论文部分内容阅读
脱氧核糖核酸(DNA),是含有生物体遗传信息的染色体主要化学成分,其结构上的微小变化、差错都会有可能引起遗传性状的改变和各种疾病的出现。对DNA的研究是生命科学中相当重要的一个研究领域,也是遗传学和细胞生物学等领域的研究热点。DNA生物传感器利用DNA分子间特异性互补配对规律实现了对特定基因片段的快速分析,为分子生物学研究提供了全新的基因检测技术,广泛地应用于传染病监测和遗传病早期诊断等重要领域。目前,DNA生物传感器研究的主要任务之一是提高传感器的灵敏度。纳米材料具有新颖的物理、化学特性,纳米材料在DNA生物传感器中的应用可以为高灵敏度的DNA分子检测提供了优异条件。本论文研究的主要内容是结合一些具有优异特性的纳米材料应用于DNA生物传感器中,探索纳米材料在增强DNA杂交反应转换信号,构建新型DNA电信号测试器件,从而提高DNA检测的灵敏度方面的作用。 第一章绪论部分对DNA生物传感器和目前纳米材料在DNA生物传感器的研究进展进行了较为全面的综述和评价。DNA生物传感器的机理是先将已知序列的探针DNA固定在固体基底,在一定条件下使其与溶液中互补的目标DNA进行杂交反应,在固体基底上形成稳定的双链DNA后,再通过换能器将DNA杂交信号转变成可检测的识别信号,根据杂交前后识别信号的变化值来推断出被测DNA的量。根据识别信号机制的不同,DNA生物传感器可主要分为电化学、电子学、光学、压电型和悬臂梁DNA生物传感器。纳米材料(纳米颗粒、纳米线和纳米管等)具备独特的物理、化学特性,为研制高灵敏度的DNA生物传感器提供了非常优异的条件。 第二章介绍的是Au/MWCNTs纳米复合物修饰电极的研制及其在电化学DNA杂交检测中的应用。采用简单的一步还原法制备出AuNPs均匀分散在MWCNTs管壁上的Au/MWCNTs纳米复合物,并制作出其修饰的电极。比较了Au/MWCNTs修饰的、MWCNTs修饰的和无修饰物的三种玻碳电极的电化学特性。分别采用共价和非共价两种方式将探针DNA固定在电极表面,并探讨了探针DNA不同固定方式对DNA检测的影响。通过杂交前后电化学指示剂亚甲基兰MB的差分脉冲伏安峰电流的变化实现了对目标DNA的检测。阐明了Au/MWCNTs纳米复合物由于优良的导电特性和较高的比表面积,其修饰电极增强电化学信号,提高DNA检测灵敏度的机制。 第三章介绍的是一种基于AuNPs薄膜纳米间隙的电子学DNA杂交检测方法。在梳状电极表面首先用硅烷化试剂APTES对二氧化硅基底进行修饰,然后在基底上均匀铺上一层间隙较大的AuNPs。在此基础上,通过“三明治”杂交反应的第一步,将修饰上DNA的AuNPs固定到微电极的表面,并与上一层的AuNPs形成纳米尺寸的间隙,构成能够用于测量单链DNA和双链DNA电信号的纳米间隙。目标DNA的检测通过“三明治”杂交反应的第二步完成的,通过杂交前后纳米间隙电极的电学特性I-V曲线的变化实现对目标DNA的检测。采用扫描电子显微镜和电流电压曲线的表征手段,分析了AuNPs薄膜纳米间隙的形成机制。与双硫醇的方法制备的AuNPs膜纳米间隙相比,“三明治”杂交反应制备的AuNPs薄膜纳米间隙能够快速和有效地检测出目标DNA,同时这种DNA电信号生物传感器具有很高的灵敏度和很好的选择性。 第四章介绍的是在悬臂梁DNA传感器中,通过“三明治”杂交反应引入AuNPs作为“质量增强粒子”来放大杂交反应信号,从而提高DNA检测灵敏度。以原子力显微镜的硅条形探针为悬臂梁,首先在其表面蒸镀上一层金薄膜,目标DNA通过“三明治”杂交反应的第一步将结合到悬臂梁上,用于放大信号的AuNPs通过“三明治”杂交反应的第二步结合到悬臂梁上。采用了扫描电子显微镜和共振频率峰表征手段对AuNPs的结合机理进行了分析。利用结合在硅悬臂梁表面的AuNPs数量与目标DNA的浓度相对应的关系,通过原子力显微镜装置检测微悬臂梁在空气中共振频率峰的变化值来实现对目标DNA的检测。采用AuNPs增强信号,在保持悬臂梁DNA传感器选择性的同时,能够显著提高DNA检测灵敏度,并阐明了AuNPs增强悬臂梁DNA传感器响应信号的理论基础。 第五章介绍的是利用SnO2纳米材料增强荧光信号的特性,并用于高灵敏的荧光DNA杂交检测方法。利用氯金酸在硅表面原位还原生成AuNPs,结合传统的光刻技术,得到了分布均匀的图案AuNPs。再采用化学气相沉积的方法,以图案AuNPs为催化剂,分别制备出图案SnO2纳米棒和Si纳米线。探针DNA通过共价键和非共价键结合到基质表面,并通过荧光图像的比较,考察了探针DNA固定方式对检测结果的影响。比较了SnO2纳米材料和Si纳米材料在DNA检测过程中的稳定性。证实了SnO2纳米材料具有显著增强荧光信号的特性,并且SnO2纳米材料与硅基底结合力牢,具有很高的化学稳定性。 第六章对全文进行了总结和展望,概括了纳米材料在增强DNA杂交检测中的信号响应强度,构建新型DNA电信号测试器件,实现对目标DNA高灵敏探测的研究成果。肯定了纳米材料在DNA生物传感器中具有应用前景,同时也对今后的该方向研究工作的开展提出一点建议。