DNA和二維納米材料的界面作用行為及其在熒光生物傳感中的應(yīng)用.pdf

1、石墨烯自2004年被Geim等報道后，以其獨(dú)特的性能引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注，推動了二維納米材料領(lǐng)域的發(fā)展。石墨烯及衍生物具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和機(jī)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(biāo)物可進(jìn)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、

2、診斷及藥物傳遞應(yīng)用中有巨大的應(yīng)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(fù)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(fù)合材料和生物傳感器檢測平臺非常重要。基于石墨烯納米材料的生物傳感器制備工藝也有待進(jìn)一步完善。
　

3、　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(shè)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(chǔ)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(diǎn)。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(yīng)用。本工作制備了不同氧化程度的氧化石墨烯(Gr

4、aphene 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，F(xiàn)RET)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

5、、吸附在rGO上的DNA更不容易受到溫度、pH、尿素及有機(jī)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(bǔ)DNA可有效誘導(dǎo)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(fù)電荷和可與DNAπ-π堆積的原子區(qū)，對DNA的吸附能力更強(qiáng)，構(gòu)建的傳

6、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(yīng)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D

7、NA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(jī)理的研究還不夠深入，限制了其在生物傳感中的應(yīng)用。為此，本章從響應(yīng)機(jī)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(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。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Mo

8、S2、WS2和GO界面對DNA的響應(yīng)機(jī)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1.48 nM、2.92 nM、和1.61 nM。以上界面理論的研究為設(shè)計及優(yōu)化基于DNA和二維材料的傳感設(shè)備奠定了基礎(chǔ)。
　　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(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，其中一個關(guān)鍵

9、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)。為了迸一步提高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(fù)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(jìn)行強(qiáng)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

10、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(dāng)DNA整體的吸附能力較弱時，poly-C的表現(xiàn)尤為突出。含poly-C DNA修飾的氧化石墨烯對互補(bǔ)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

11、到非特異試劑取代的影響，無法在復(fù)雜體系中實現(xiàn)對目標(biāo)物的實時監(jiān)控。為此，本章將連有熒光團(tuán)的DNA探針通過EDC/NHS交聯(lián)反應(yīng)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(tuán)與GO表面距離增大，熒光信號恢復(fù)。熒光的恢復(fù)程度與Hg2+的濃度成正比，從而達(dá)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(xué)和重復(fù)性方面進(jìn)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