【摘要】：氧化石墨烯量子點(GOQDs)是一種以碳為基礎(chǔ)的層狀納米材料。由于其具有優(yōu)異的光學特征、分散性好、較強的生物相容性、制備過程環(huán)保、毒性低、表面含有豐富的含氧官能團,易于修飾,而被廣泛的用于生物成像、發(fā)光領(lǐng)域以及環(huán)境領(lǐng)域。然而將其作為熒光探針應用于生物檢測仍處于起步階段。本論文通過將氧化石墨烯量子點(GOQDs)與具有選擇性的生物大分子(核酸適配體、單鏈DNA結(jié)合蛋白、單鏈DNA)進行偶聯(lián),提高了GOQDs熒光探針的選擇性。依據(jù)加入相應的猝滅劑和目標檢測物后,探針熒光強度的不同變化,實現(xiàn)了對人類健康和生態(tài)平衡至關(guān)重要的抗生素:磺胺二甲嘧啶(SMZ)、卡那霉素(KAN)以及轉(zhuǎn)基因生物的標記性序列(NOSt)基因序列的特異性檢測。主要研究內(nèi)容如下:(1)氧化石墨烯量子點(GOQDs)偶聯(lián)核酸適配體(apt)形成一種新型的熒光探針(GOQDs@apt)。將此熒光探針作為信號源,氧化石墨烯(GO)作為猝滅劑,制成熒光開關(guān),實現(xiàn)了對磺胺二甲嘧啶(SMZ)的靈敏性檢測。檢測機理基于:體系中沒有加入SMZ時,由于適配體與GO之間存在很強的π-π作用力,使得GOQDs@apt吸附在GO表面從而猝滅GOQDs@apt的熒光;加入SMZ時,核酸適配體優(yōu)先結(jié)合SMZ而處于折疊狀態(tài),隱藏了可以結(jié)合GO的氫鍵,使得GOQDs@apt從GO表面釋放,GOQDs@apt的熒光恢復,而且熒光恢復的程度與SMZ的加入量呈顯著的正相關(guān)。據(jù)此實現(xiàn)對SMZ的痕量檢測,線性范圍為:0.008 60 ng/mL,檢出限為:0.005 ng/mL。該方法具有較高的選擇性、抗干擾性,可以很好的應用于實際樣品中SMZ的檢測。(2)氧化石墨烯量子點(GOQDs)表面修飾單鏈DNA分子形成(QDs-sDNA)納米復合物,作為熒光探針和能量供體,猝滅劑氧化石墨烯(GO)作為能量受體,設(shè)計了一種新型的以熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)為基礎(chǔ)的生物傳感器,并成功地用于NOS終止子基因序列(NOSt)的超靈敏檢測。檢測機理基于:QDs-sDNA和互補靶DNA之間可以雜交形成QDs-dsDNA;GO對QDs-sDNA具有很強的親和力而對QDs-dsDNA幾乎不具親和力。體系中沒有加入目標DNA的情況下,QDs-sDNA吸附到GO表面,發(fā)生熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET),QDs-sDNA的熒光被猝滅;加入目標DNA的情況下,其與QDs-sDNA雜交形成QDs-dsDNA,不能吸附到GO表面,熒光猝滅程度明顯降低。通過比較QDs-sDNA/GO和QDs-dsDNA/GO體系的熒光強度,實現(xiàn)對目標DNA的檢測。該傳感器的檢出限為0.008 nM,線性范圍為0.05-50 nM。而且,該傳感器具有良好的選擇性可以準確地區(qū)分目標DNA和單堿基錯配的DNA序列,可以很好的應用于生物體液中DNA的檢測。(3)氧化石墨烯量子點(GOQDs)偶聯(lián)單鏈DNA結(jié)合蛋白(SSB)形成QDs-SSB納米復合材料,作為一種新型的熒光探針�？紤]到熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)方法的優(yōu)越性以及實現(xiàn)卡那霉素檢測任務的重要性,我們將此熒光探針與BHQ_1修飾的核酸適配體(Apt-BHQ_1)結(jié)合,利用熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET)實現(xiàn)了對卡那霉素(KAN)的靈敏檢測,并應用到了牛奶實際樣品的分析過程中。分析的機理基于:SSB對處于自由狀態(tài)的適配體具有很強的親和力,但對處于折疊狀態(tài)的適配體幾乎不具親和力;適配體不與目標化合物結(jié)合時處于自由狀態(tài),與目標化合物結(jié)合時處于折疊狀態(tài)。檢測體系不存在KAN時,由于適配體與SSB之間強大的親和力拉近了QDs-SSB與Apt-BHQ_1之間的距離使兩者之間發(fā)生FRET,熒光猝滅;檢測體系存在KAN時,適配體與KAN結(jié)合后呈現(xiàn)折疊狀態(tài)喪失其與SSB結(jié)合的能力,降低了FRET,QDs-SSB熒光恢復,且恢復程度與KAN的加入量顯著相關(guān)。據(jù)此,實現(xiàn)了對KAN的檢測,該適體傳感器的檢出限低至6 pg/mL,線性范圍為0.01-90 ng/mL。此外,該方法具有高度選擇性、穩(wěn)定性、特異性、精確性和重復性。總之,本文通過對GOQDs表面進行修飾,制備了3種具有高度特異性的量子點納米復合材料,發(fā)展了3種簡單,高效,經(jīng)濟,環(huán)保的生物傳感器;并實現(xiàn)了對抗生素類物質(zhì):(磺胺二甲嘧啶、卡那霉素),以及生物大分子單鏈DNA的靈敏檢測。擴展了GOQDs在熒光探針領(lǐng)域及生物檢測方面的應用,同時展示了生物大分子(SSB和DNA)和GOQDs結(jié)合的潛力;為解決實際樣品中特定目標分子的檢測和設(shè)計新型的FRET生物傳感器提供了新的方向;對于生物化學和分析化學的研究具有重要的應用價值。
【圖文】：

石墨烯是一種由單層sp2碳原子組成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的原子晶體（圖1-1）[17]。具有優(yōu)異的電子和光學性質(zhì)、高的內(nèi)在遷移率、良好的熱穩(wěn)定性而且在存儲和穿透電子時具有高電導率[18]。自2004年首次被Zhang等通過熱解石墨的方法獲得以來[19]引起了科研工作者們的廣泛關(guān)注。在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出化學氣相沉積法、化學剝離、機械剝離、分子組裝、液相剝離等多種制取方法，，根據(jù)不同方法合成材料的不同特征廣泛用作涂料，復合材料，導電材料（太陽能電池用導電電極[19]、超級電容器[20]、鋰離子電池[21]）、儲能材料、傳感器材料、高頻晶體管和其他電子器件等（表1-1），其中用于科研方面的石墨烯多用化學剝離的方法合成[22]。由于其本身水溶性較小，具有一定的化學惰性以及零帶隙特點使其在光能轉(zhuǎn)換中的應用受到一定的局限。圖 1-1 （a）石墨烯的 AFM[19]和（b）HR-TEM[23]圖像Fig.1-1 AFM[19](a) and HR-TEM[23](b) image

圖 1-2 氧化石墨烯結(jié)構(gòu)圖Fig 1-2 The structure of graphene oxid[31]化石墨烯在 DNA 檢測方面的應用道，氧化石墨烯片層與單鏈DNA(sDNA)的堿基之間存在較強的π-π作單鏈DNA標記的熒光探針吸附至其表面，使得探針的熒光減弱甚至猝NA與其互補鏈發(fā)生雜交時，新合成的雙鏈DNA由于缺少暴露的堿基失的結(jié)合力從GO表面解吸附使得探針的熒光逐漸恢復，可以很好的補序列寡核苷酸鏈、互補序列堿基錯配的寡核苷酸鏈和雙鏈DNA作binson, Jeremy T等利用GO的此性質(zhì)，合成了一種新型的生物傳感器NA的互補鏈和非互補鏈的作用[37]。2009年Chun-Hua Lu等[33]在此基很好的檢測HIV1病毒遺傳物質(zhì)DNA的方法（圖1-3）。
【學位授予單位】：山西師范大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O657.3;TB33

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