信號增強(qiáng)液晶生物傳感方法及液晶核酸邏輯門研究.pdf

1、液晶是物質(zhì)介于液體和晶體之間的一種特殊物質(zhì)形態(tài)，兼具有液體的流動性與晶體的各向異性，主要體現(xiàn)為光學(xué)各向異性和介電各向異性。液晶材料因其具有獨特的物理、化學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，已廣泛應(yīng)用于各類低功耗、輕薄型的光電電子顯示產(chǎn)品中，在信息通訊、航天航空、微電子等高新技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用。近年來，將液晶材料作為信號轉(zhuǎn)換媒介構(gòu)建起來的液晶生物傳感器是一類新型的生物分析檢測技術(shù)。液晶生物傳感器是以生物活性材料（如抗原-抗體、蛋白質(zhì)-配體、酶、核酸、

2、微生物等）為識別元件，液晶材料為信號轉(zhuǎn)換元件，利用液晶對偏振光的雙折射性，將傳感界面識別目標(biāo)分析物前后的變化信息轉(zhuǎn)換為液晶取向的變化，通過監(jiān)測液晶光學(xué)圖像的顏色、織構(gòu)和光通量變化來實現(xiàn)目標(biāo)分析物的檢測。相比于其他類型的分析檢測技術(shù)，液晶生物傳感器無需特殊光源、常規(guī)載玻片即可構(gòu)建，具有低成本、輕巧、簡便的特點，易于實現(xiàn)微型化、陣列化和高通量的生物分析。目前，液晶生物傳感器主要是用于監(jiān)測抗原-抗體、蛋白質(zhì)、核酸以及其他生物分子間的直接相互作

3、用，對其進(jìn)行定性或者半定量分析，普遍存在靈敏度偏低的問題。此外，該類技術(shù)的研究尚處于初級探索階段，其相關(guān)理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段尚不成熟，還存在一定的局限性。因此，發(fā)展高性能的液晶生物傳感方法，進(jìn)一步探索液晶與敏感膜間的傳感機(jī)制，總結(jié)其規(guī)律，拓展其在生物分析中的應(yīng)用范圍，對促進(jìn)液晶生物傳感技術(shù)的發(fā)展具有重要的研究意義。本文圍繞這些問題，在構(gòu)建高靈敏液晶核酸傳感方法對核酸、酶和金屬離子的檢測分析，以及界面的傳感機(jī)理研究進(jìn)行了初步探討，主要內(nèi)容如

4、下：
　　第一部分固相-液晶相界面的信號增強(qiáng)液晶生物傳感方法研究
　　(1)基于液晶取向改變的原理，結(jié)合酶催化銀沉積信號增強(qiáng)技術(shù)，提出了一種新型高靈敏液晶生物傳感方法用于特定核酸序列分析。首先采用3-氨丙基三甲氧基硅烷（APS）和N，N-二甲基-N-[3-（三甲氧硅）丙基]氯化十八烷基銨（DMOAP）以混合自組裝的方式在玻片基底構(gòu)建APS/DMOAP基底膜，便于消除背景干擾和固定捕獲 DNA探針，解決液晶有序排列對金膜的依賴

5、；根據(jù)堿基互補(bǔ)配對原則，目標(biāo) DNA探針和生物素化的信號 DNA探針(biotin-DNA)先后捕獲于基底表面；鏈霉親和素標(biāo)記的堿性磷酸酶(Sv-ALP)通過biotin和Sv的特異性結(jié)合作用固定與玻片基底，ALP隨后催化抗壞血酸磷酸鹽水解成抗壞血酸（ASA），后者將銀離子還原成銀顆粒，使其沉積在 DNA探針修飾過的基底表面。結(jié)果表明，酶催化沉積的銀顆粒能改變敏感膜的表面形貌，有效地擾亂液晶分子的取向排列，導(dǎo)致產(chǎn)生顯著的光學(xué)信號變化。該

6、方法對濃度低至0.1 pM特定核酸序列仍具有明顯的光學(xué)響應(yīng)，克服了生物分子的大小和固定量對靈敏度的限制，為發(fā)展高靈敏液晶生物傳感方法提供新的研究思路。
　　(2)利用核酸適體與其靶分子結(jié)合的高特異性和高親和力，金納米顆粒（AuNPs）良好的生物兼容性、較高的表面負(fù)載量和穩(wěn)定的尺寸結(jié)構(gòu)，以目標(biāo)物凝血酶為分析模型，提出了一種基于核酸適體和金納米顆粒的非標(biāo)記液晶核酸傳感方法。首先將5′端標(biāo)記了-NH2的發(fā)卡型識別探針通過戊二醛交聯(lián)作用固

7、定于APES/DMOAP基底膜表面，凝血酶與識別探針環(huán)部的核酸適體片段結(jié)合形成G-四鏈體結(jié)構(gòu)，可促進(jìn)識別探針開環(huán)，有利于其3′端標(biāo)記的生物素遠(yuǎn)離APES/DMOAP基底膜；鏈霉親和素標(biāo)記的納米金通過生物素-鏈霉親和素的特異性作用捕獲于基底表面。結(jié)果表明，結(jié)合納米金信號增強(qiáng)手段后，液晶生物傳感的檢測靈敏度有了顯著提高，對凝血酶的檢出限由10 nM降低至1 pM，金納米顆粒是一種優(yōu)良的信號增強(qiáng)媒介。該方法具有操作簡單，響應(yīng)迅速、靈敏度高和成

8、本低的特點。
　　第二部分液晶-水相界面的液晶生物傳感方法及液晶核酸邏輯門研究
　　(3)根據(jù)核酸探針的構(gòu)象變化可誘導(dǎo)液晶-水相界面的液晶分子取向重排，以結(jié)腸癌的p53基因片段含282密碼子突變?yōu)榉治瞿Ｐ?，提出了一種基于DNA樹枝狀聚合物信號增強(qiáng)的液晶生物傳感方法。在該方法中，首先采用陰離子表面活性劑 SDS作為液晶5CB的摻雜劑，初步探討吸附在液晶-水相界面的DNA探針與液晶5CB間的直接相互作用機(jī)制；隨后，以目標(biāo)序列為引

9、發(fā)劑，觸發(fā)發(fā)卡型核酸探針進(jìn)行雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，形成大量含有雙螺旋結(jié)構(gòu)的DNA樹形聚合物，用以加強(qiáng)核酸對液晶5CB的取向誘導(dǎo)能力。結(jié)果表明，雙螺旋核酸分子的空間效應(yīng)和界面雙電層的電場誘導(dǎo)效應(yīng)可共同驅(qū)動液晶5CB由傾斜取向重排為垂直取向；DNA樹枝狀聚合物信號增強(qiáng)的液晶生物傳感可辨別濃度范圍為0.08 nM~8 nM的目標(biāo)序列。該方法無需多步生物固定化和洗滌步驟，操作更為簡單，試劑用量少，具有較高的靈敏度和良好的選擇性，可有效區(qū)分野生型和突變型

10、的目標(biāo)序列。
　　(4)根據(jù)核酸探針的構(gòu)象變化及其調(diào)控的界面雙電層變化可誘導(dǎo)液晶取向重排，以金屬離子Ag+和Hg2+為分析模型，構(gòu)建了操作簡單、響應(yīng)快速、選擇性高、智能化的“AND”和“INHIBIT”液晶核酸邏輯門對多目標(biāo)分析物進(jìn)行檢測研究?！癆ND”邏輯器件是以富含T和C堿基的核酸探針為識別元件，其構(gòu)象變化為分子邏輯開關(guān)，金屬離子Ag+為第一種輸入信號，Hg2+為第二種輸入信號，液晶5CB織構(gòu)圖像的平均灰度強(qiáng)度為輸出信號；當(dāng)且

11、僅當(dāng)輸入信號為（1，1）時，輸出信號才為1，該邏輯器件可同時識別濃度低至6μM的金屬離子 Ag+和 Hg2+?！癐NHIBIT”邏輯器件是以核酸探針的構(gòu)象變化及其調(diào)控的界面雙電層電荷密度變化為分子邏輯開關(guān)，H+為第一種輸入，金屬離子Ag+，Hg2+為第二種輸入信號，液晶5CB織構(gòu)圖像的平均灰度強(qiáng)度為輸出信號。當(dāng)且僅當(dāng)輸入信號為（0，1）時，輸出信號才為1；當(dāng)輸入信號為（0，0）、（1,0）和（1，1）時，輸出信號均為0。“INHIBIT