特性的MicroRNA传感器研究

MicroRNA(miRNA) plays an important role in cell development. Aberrant expression of miRNA has been found in all types of tumours, and different types of cancers have distinct miRNA profiles. Therefore, the detection of tumour-specific circulating microRNA is useful for the early diagnosis, staging and monitoring of cancer. However, traditional detection methods suffer from error-prone amplification and cross-hybridization because the shortness of the miRNA sequences makes it difficult to design probes and primers. Nanochannels have a broad range of applications in various fields such as nucleic acid sequencing, single-molecule analysis and bio-sensors, due to their special properties regarding molecules and ions transport. We have built ionic rectification nanochannels and nanopores electrode successfully in the previous research. This project is studying fundamental properties of molecules and ions transport in nanochannels, revealing the role of charge properties, volume effect and hydrophilicity during the transport in nanochannels. The ultimate goal of the project is to build a novel bio-sensor with nanochannels that can quantitively measure miRNA related to cancer with high accuracy and selectivity. Meanwhile, the mechanism between the functional interface of nanochannels and miRNA will be revealed. This research would provide theoretical basis for developing nanochannel-based single molecule analysis and bio-sensors.

MicroRNA（miRNA）在细胞发育过程中发挥着重要作用。但在肿瘤发生过程中，miRNA会异常表达，不同类型的肿瘤具有特异性的miRNA表达谱。因此，高灵敏、高准确性地检测与肿瘤相关的miRNA，将对于癌症的早期诊断、跟踪和监控具有非常重要的意义。由于miRNA序列过短导致探针和引物的设计非常困难，传统检测技术存在易错扩增、交叉杂交等不足。纳米通道因其特殊的分子、离子传输性质，在核酸测序、单分子分析及生物传感领域得到了广泛应用。本项目在构建纳米通道离子整流器及纳米孔电极的前期基础上，进一步深入研究纳米通道中分子、离子的传输特性，揭示电荷、体积及亲疏水效应对其传输的作用规律，构建基于纳米通道中分子、离子传输特性的miRNA传感器，阐明纳米通道功能化界面与miRNA的作用机制，实现对与癌症关联的miRNA灵敏、准确的快速检测。研究成果将为发展纳米通道的单分子分析与生物传感器提供理论依据。

miRNA在细胞发育过程中发挥着重要作用。但在肿瘤发生过程中，miRNA会异常表达，不同类型的肿瘤具有特异性的miRNA表达谱。因此，高灵敏、高准确性地检测与肿瘤相关的miRNA，将对于癌症的早期诊断、跟踪和监控具有非常重要的意义。由于miRNA序列过短导致探针和引物的设计非常困难，传统检测技术存在易错扩增、交叉杂交等不足。针对传统检测方法的缺陷，本项目的目标在于发展一种基于纳米通道离子传输特性的miRNA检测新方法。.经过近三年的努力探索，课题组按照项目预定进展已完成全部研究工作，实现了项目书中所计划的科学目标。.1. 采用降压氧化的方法制备了分枝结构的多孔氧化铝膜（PAA）阵列纳米通道，探索了其中离子传输的新特性，建立了描述各影响因素与离子输运关系的三维理论模型，揭示了由于形状结构的突变造成纳米通道内能量及电势的不对称分布，引起了离子的选择性传输，导致离子整流现象的出现。.2. 通过自组装技术在PAA表面制备了金纳米棒薄膜，通过对应波长的光照射，形成了强烈的等离子共振，产生了大量的局部热效应，增加了纳米通道表面电荷密度和离子扩散系数，从而加速了纳米通道中的物质传输速率。采用化学修饰的方法，将识别Pb2+的Morpholine固定到纳米通道内，通过适体构象的转化来改变纳米通道内的电荷和空间位阻，进而改变纳米通道的物质传输速率。.3. 采用交流电沉积的方法，在PAA中制备了一种新型的纳米孔阵列Au电极，通过morpholino与DNA在纳米通道中的反应调控其中探针离子的流量变化，提出了miRNA超灵敏检测新方法，对miRNA-21的检测可低至1fM，线性范围为1fM-10nM，并具有良好的选择性。同时发展了基于适体-纳米通道体系的生物分子检测新方法，并将其用于李斯特菌的高灵敏度检测。研究成果为发展基于纳米通道的单分子分析与生物传感器提供理论基础。.本项目实施过程中，项目负责人以第一作者、通讯作者发表Analytical Chemistry 1篇，Electrochemistry Communications 1篇，ACS Sensors 1篇。同时，1篇Analytical Chemistry，1篇ACS Nano，1篇Chemical Communications处于审稿阶段。申请相关发明专利2项。