SERS纳米探针和电化学纳米界面用于生物诊断的新方法

发布时间：2019-05-07 06:17

【摘要】：疾病的早期诊断是目前临床医学面临的巨大挑战之一,发展灵敏度高、简单快速以及便携的生物诊断新方法尤为重要。近年来,DNA纳米技术和无机纳米材料的快速发展,为发展新型的生物诊断方法提供了新的思路。SERS光谱具有峰窄、灵敏度高、抗光漂白、不受生物样本自发荧光干扰以及能够快速实时原位检测的特点,被广泛应用于生物分析和成像中。电化学检测具有灵敏度高、快速、廉价以及易于集成等特点也得到生物传感器的青睐。本文就结合生物纳米材料和SERS以及电化学检测手段主要做了以下四个方面的工作。1.“即用型”多色金-银纳米蘑菇SERS探针用于超灵敏和多元的核酸检测合成具有强而稳定的表面增强拉曼散射(SERS)信号的含银金属纳米结构对于开发用于生物检测的超灵敏探针具有很大的前景。然而,直接合成“即用型”纳米探针仍然是非常具有挑战性的。在这里我们合成了DNA介导的含有纳米空隙的金银纳米蘑菇,并将之用于多种DNA和RNA的同时检测。纳米结构中的DNA不仅可以作为间隙DNA(介导的DNA),而且可以作为探针DNA(杂交DNA),并且具有识别DNA和RNA靶标的能力。重要的是,我们建立了生成多色SERS探针的两种不同策略。第一,将拉曼分子标记的巯基DNA组装在金纳米颗粒上;第二将拉曼分子与探针DNA共同组装在金纳米颗粒上。这种“即用型”SERS探针也为开发各种生物分子的超灵敏检测方法提供了巨大的潜力。2.多元甲基化特异的酶连核苷酸分析(MS-ELONA)方法用于DNA甲基化的定量研究癌症相关基因启动子甲基化的变化在致癌过程中起着重要作用,DNA甲基化具有早期癌症诊断的潜力。我们构建了MS-ELONA方法用于DNA甲基化的多元和高灵敏度检测。首先用甲基化特异的引物去扩增亚硫酸氢盐处理的DNA,然后将PCR产物固定在丝网印刷碳电极(SPCE)上。在超过10万倍的未甲基化等位基因存在的情况下,我们可以检测到2 pg的甲基化DNA。我们还通过用去甲基化药物处理癌细胞来检测药物对DNA甲基化的可逆修饰,并能够用于筛选抗肿瘤药物以及可用作肿瘤标志物的甲基化DNA。结合自主研发的16通道电化学工作站以及16通道丝网印刷电极,我们的研究提供了一种简单,便宜和多元的平台用来量化特定基因的甲基化水平,并有潜力应用于临床研究中。3.基于智能手机的电化学生物传感器用于血清中外泌体即时检测以及监测外泌体的分泌外泌体是由哺乳动物细胞主动分泌的纳米级囊泡,其携带者亲代细胞的遗传信息,在细胞间通讯起着重要作用。外泌体也可以作为潜在的生物标志物,可用于癌症诊断和术后预测。在这里,我们结合智能手机开发了一种超灵敏和便携式电化学方法定量分析外泌体。利用基于聚合物HRP的信号放大,只需要5μL样本,我们就可以在2小时内检测到7.23 ng外泌体。我们还可以直接捕获5μL血清中的外泌体和细胞培养上清液。利用CD63阳性外泌体检测系统,我们的研究发现CD63在前列腺患者血清中外泌体的表达较少,对前列腺癌的诊断具有广阔的应用潜力。此平台也可以用于监测药物治疗后癌细胞外泌体的分泌,并有潜力用于现场测定。4.基于DNA四面体的碳基电化学传感检测平台与多种类分子诊断近年来随着纳米科学与技术的发展,纳米材料修饰的丝网印刷碳电极由于具有制备简单,价格低廉,容易集成等优点已经被广泛应用于电化学生物传感领域中,在环境,卫生,食品,诊断等领域中展现了其广阔的应用前景,因此构建基于丝网印刷碳电极的简易且通用的电化学检测平台尤为重要。目前由于丝网印刷碳电极具有较为粗糙的表面,易产生非特异性吸附,以及探针方向不可控等缺陷,基于丝网印刷碳电极的核酸检测平台的研究较少,这极大的限制了其在核酸研究中的应用。本文首次报道了利用DNA四面体修饰的丝网印刷碳电极通用平台,其可以解决碳界面的缺陷,并且能够应用于多种生物活性分子的检测。通过简单的共价偶联就能将DNA四面体固定在碳界面上,制作工艺简单,通过改变DNA四面体延伸出来的探针序列就可以用于不同的靶标分析中。在这里我们设计了gap杂交,“三明治夹心”以及核酸适配体递减策略分别用于mi RNA141,凝血酶以及ATP的检测,具有较高的信噪比以及检测灵敏度和特异性。此外,DNA四面体丝网印刷碳电极通用检测平台能够成功应用于血清样本中。因此,具有高信噪比的DNA四面体通用碳纳米生物传感界面极大的拓展了其在核酸研究中的应用并且具有应用于临床疾病诊断的潜力。
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【学位授予单位】：中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：R446;TB383.1

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