论文部分内容阅读
石墨烯（graphene）自2004年被发现以来便以其优异的物理、化学特性成为纳米技术领域研究的焦点。近年来关于石墨烯功能化、基于石墨烯的电子器件和生物传感器的构建及其在生物医学领域的应用等都备受关注。同时，以生物大分子识别为基础的生物传感器及纳米组装等为新型纳米材料的应用提供了更广阔的平台。
本论文主要利用化学、电化学以及生物化学等多种实验手段和方法，合成了一系列功能化的石墨烯材料，并以此来构建多功能的电化学传感器平台，首次报道了石墨烯修饰的电化学生物传感器对人类细胞周期蛋白cyclinA2和癌细胞的检测，并实现了对生物小分子和蛋白酶活性的同时检测。此外，我们对生理条件下不稳定的三链核酸结构进行了区分，并利用这种特殊的三链核酸结构为模板在特定位点成功制备了原子数目均匀、具有较强荧光强度的银纳米簇(AgNCs)材料，进一步实现了在特殊核酸结构上AgNCs的有序组装。最后，基于核酸和手性超分子化合物的特异识别，我们构建了两个可用于手性检测的电化学核酸传感器(E-DNAsensor)。主要结论如下:
1.合成了卟啉功能化石墨烯材料并以此构建了一个电化学阻抗传感器对人类周期蛋白cyclinA2进行高效、灵敏、非标记的检测。不仅能够在复杂的细胞裂解液中对目标蛋白实现检测，而且能够区分癌变细胞和正常细胞。石墨烯表面非共价作用的卟啉分子不破坏材料原有的平面共轭结构并引入更多的羧基固定探针多肽识别分子，同时电极表面修饰的Tween20分子可以有效地抑制非特异性吸附，再加上电化学阻抗技术对表面变化的敏感，三者保证了传感器的高灵敏度和选择性。
2.基于第一个临床Ⅱ期AS1411适配体与癌细胞特异性作用，我们构建了一个可循环使用的石墨烯电化学传感器实现了对癌细胞的诊断。功能化石墨烯表面具有良好的生物相容性，且当AS1411核酸形成四链DNA结构后可以和癌细胞表面过量表达的核仁素有效结合，同时能够对正常细胞有所区分。利用AS1411及其互补核酸的杂交，我们还可以实现电极表面的细胞的吸附/解吸附行为并能够对癌细胞进行重复检测。
3.利用功能化的石墨烯作为良好的电子传导介质，构建了一个高效灵敏的传感器实现了对三磷酸腺苷(ATP)和腺苷脱氨酶（ADA）酶活性的双检测。利用ATP分子与其适配体核酸的特异性作用将核酸修饰的石墨烯和Fe3O4磁性纳米颗粒拉近形成三明治结构。酶催化ATP为次黄嘌呤腺苷后，磁分离可去除Fe3O4磁性纳米颗粒，而功能化的石墨烯材料通过疏水作用吸附在电极表面，促进电活性分子在电极表面的电子传递，从而产生可检测的信号。
4.提供了一种快速、灵敏地去区分不稳定的质子化三链构象的电化学平台。利用多种不同的电化学方法在石墨烯/Nafion和石墨烯/Nafion-吡啶钌修饰的电极表面实现不同DNA构象中三链结构的区分。不同电化学响应源于不同构象的核酸和石墨烯表面的作用不同及Ru(bpy)32+和鸟嘌呤之间的催化放大。此外，三链核酸中不同碱基的堆积方式也影响其电化学行为，几个鸟嘌呤相连可增强核酸在表面的电化学信号。
5.以三链核酸为模板在特定位点上成功合成了原子数目均匀且荧光强度稳定的AgNCs材料。AgNCs的形成高度依赖于三链DNA中CG.C+三碱基体的数目和位置。通过合理地设计核酸序列，可得到均匀的Ag2纳米簇结构，它们能够在三链DNA的CG.C+位点上精确合成。进一步利用这种方法实现了核酸骨架上AgNCs的可控组装。
6.利用不同结构DNA和手性超分子化合物的特异识别，分别基于人类端粒核酸和特殊三向结合核酸结构设计了两种新型的E-DNA传感器，成功实现了对手性超分子化合物的区分。我们的工作为设计电化学手性传感器提供了一种全新的思路。