基于双发卡型和Y型结构DNA构建的电化学生物传感器在汞离子和ATP分析检测中的应用
本文关键词：基于双发卡型和Y型结构DNA构建的电化学生物传感器在汞离子和ATP分析检测中的应用，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：快速、廉价、高选择性和高灵敏度检测与生命活动相关的小分子与蛋白质,与疾病相关的特征DNA序列以及重金属污染物是现代生物化学研究的重要课题。近年来,随着科技的不断发展,DNA电化学生物传感器作为一门新兴的、涉及生物化学、医学、电化学及信息技术等领域的交叉学科,已被广泛应用到基因诊断、环境监测、药物研究等领域。DNA电化学生物传感器是一类以核酸分子作为识别元素,以电极作为信号转换器的生物传感器。核酸分子探针具有特异性强、结构简单、靶物质分子广泛及易于大量化合成等优点。DNA电化学生物传感器结合了核酸探针的优异性能和电化学检测方法的高灵敏度特性,在现代生物传感器研究领域中占主体地位。此外,关于发掘核酸修饰电极的新性能、设计与制备新型核酸探针、开发新型高效的DNA电化学传感器的研究也越来越受到大家的关注。本论文基于DNA的双发卡型和Y型结构,通过结合比率法和核酸外切酶III辅助的信号循环放大策略构建了四种新型电化学生物传感器,实现了对汞离子和ATP的高灵敏高选择性检测。主要内容如下:1.基于双标记的DNA双发卡结构和插入法构建用于灵敏检测ATP的电化学生物传感器本章基于双标记的双发卡DN A及插入法构建了一种用于检测ATP的电化学适配体传感器。首先将巯基和亚甲基蓝(MB)标记的适配体探针插入到电极表面修饰了二硫苏糖醇(DTT)单分子层的金电极上,此时MB标记的辅助探针能够在电极表面与适配体探针进行杂交形成双发卡DNA结构。在没有ATP存在的情况下,这种稳定的双发卡结构拉近了MB与电极表面之间的距离,可以检测到很强的电流信号。当有ATP存在时,适配体探针与ATP之间的特异性结合使得适配体探针末端的MB远离电极表面,辅助探针离开电极,使检测到的电流信号明显降低。该传感器检测ATP的线性浓度范围浓度为5 nmol L-1-1μmol L-1,最低检出限为1.4 nmol L-1。2.基于使用插入法和DNA双发卡结构作为信号放大技术构建一种用于灵敏检测汞离子的可再生电化学生物传感器本章研究了一种简单有效的用于检测汞离子的电化学生物传感器。这种新颖的传感器采用插入法将巯基标记的DNA探针插入到已组装了一层二硫苏糖醇(DTT)分子的金电极表面上,提高了DNA探针间的杂交效率。文章中通过比较分析采用单发卡DNA结构制备的电化学传感器与采用双发卡DNA结构制备的电化学传感器之间阻抗值的变化,发现双发卡DNA结构修饰的电化学传感器具有更高的灵敏度,基于这个发现构建了双发卡DNA修饰的用于高灵敏检测汞离子的电化学生物传感器。该传感器检测汞离子的线性浓度范围为0.1 nmol L L-1-5μmol L-1,最低检出限为28 pmol L-1.此外,该传感器不仅具有良好的选择性,而且具有良好的可再生性。3.基于DNA在Y型与发卡型结构之间的转换制备的用于检测Hg2+可再生比率式生物传感器本章结合比率法和Y型结构DNA构建了一种简单的,可靠的检测Hg2+的电化学生物传感器。在该工作中,首先将分别标记了亚甲基蓝和二茂铁标记的两条DNA探针通过简单的退火处理让其形成Y型结构的DNA。然后将制备好的Y型DNA利用Au-S键自组装到电极表面,此时通过电化学方法测量可以观察到一个很明显的二茂铁的电流信号和一个较为微弱的亚甲基蓝的电流信号。最后将该传感器与Hg2+后,由于T碱基与Hg2+间的特异性作用使得Y型DNA结构转变为发卡型结构。在这个过程中,亚甲基蓝逐渐靠近电极表面,二茂铁随着DNA探针离开电极表面。随着Hg2+浓度的增加,所检测到的亚甲基蓝的电流信号逐渐增大,而二茂铁的电流信号逐渐减小。利用这种信号比率式电化学生物传感器检测Hg2+的线性范围为1 nmol L-1-5μmol L-1,检测限为0.094 nmol L-1。4.基于核酸外切酶III辅助放大信号构建灵敏选择性检测Hg2+的可再生比率生物传感器本章研制一种基于核酸外切酶III(Exo III)辅助放大信号的可再生比率式生物传感器,并成功应用于Hg2+的高灵敏、高选择性检测。该传感器首先将分别标记了亚甲基蓝和二茂铁的两条DNA探针在溶液中杂交形成Y型DNA结构,然后将其自组装到电极表面,此时可以检测到一个微弱的亚甲基蓝的电流信号和一个较为明显的二茂铁的电流信号。在有Hg2+存在情况下,二茂铁标记的探针(Fc-probe)与溶液中的辅助链在Hg2+作用下形成双螺旋结构后离开电极表面,使Y型DNA转变为由单一的亚甲基蓝标的探针(MB-probe)形成的发卡型结构。此时,由于Exo III能选择性剪切双链结构中的Fc-probe,释放出的Hg2+和辅助探针能继续与电极上的Y型DNA作用,实现了目标的循环反应。此时用电化学方法检测可以发现亚甲基蓝的电流信号明显增强而二茂铁的电流信号明显降低。这种信号比率型电化学生物传感器检测Hg2+的线性范围为5 pmol L-1-20 nmol L-1,检测限为1.63 pmol L-1。
【关键词】：电化学DNA生物传感器 汞离子 三磷酸腺苷 双发卡DNA Y型DNA
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.1;TP212
【目录】：
- 摘要6-9
- ABSTRA CT9-12
- 第一章 绪论12-24
- 1.1 引言12
- 1.2 核酸电化学生物传感器概述12-13
- 1.3 DNA核酸探针的概述13-18
- 1.3.1 基于杂交识别作用的DNA分子探针13-16
- 1.3.2 基于核酸适配体的分子探针16-18
- 1.4 核酸探针在电极表面的固定方法18-19
- 1.4.1 自组装膜法18
- 1.4.2 生物素一亲和素结合法18
- 1.4.3 共价键合法18-19
- 1.5 电化学核酸传感器的信号转换19
- 1.6 本文的主要研究目的及研究内容19-20
- 1.6.1 研究目的19-20
- 1.6.2 研究内容20
- 参考文献20-24
- 第二章 基于双标记的双发卡型DNA和插入法构建用于灵敏检测ATP的电化学生物传感器24-37
- 2.1 摘要24
- 2.2 引言24-25
- 2.3 实验部分25-27
- 2.3.1 实验药品与试剂25-26
- 2.3.2 实验仪器26
- 2.3.3 电极预处理26
- 2.3.4 传感器的制备26-27
- 2.3.5 传感器用于检测ATP27
- 2.4 结果与讨论27-34
- 2.4.1 电化学生物传感器检测ATP的工作原理27-28
- 2.4.2 电极组装过程的EIS和CV表征28-29
- 2.4.3 利用双发卡结构提高传感器的灵敏度与重现性29-31
- 2.4.4 实验条件的优化31-32
- 2.4.5 传感器的灵敏度32
- 2.4.6 传感器的选择性32-33
- 2.4.7 传感器在血清样品中的应用33-34
- 2.5 结论34
- 参考文献34-37
- 第三章 基于插入法和DNA双发卡结构作为信号放大技术构建的用于灵敏检测HG~(2+)的可再生电化学生物传感器37-55
- 3.1 摘要37
- 3.2 引言37-38
- 3.3 实验部分38-39
- 3.3.1 实验药品与试剂38
- 3.3.2 实验仪器38
- 3.3.3 电极的预处理38-39
- 3.3.4 传感器的制备39
- 3.3.5 双发卡DNA传感器对于Hg~(2+)的检测39
- 3.4 结果与讨论39-49
- 3.4.1 电化学生物传感器检测Hg~(2+)的工作原理39-41
- 3.4.2 电极组装过程的EIS和CV表征41-42
- 3.4.3 插入法的优点及双发卡DNA的信号放大作用42-45
- 3.4.4 实验条件的优化45-46
- 3.4.5 传感器的灵敏度46-47
- 3.4.6 传感器的选择性47-48
- 3.4.7 传感器在实际水样中的应用48-49
- 3.4.8 传感器的可再生性研究49
- 3.5 结论49-51
- 参考文献51-55
- 第四章 基于DNA在Y型与发卡型结构之间的转换制备的选择性检测HG~(2+)的再生比率生物传感器55-71
- 4.1 摘要55
- 4.2 引言55-57
- 4.3 实验部分57-58
- 4.3.1 实验药品和试剂57
- 4.3.2 实验仪器57
- 4.3.3 电极的预处理57-58
- 4.3.4 传感器的制备58
- 4.3.5 双发卡DNA传感器对于Hg~(2+)的检测58
- 4.4 结果与讨论58-66
- 4.4.1 电化学生物传感器检测Hg~(2+) 的工作原理58-59
- 4.4.2 电化学生物传感器检测Hg~(2+) 的可行性59-60
- 4.4.3 电极组装过程的CV和EIS表征60-61
- 4.4.4 实验条件的优化61-62
- 4.4.5 传感器的灵敏度62-63
- 4.4.6 传感器的选择性、稳定性及重现性63-65
- 4.4.7 传感器的可再生性研究65
- 4.4.8 传感器在实际水样中的应用65-66
- 4.5 结论66
- 参考文献66-71
- 第五章 基于核酸外切酶Ⅲ辅助放大信号构建灵敏选择性检测HG~(2+)的可再生比率生物传感器71-85
- 5.1 摘要71
- 5.2 引言71-72
- 5.3 实验部分72-74
- 5.3.1 实验药品和试剂72-73
- 5.3.2 实验仪器73
- 5.3.3 电极的预处理73
- 5.3.4 传感器的制备73-74
- 5.3.5 比率法传感器对于Hg~(2+)的检测74
- 5.4 结果与讨论74-82
- 5.4.1 电化学生物传感器检测Hg~(2+)的工作原理74-75
- 5.4.2 电化学生物传感器检测Hg~(2+)的可行性75-76
- 5.4.3 电极组装过程的CV和EIS表征76-77
- 5.4.4 实验条件的优化77-78
- 5.4.5 传感器的灵敏度78-79
- 5.4.6 传感器的选择性及重现性79-80
- 5.4.7 传感器的可再生性研究80-81
- 5.4.8 传感器在实际水样中的应用81-82
- 5.5 结论82
- 参考文献82-85
- 攻读硕士期间的研究成果85-86
- 致谢86
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