基于单壁碳纳米角的免标记光学生物传感平台构筑及应用研究

Single-walled carbon nanohorn (SWCNH) is a horn-shaped carbon nanomaterials. It possesses unique structure, high purity and huge surface-to-area ratio. It is essentially metal-free, so that it can be used directly for biosensors. The project aims to develop label-free optical biosensors based on SWCNHs. On the one hand, DNA-intercalating dye and DNA-Ag nanoclusters are separately used as the indicators. The label-free fluorescent sensing platforms are developed based on the fluorescence quenching of DNA-intercalating dye and DNA-Ag nanoclusters upon contacting SWCNHs. On the other hand, we will expand the application of SWCNHs in colorimetric analysis for the first time. We will synthesize the nanocomposites based on SWCNHs and metal nanoparticles and apply them to develop label-free colorimetric sensing platforms. In comparison to SWCNHs, the nanocomposites should have better catalytical abilities towards peroxidase substrate due to their synergistic effects. The developed sensing platforms are expected to achieve fast, sensitive, and selective detections of specific nucleic acid sequence of HIV and thrombin. This project will provide new sensitive detection technologies for the analysis of nucleic acid sequence, detection of proteins, and diagnosis of some diseases. Moreover, it will help lay a foundation for the applications of SWCNHs in the biomedical filed.

单壁碳纳米角是一种角状的碳纳米材料，具有结构独特、纯度高、比表面积大等特点。其制备过程中无需使用金属催化剂，因此，不需要纯化就可用于生物传感研究。本项目以非标记的核酸探针为识别元件，拟开展基于单壁碳纳米角的免标记光学生物传感平台构筑及应用研究。一方面，分别以核酸嵌入染料和DNA-Ag纳米簇为指示剂，利用单壁碳纳米角对核酸嵌入染料和DNA-Ag纳米簇的猝灭作用，构筑免标记的荧光传感平台；另一方面，首次发展单壁碳纳米角在比色分析中的应用，拟制备高催化效率的单壁碳纳米角与金属纳米粒子的复合材料，并借助复合材料之间的协同作用，提高单壁碳纳米角对过氧化物酶底物的催化性能，构筑免标记的比色传感平台。将构筑的传感平台用于HIV病毒靶DNA和凝血酶的快速、灵敏和选择性检测，从而为核酸序列分析、蛋白质的检测以及疾病的诊断等研究提供一些新的高灵敏检测技术，进而为单壁碳纳米角在生物医学领域中的应用奠定基础。

作为纳米材料领域的重要成员，碳纳米材料由于其独特的理化性质，在生物传感中的应用越来越受到人们的广泛关注。尤其是合成不含金属催化剂的碳纳米材料，并发展其在生物传感研究中的应用，可以避免金属催化剂带来的争议，具有重要意义。本项目围绕单壁碳纳米角等新型碳纳米材料及其复合材料构筑了一系列的多功能生物传感平台，发展了DNA、酶、生物分子、药物、癌症标志物及重金属离子等的高灵敏检测方法，为解决疾病诊断、环境与食品监测、药物分析等相关重要问题提供了理论基础和解决方案。(1) 基于单壁碳纳米角构建免标记比色传感平台。首次发现，羧基功能化的单壁碳纳米角，具有过氧化物模拟酶的性质。与辣根过氧化物酶 (HRP) 相比，单壁碳纳米角有较强的耐酸碱能力和耐高温能力。结合葡萄糖氧化酶的催化反应，发展了葡萄糖的灵敏检测方法。 (2) 基于单壁碳纳米角等新型碳纳米材料构建荧光传感平台。首次将上转换纳米粒子和单壁碳纳米角相结合，利用能量转移原理，结合分子杂交技术，构建了一种荧光DNA生物传感器，用于检测急性早幼粒细胞白血病DNA。利用Hg2+ 对碳量子点 (CQDs) 荧光的猝灭，以及Hg2+ 对还原型谷胱甘肽 (GSH) 和氧化型谷胱甘肽 (GSSG) 的识别，构建了谷胱甘肽还原酶 (GR) 的传感平台，并用于筛选其抑制剂。以胖大海为碳源合成新型的CQDs，结合MnO2纳米片，构建酶的荧光传感器，用于碱性磷酸酶 (ALP) 的高灵敏检测。以石墨烯量子点(GQDs) 作为荧光供体，邻苯二胺被Ag+ 的氧化产物为荧光受体，首次构建了Ag+ 的比率传感平台。基于Hg2+ 调控的CQDs构建简单、低成本的三聚氰胺检测平台。(3) 发展了GQDs@Ag纳米复合材料，将其作为荧光标记物构建免疫传感器，用于前列腺抗原 (PSA) 的高灵敏检测。此外，本项目还基于单壁碳纳米角构建免标记电化学传感平台。首次将单壁碳纳米角和分子印迹相结合构建卡那霉素的电化学传感平台。制备了单壁碳纳米角修饰玻碳电极，考察了还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸 (NADH) 在活化的单壁碳纳米角修饰电极上的电化学行为。