本文關(guān)鍵詞： 生物傳感器 二維納米材料 生物界面 DNA 石墨烯 界面作用　出處：《浙江大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：石墨烯自2004年被Geim等報道后,以其獨特的性能引起了科學家的廣泛關(guān)注,推動了二維納米材料領域的發(fā)展。石墨烯及衍生物具有優(yōu)異的物理、化學和機械性能,同時合成方法簡便,已被廣泛用于研究新穎的納米生物界面。最近幾年,核酸與石墨烯的結(jié)合引起了研究者的極大興趣。核酸穩(wěn)定、較易修飾,對很多目標物可進行高選擇性、特異性和親和力的識別。因此,核酸DNA修飾的石墨烯等納米材料具有更優(yōu)異的性質(zhì)和功能,如良好的生物相容性和生物分子識別能力,在生物傳感、診斷及藥物傳遞應用中有巨大的應用潛力。但還存在一些問題,如石墨烯氧化程度不易控制,影響了與DNA的相互作用,而它們對傳感性能有較大影響;不同納米材料的表面性質(zhì)迥異,也給DNA修飾帶來了很大挑戰(zhàn);在復雜的體系中,如何實現(xiàn)實時的監(jiān)測并排除非特異試劑取代的干擾亟待解決。深入的理解核酸DNA與石墨烯等納米材料界面的相互作用對研發(fā)各種生物相容的復合材料和生物傳感器檢測平臺非常重要�；谑┘{米材料的生物傳感器制備工藝也有待進一步完善。針對以上問題,本文以二維納米材料(包括石墨烯,金屬硫族化合物)為納米淬滅劑,通過設計DNA序列系統(tǒng)研究了 DNA與石墨烯等二維納米材料的界面相互作用,并以此為基礎研發(fā)了多種熒光生物傳感器用于檢測DNA、重金屬離子。本文內(nèi)容主要分為四個部分:一、DNA和二維石墨烯納米材料所構(gòu)建的生物傳感器具有靈敏度高、穩(wěn)定性好、線性范圍寬等優(yōu)點。但石墨烯氧化程度不易控制,限制了其在生物傳感器中的應用。本工作制備了不同氧化程度的氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)和還原石墨烯(reduced Graphene Oxide,rGO),將氧含量從40%減少到18.8%。用熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)方法研究 DNA和GO、rGO表面的相互作用,并比較了基于GO和rGO的生物傳感器檢測DNA的效果。結(jié)果表明,與GO相比,rGO表面對DNA的吸附能力比GO高2.6倍,rGO表面吸附DNA的速度更快、吸附在rGO上的DNA更不容易受到溫度、pH、尿素及有機試劑引起的解吸附的干擾。rGO傳感器更不易受到DNA非特異取代的影響。加入互補DNA可有效誘導探針從rGO表面解吸附,rGO傳感器的解吸附曲線的信號-背景比值比GO的高4倍,信號-噪音比值比GO的高2倍,這兩個比值代表兩種傳感器的靈敏度,表示rGO傳感器的靈敏度更高。綜上,減少氧化程度得到的rGO表面含有更多的負電荷和可與DNA π-π堆積的原子區(qū),對DNA的吸附能力更強,構(gòu)建的傳感器對DNA檢測的靈敏度更高,更不容易受到非特異取代的干擾。本研究量化研究了石墨烯氧化程度對傳感性能的影響,提高了石墨烯傳感器對DNA的檢測性能。二、為制備性能更好的生物傳感器,除了石墨烯納米材料,近年來有許多新的納米材料與DNA結(jié)合被應用于構(gòu)建生物傳感界面,如二維納米材料二硫化鉬(MoS2)和二硫化鎢(WS2)等。MoS2、WS2與GO結(jié)構(gòu)相似,都是重要的二維納米材料,它們雖都能吸附單鏈DNA,但由于表面性質(zhì)迥異,會影響DNA與納米材料表面間的相互作用,給DNA的修飾帶來了很大的影響,目前對DNA和MoS2、WS2界面作用機理的研究還不夠深入,限制了其在生物傳感中的應用。為此,本章從響應機理和吸附過程展開研究和論述,為石墨烯類二維材料在生物傳感分析中的應用奠定了基礎。通過研究DNA和MoS2、WS2這幾種納米材料表面吸附和解吸附行為,發(fā)現(xiàn)加入不同的變性試劑后DNA更容易從GO解吸附,但加入表面活性劑后MoS2和WS2表面解吸附的DNA更多,由此提出了 MoS2、WS2和GO界面對DNA的響應機理,即DNA通過π-π堆積和氫鍵吸附在GO表面、通過范德華力吸附在MoS2和WS2表面,并構(gòu)建了基于MoS2、WS2和GO的熒光傳感界面,實現(xiàn)了對DNA的靈敏測定,檢測限分別為1.48nM、2.92nM、和1.61 nM。以上界面理論的研究為設計及優(yōu)化基于DNA和二維材料的傳感設備奠定了基礎。三、DNA修飾的納米材料在自組裝、生物傳感以及藥物遞送等領域有著廣泛的應用前景,其中一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是DNA定向修飾從而實現(xiàn)納米材料的功能化。然而,不同類型的納米材料表明性質(zhì)迥異,給DNA修飾帶來了很大的挑戰(zhàn)。為了進一步提高DNA在納米材料表面的修飾效率及穩(wěn)定性,本章系統(tǒng)研究了簡單重復的DNA序列與納米材料間的相互作用,并發(fā)現(xiàn)poly-C(聚胞苷酸)DNA可作為通用的配體與四類常見的但不同的表面進行強吸附,這幾類材料不僅包括前幾章研究的納米碳材料(單層氧化石墨烯和單層碳納米管)、過渡金屬二硫化物(MoS2和WS2),還包括過渡金屬氧化物(Fe3O4和ZnO)、金屬納米粒子(Au和Ag)。相對于其他序列,poly-C能夠更緊密地結(jié)合前三類納米材料。而且當DNA整體的吸附能力較弱時,poly-C的表現(xiàn)尤為突出。含poly-CDNA修飾的氧化石墨烯對互補鏈的捕捉要快于含poly-A修飾的氧化石墨烯。本研究提供了將功能DNA連接在多數(shù)通用納米材料的方法,實現(xiàn)了納米材料表面功能化,并適用于DNA檢測。四、用物理吸附法將DNA連接在GO表面構(gòu)建的傳感器容易受到非特異試劑取代的影響,無法在復雜體系中實現(xiàn)對目標物的實時監(jiān)控。為此,本章將連有熒光團的DNA探針通過EDC/NHS交聯(lián)反應共價固定到GO表面,熒光發(fā)生淬滅,加入待測物Hg2+后,熒光團與GO表面距離增大,熒光信號恢復。熒光的恢復程度與Hg2+的濃度成正比,從而達到定量檢測Hg2+的目的。該方法構(gòu)建的共價傳感器與物理吸附法構(gòu)建的非共價傳感器在靈敏度、選擇性、信號動力學和重復性方面進行了對比。結(jié)果表明,DNA與氧化石墨烯表面結(jié)合方式的不同會影響傳感界面的效果,與非共價傳感器相比,共價傳感器更穩(wěn)定、重復性好,不易受到非特異探針取代的影響,具有商的靈敏度和相似的選擇性。共價傳感和非共價傳感器的對Hg2+的檢測限分別為163和20.6nMHg2+,靈敏度分別為1.58和1.93倍/μM Hg2+,并實現(xiàn)了對實際樣本中Hg2+檢測,為復雜體系中金屬離子的實時監(jiān)測提供了解決方法。
[Abstract]:鐭沖ⅷ鐑嚜2004騫磋Geim絳夋姤閬撳悗,浠ュ叾鐙壒鐨勬，

本文編號：1486267