电化学DNA生物传感平台的构建及其应用

• 作 者: 许永强
• 出 处: 南京邮电大学
• 发表日期: 2021年03期
• 关键词: 生物分子 电化学 生物传感平台 信号放大 DNA构型变化

随着现代医学的快速发展,越来越多的研究发现生物分子在人体生理功能调节、相关疾病诊断和遗传基因信息的表达上起着相当重要的作用。人体内某些生物分子的细微变化都会产生严重的生物功能影响,例如诱发疾病、导致耐药性甚至遗传表达错误。研究表明,某些特定的生物分子作为相关疾病的生物标志物,其在人体内的表达量与疾病的产生、发展有着十分密切联系。因此,构建快速、高效的检测策略实现对特定生物标志物的灵敏检测就显得十分迫切。目前,已有相当多的检测手段能够实现特定生物分子的检测,如利用荧光、表面增强拉曼光谱、比色、电化学等光电性能的检测手段。其中,电化学检测方法相较于其他检测方法具有高灵敏、低成本、高特异性以及便携性的优势。因此,我们结合电化学的优势和DNA构型变化的特点,构建电化学生物传感平台,通过调控传感界面上探针DNA表面密度、空间排布等,以期实现对目标生物分子最佳的检测分析性能。此外,引入多重信号放大策略,进一步提高电化学DNA生物传感平台的分析性能,实现对痕量生物分子的超高灵敏检测。本论文具体工作如下:1.构建基于DNA发夹结构的电化学DNA生物传感平台。颈环结构DNA探针通过Au-S键组装到金电极表面,通过调节电极表面颈环结构DNA的表面密度,研究生物传感界面上DNA构型变化和表面密度对三磷酸腺苷适体(ATPA)和三磷酸腺苷(ATP)检测性能的影响,并探究同时存在的发夹DNA和双链DNA(ds DNA)对总电流强度的电化学贡献率。研究表明,当发夹DNA探针的表面密度适中(5.72 pmol/cm~2)时,该传感平台可分别检测低至0.74 f M的ATPA和5.04 p M的ATP。不仅如此,该传感平台同时具备高度选择特异性和良好的再生性。通过计算,我们发现当ATPA浓度为10 p M时,形成的ds DNA在总电化学信号中贡献率为31.87%。基于上述结果,设计基于该生物传感平台的XOR逻辑门,实现对ATPA和ATP的同时检测。2.构建基于多重信号放大体系的电化学生物传感平台。在第一部分工作的基础上,我们引入多重信号放大策略,实现对目标micro RNA-21(mi RNA-21)的超灵敏检测。通过优化实验条件和对比不同信号放大策略对电化学检测性能的影响,同时采用toehold介导的链置换(TSDR)靶标、杂交链反应(HCR)和酶催化构建的三重放大电化学传感平台,具有超宽的检测范围(1 a M-10 n M)、超低的检测限(1.03 a M)和良好的选择性,可实现10个He La细胞中mi RNA-21的检测。研究表明,该电化学多重放大生物传感平台在生物化学分析、疾病早期阶段检测等领域中具有令人期待的潜在应用前景。