石墨烯核酸生物传感器及其应用研究

发布时间：2020-07-21 11:42

【摘要】：从核酸的发现至今已有100多年的历史,核酸是由许多核苷酸聚合成的主要位于细胞内的生物大分子化合物,是生物体遗传信息的载体,包括DNA和RNA。核酸分子检测技术既可以用于检测人和动植物是否被病原体感染,也可以用于检测遗传病或癌症、为个人用药提供辅助参考以及检测水体是否有微生物污染等。迄今,许多核酸检测方法已经开发出来,如实时定量荧光PCR、荧光原位杂交技术等,但都存在一定的应用局限。因此建立一种高效可靠、高灵敏度、高选择性、高特异性的核酸检测方法同样具有十分重要的意义。随着交叉学科的发展,生物传感器的开发已成为了科学界的一大研究热点。生物传感器是将生物识别系统和信号转换系统适当组合,对样品中的分析物作出响应,并把生物信号转化为可以检测的电、光、声等信号,从而达到对待测物进行检测的一种分析装置。生物传感器应用极其广泛,既可以检测蛋白质、细菌、病毒、金属离子等,还可进行单分子水平分析,它具有快速、准确、多功能化和便于携带等显著特点。目前,核酸生物传感器的研究也有了很大进展,已发展成为前沿的研究热点。近年来,纳米场效应晶体管核酸生物传感器是基于纳米材料(如石墨烯、碳纳米管、纳米线等)制备的一种新型的核酸生物传感器。这主要是因为纳米材料具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应的独特性质,才使得此类核酸生物传感器具有灵敏度高、选择性好、操作简单以及集成小巧等特点,与传统的核酸分子检测技术相比具有独特的优势,非常适用于核酸分子的检测。本文首先利用化学气相沉积方法制备了纳米材料石墨烯作为导电通道,并研制了场效应晶体管核酸生物传感器,而且应用于鸟嘌呤核糖开关和配体之间的生物识别中。石墨烯具有独特的物理性质,如超大的比表面积、良好的导电性质和高的载流子迁移率等,石墨烯的这些优良性质可以提高核酸生物传感器检测的灵敏度、选择性和特异性。本实验主要是利用核酸分子的杂交原理将核酸分子与目标分子固定于石墨烯表面,核酸分子与目标分子特异性结合导致石墨烯表面电势发生变化,将电信号变化与被测分子浓度建立起对应关系,从而达到分子检测的目的。本文主要撰写了六部分内容。第一章为绪论,主要介绍了核酸的重要作用、核酸生物传感器的研究进展以及石墨烯在生物传感器中的应用。第二章主要介绍了石墨烯制备方法、石墨烯薄膜的转移、石墨烯场效应晶体管(G-FET)的制备与工作原理以及电学性能测试。第三章是基于石墨烯场效应晶体管生物传感器的RNA检测。以化学气相沉积法(CVD)制备的石墨烯作为导电通道,制造G-FET生物传感器,单链DNA作为探针,互补链RNA作为目标物进行无标记检测。该传感器具有高灵敏度,可实现低至0.1 fM的RNA检测,比先前文献中报道(10fM)的低2个数量级。此外,G-FET生物传感器可以很容易的区分互补RNA和非互补RNA,显示出对RNA检测的高选择性。第四章是基于石墨烯RNA生物传感器的PNA探针和DNA探针的比较。以肽核酸(PNA)为探针,证明了PNA-RNA杂交体系具有更高的热稳定性,大大缩短了检测时间,可实现低至0.1aM的痕量RNA检测。第五章为石墨烯生物传感器用于鸟嘌呤核糖开关和配体之间的生物识别。本工作中,使用已研发的无标记的石墨烯场效应晶体管(G-FET)生物传感器来检测鸟嘌呤核糖开关(GR)与四种嘌呤类似物配体分子(GUA,6GU,2BP,XAN)的结合相互作用。通过G-FET生物传感器获得四个GR-配体对GR-GUA,GR-6GU,GR-2BP,GR-XAN的平衡解离常数K_D和相对结合自由能,并且所得到的结果与通过分子动力学模拟和以前发表的计算结果是一致的。我们证明了G-FET生物传感器可以用作亲和生物传感器来量化生物分子的相互作用。G-FET生物传感器可以作为疾病诊断、遗传筛查和药物发现的新工具。第六章为总结,总结归纳了本研究课题的主要结论和创新点。
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.3;Q503
【图文】：

双螺旋结构

核苷酸是组成核酸的基本单元。不同的核酸具依据不同的化学组成，又可将核酸分为储存遗传信，脱氧核糖核酸主要存在于细胞核、线粒体和叶绿质中，都决定了生物的可遗传性。酸（Deoxyribonucleic acid, DNA）是一种长链聚合，宽度约 2.2~2.4 nm[1]。DNA 的重要功能是存储遗图”或“食谱”。大多数 DNA 与组蛋白紧密结合组他化合物，从而指导生物体的发育与生长。DNA 素组成。它的基本组成单位为脱氧核糖核苷酸，三部分组成，碱基又分为腺嘌呤（adenine，缩写为写为 T）、鸟嘌呤（guanine，缩写为 G）、胞嘧啶[2]。其中 A 和 T，G 和 C 可发生互补配对，因此碱基互补配对原则形成双螺旋二级结构，如图 1-

示意图,中心法则,示意图

工程等领域的研究热点，在生命科学和医学方面具体中扮演着重要的角色，是遗传信息的携带者，在生物的遗传、变异和蛋白质的生物合成中具有会导致人体衰老、损伤、疾病和死亡。1958 年佛朗西斯·克里克提出了分子遗传学的中心法则信息从 DNA 传递到 RNA，再从 RNA 传递到蛋信息转录和翻译的完成。也可以从 DNA 传递到的过程，RNA 也可以进行自我复制过程，这是法则。RNA 在某些病毒(如烟草花叶病毒)中的自中为模板逆转录成 DNA 的过程是对中心法则的核酸统领着中心法则的整条线，在生命体中是不生命的存在。因此，核酸不仅是组成生物细胞的、发育、繁殖、遗传和变异过程中发挥着重要作

原理图,核酸杂交,原理

山东师范大学硕士学位论文1）杂交法酸杂交法是检测复杂核酸混合物中互补靶序列的常用方法之一，主要应生物学、遗传学研究和基因诊断等领域。核酸杂交有多种形式，其rn 杂交[5]、Northern 杂交[6]、原位杂交[7]和斑点杂交[8]是最常用的。虽，但都遵循了核酸分子的碱基互补配对原则。核酸杂交法主要分为两大依据杂交材料划分的，分为 DNA 与 DNA 杂交、DNA 与 RNA 杂交和 RA 杂交；另一类是依据杂交分子状态划分的，分为液固相杂交和液液相图 1-3 所示，核酸杂交的基本原理是核酸变性和复性的过程，双链核酸定物理化学条件下双链打开，又在一定条件下遵循碱基互补配对原则退链的过程[9]。将已知核酸序列和待测核酸序列作为杂交对象，其中已知作为探针，待测核酸序列作为靶目标。

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