基于手性纳米材料的阵列传感器及其蛋白检识应用研究

Simultaneously qualitative, quantitative and conformational analysis of multi-types of proteins is a common requirement in clinical diagnosis, pharmacology, eco-toxicology and biomolecular researches. On the basis of differential recognition between chiral nanomaterials (CNMs) and the basic units of protein’s secondary structure, and CNMs’ efficient signal transformation capability, this project will carry out the establishment of novel sensor arrays by using CNMs as recognition units. Specifically, the interaction between CNMs and different basic units of protein’s secondary structure will be broadly investigated and the recognition mechanism of several typical interactions will be further explored. Subsequently, with the benefit of signature model of sensor arrays, the novel sensor arrays will be exactly useful for complex sample analysis. Thus the CNMs-based sensor array will be suitable for in situ, ultra-sensitive, high selective and high throughput analysis of series of related proteins with not only concentration, but also conformational situation. The result of this project will provide alternatives to classical high cost enzyme-linked immunosorbent assay, and provide new techniques for biomedical diagnosis and biological molecular research, and will even provide scientific basis for development of new detection mechanism for high capability biosensors.

同时对特定体系中的多种蛋白质进行定性、定量及构象分析是临床诊断、药理学、生态毒理学及分子生物学等众多领域的广泛需求，而手性纳米材料则具有识别蛋白手性结构以及提供高效传感信号的能力。本项目拟设计、合成一系列新型的手性纳米材料，研究其与蛋白手性二级结构基本单元的识别作用及其作用机制，进而将这种对蛋白结构的手性识别作为蛋白传感检测的新原理，开展新型手性纳米阵列传感器的构建研究。并基于阵列传感器的“指纹识别”信号处理模式对复杂体系优异的分析能力，进一步实现系列相关蛋白整体浓度水平及构象的原位、高灵敏度、高选择性分析。这可为酶联免疫吸附法等经典技术提供补充，为临床医学及分子生物学研究等提供新的技术支持，亦可为高效能生物传感器新检测原理的发展提供科学依据。

蛋白质是生命体的重要组成，其结构复杂、种类繁多，同一种蛋白往往还存在多种构象。同时对系列相关蛋白进行定性、定量及其构象的分析将为阐明蛋白质功能及生命活动的本质提供直接的基础支持。模拟哺乳动物嗅觉系统的阵列传感器为实现高灵敏、高通量以及生物复杂体系中多种蛋白的同时分析提供了新的契机。手性纳米材料具有识别蛋白手性结构以及提供高效传感信号的能力。本项目设计、合成了荧光半导体量子点、过渡金属硫族元素化合物（TMD）纳米片、TMD量子点、聚合物纳米材料、等离激元活性的金纳米岛、无机纳米结构、硼纳米片等11类（几十种）手性纳米材料，构建了系列针对蛋白质、凝集素、胞壁肽及复杂体系（细菌、细胞及脑脊液）中蛋白质识别及二级构象分析的阵列传感器。通过本项研究取得的重要创新结果包括：（1）实现了23种蛋白质的同时高灵敏鉴别以及对蛋白质二级构象的分析，构象分析结果与数据库结果相吻合；（2）实现了老年痴呆症标志物蛋白的选择性富集、高灵敏检测及构象监测，成功进行了细胞比较蛋白质组学研究；（3）对多种蛋白质的同时检测灵敏度可达nM水平；（4）基于蛋白质识别，进一步实现了细菌种类的鉴别以及对细菌胞壁肽生物合成过程的动态监控；（5）构建了新型的生物发光阵列传感器，具有优异的蛋白质检识能力，并进一步用于抗生素类药物的抗菌机制的快速判别和新型抗菌机制的发现；（6）通过原理上的创新，构建了一种四维的光学阵列传感器，具有良好的凝集素类蛋白质检识能力；（7）制备并研究了手性硼纳米片等新型手性纳米材料与蛋白的相互作用行为。相关研究成果在Angew Chem Int Ed、Anal Chem、ACS Sens及Chem Commun等期刊发表本项目标注的研究论文15篇，在国际和国内学术会议应邀作了8次学术报告，获授权3项中国发明专利，培养博士毕业生2名、硕士毕业生6名、在读博士和硕士研究生各1名。该项目研究成果可望为临床诊断、蛋白质组学、药理、病理研究等领域提供新的有力工具。