DNA生物传感器及其在微流控芯片实验室中的应用研究

发布时间：2017-04-27 09:11

  本文关键词：DNA生物传感器及其在微流控芯片实验室中的应用研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着经济的发展和社会的进步，人们对健康医疗提出了更高的要求，而无论疾病的有效预防抑或治疗，都迫切需要便捷低廉、灵敏快速的人体医学检测手段；另一方面，环境污染、食品安全、恐怖袭击等带来的问题对人类的生存造成严重威胁，对环境污染物、食品添加剂、病毒细菌等目标的现场检测，也需要微型便携、操作简便、快速灵敏的检测分析设备。因此，便携便捷、低耗低廉、灵敏快速的生物学、化学检测分析手段是医学、环境、食品、反恐等多个社会领域的热点需求。 生物传感器是以生物材料或其衍生物作为分子识别元件的分析器件，具有专一性强、灵敏度高、分析过程简便等优势；微流控芯片实验室是在数平方厘米的芯片上构建的具有混合、分离、反应、检测等实验室操作综合功能的一体化平台，具有微型化、集成化、自动化、试剂能源低耗化等优势。本文旨在通过DNA生物传感器的方式，利用纳米技术、核酸适配体技术，实现对病毒基因、细菌细胞的快速检测，通过“非标记检测”、“完整细胞检测”等理念的实现，简化检测过程，提高检测效率；进一步地，分别将纳米DNA生物传感器、核酸适配体DNA生物传感器与微流控芯片实验室技术相结合，发挥二者各自的优势，以期实现便携便捷、低耗低廉、灵敏快速的分析检测目标。 本论文主要研究了包括纳米DNA生物传感器与核酸适配体DNA生物传感器在内的两类DNA生物传感器的构建及其结合微流控芯片实验室的应用。一方面，以基于碱基特异识别功能的DNA分子为分子识别元件，以纳米材料氧化石墨烯为换能元件，共同组成纳米生物传感器，实现对病毒基因的特异性检测；在此基础上，将纳米生物传感器作为检测模块，耦合到微流控芯片上，结合微流控芯片的进样、混合等模块，实现对病毒基因的低耗、快速检测。另一方面，以DNA分子空间立体识别功能为基础，建立Whole-cell SELEX的方法，筛选获得细菌细胞核酸适配体，实现对细菌完整细胞的高特异性、高亲和力识别；在此基础上，将核酸适配体固载到微流控芯片上，实现对细菌细胞的选择性捕获与检测。 一、研究了基于荧光共振能量转移（FRET）的纳米DNA生物传感器，实现了对病毒基因的快速检测。以目标基因的互补DNA分子荧光探针作为分子识别元件，以纳米材料氧化石墨烯作为换能元件，共同组成纳米生物传感器。氧化石墨烯能够吸附单链分子荧光探针并发生FRET效应导致荧光猝灭，当目标基因存在时，与分子荧光探针发生特异的碱基配对，形成双链复合物并从氧化石墨烯表面脱落，从而使荧光恢复。整个过程无需对目标分子进行标记，实现Analyte Label-Free (ALF)检测模式。 通过研究氧化石墨烯浓度对分子探针荧光猝灭的依赖关系，确定了纳米生物传感器构建过程中二者的最优组成为50μg/mL:20nM。纳米传感器构建完成后，分别对目标基因和具有错配碱基的对照基因的进行检测，结果表明纳米传感器对目标基因的检测具有特异性；通过对梯度浓度目标基因的检测信号的研究，表明纳米传感器对目标基因的检测具有定量能力，并取得基因浓度与检测信号的定量数学公式。更进一步，利用多聚分子聚乙烯吡咯烷酮（PVP）优化提升了纳米生物传感器对基因分子的检测能力，检测限从62.35nM降低到1.56nM，降低近50倍。此外，还通过研究纳米生物传感器检测目标基因的反应动力学，推测了纳米生物传感器检测基因分子时可能存在的物理化学机制。 二、将纳米生物传感器耦合到微流控芯片实验室，实现对病毒基因的快速检测。发挥纳米生物传感器对病毒基因的特异性、非标记的快速检测优势，作为分子识别检测模块耦合到微流控芯片上，结合微流控芯片的进样、混合等功能模块，实现对病毒基因的低耗、快速检测。 建立了多层三维精细结构光胶芯片的制作工艺，研究了芯片制作过程中镀铬载体、接触式光刻、复印式曝光、压力紫外联合键合等多项关键技术，保证了多层三维精细结构的成功构建，并实现了芯片加工制作的高效性和高成品率。芯片构建了进样、混合、检测、出样等不同功能区，，其中在混合区设计制作了被动式Zigzag与Chaotic耦合微混合器，实现微流控芯片样品试剂的自动混合。芯片面积微小，仅有5.40cm2，并设有多个平行单元，能够完成多组样品的同时检测。 将样品与检测液同时加入到微流控芯片中，完成进样、混合、检测、出样等实验流程，实现对病毒基因的快速检测。研究了在微流控芯片实验室中氧化石墨烯浓度与分子探针荧光猝灭效率的相关性，确定了纳米生物传感器构建过程中氧化石墨烯与荧光分子探针的最优组成为300μg/mL:1μM。微流控芯片实现对目标基因、碱基错配基因、对照样品等的同时测定，结果表明基于纳米生物传感器的微流控芯片对目标基因检测具有特异性；通过对梯度浓度目标基因的检测，结果表明基于纳米生物传感器的微流控芯片对目标基因检测具有一定的定量能力。 三、通过建立Whole-cell SELEX方法，完成大肠杆菌活细胞核酸适配体的筛选与表征。Whole-cell SELEX方法直接以自然状态下的活细胞为目标，通过多轮进化式筛选，从寡核苷酸文库中筛选富集得到对细菌表面分子有高特异性及亲和力的核酸适配体。 在Whole-cell SELEX核酸适配体筛选过程中，通过对竞争分子数量的调节，不断提高筛选进化的压力，使核酸适配体的特异性增强；同时在每一轮筛选完成后，对富集得到的核酸适配体文库进行质量监测和亲和力监测，保证SELEX的效果。Whole-cellSELEX筛选进行了八轮，对核酸适配体文库与大肠杆菌的亲和力监测显示，亲和力随筛选轮数的增加而逐渐增大，到第六轮时到达峰值64.7%。 将亲和力最高的第六轮筛选富集到的核酸适配体库进行克隆与测序，最终获得40条理想的核酸适配体序列。通过模拟的方法对核酸适配体的序列和高级结构进行了分析，结果表明核酸适配体形成了茎环类及G-四链体的立体结构，推测核酸适配体可能通过茎环、G-四链体或复合结构与细菌细胞表面分子相互作用，发生特异性识别与结合。通过流式细胞术，测定了核酸适配体的亲和力与特异性，表明核酸适配体对目标细菌普遍具有较强的亲和力，最高到达62.3%，而且相比于其他细菌，核酸适配体对目标细菌具有更强的亲和力，这表明了核酸适配体对目标细菌的识别结合具备相当的特异性。此外，通过测定梯度浓度的核酸适配体对目标细菌的亲和力，拟合计算出核酸适配体与大肠杆菌结合的解离常数为24.8±2.7nM，定量反映了核酸适配体对目标细菌具有较强的亲和力。 四、将核酸适配体耦合到微流控芯片实验室，实现对细菌细胞的选择性捕获与检测。发挥核酸适配体对细菌细胞特异性识别与结合的优势，作为细胞识别捕获元件固载到微流控芯片上，结合微流控芯片的优势，实现对细菌细胞的选择性捕获与检测。整个过程直接以自然状态下细菌的整细胞为检测目标，无需复杂的分离提纯过程，有助于检测过程的简化和效率的提高。 建立了PDMS-Glass杂合微流控芯片的制作工艺，研究了芯片制作过程中等离子氧化处理的时间及高深宽比条件下微通道宽度对芯片键合的影响。研究了通过生物素-亲和素高亲和力固载核酸适配体的方法，考察了核酸适配体在微流控芯片上的固载效果，实验证实了核酸适配体固载数量与浓度的相关性。通过微流控芯片、进样装置、检测装置等的组装，完成基于核酸适配体的微流控芯片实验室的构建。然后通过模式蛋白的检测，对基于核酸适配体的微流控芯片进行了性能测试，验证了装置的可行性。完成了基于核酸适配体的微流控芯片对细菌细胞的选择性捕获与检测，结果显示目标细菌细胞在微流控芯片上被捕获的数目比对照细胞高2个近数量级，表明固载有大肠杆菌核酸适配体的微流控芯片能够选择性地捕获大肠杆菌，实现对大肠杆菌的选择性捕获与检测；通过对梯度浓度的目标细菌检测的研究，表明微流控芯片对目标细菌的检测具有一定的定量能力，并取得细菌与检测信号的定量数学公式。 总之，基于FRET的纳米生物传感器的构建及大肠杆菌核酸适配体的筛选，将有助于从基因水平、细胞水平对目标物的快速、灵敏、特异检测；而纳米生物传感器、核酸适配体传感器结合微流控芯片实验室技术的研究，将助于实现便携便捷、低耗低廉、灵敏快速的分析检测手段，在医学诊断、环境保护、食品安全、反恐检测等领域发挥积极的作用。
【关键词】：DNA生物传感器 纳米生物传感器 核酸适配体 微流控芯片实验室 SELEX
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.3;O652
【目录】：

• 摘要5-9
• Abstract9-13
• 缩略词表13-18
• 第1章 绪论18-38
• 1.1 研究的目的和意义18-19
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势19-36
• 1.2.1 微流控芯片实验室及其发展历程19-22
• 1.2.2 微流控芯片加工材料与制作工艺22-24
• 1.2.3 DNA 生物传感器的研究发展24-26
• 1.2.4 FRET 技术的研究发展26-28
• 1.2.5 纳米生物传感器的研究发展28-30
• 1.2.6 核酸适配体发展历程及 SELEX 筛选方法30-34
• 1.2.7 核酸适配体传感器的研究发展34-36
• 1.3 主要研究内容36-38
• 第2章 基于 FRET 的纳米生物传感器对基因快速检测的研究38-52
• 2.1 实验试剂与仪器39-40
• 2.1.1 实验试剂39-40
• 2.1.2 仪器设备40
• 2.1.3 溶液配制40
• 2.2 实验方法40-43
• 2.2.1 氧化石墨烯猝灭单链 DNA 荧光的浓度优化40-41
• 2.2.2 纳米生物传感器基于 FRET 原理实现目标基因的检测41
• 2.2.3 纳米生物传感器检测目标基因过程的反应动力学41
• 2.2.4 纳米生物传感器对基因检测的特异性41-42
• 2.2.5 纳米生物传感器对基因检测的定量分析42
• 2.2.6 利用 PVP 提高纳米生物传感器的检测限42-43
• 2.3 结果与讨论43-50
• 2.3.1 传感器设计思路43-44
• 2.3.2 氧化石墨烯猝灭单链 DNA 荧光的浓度优化44-45
• 2.3.3 纳米生物传感器基于 FRET 原理对目标基因的检测45-46
• 2.3.4 纳米生物传感器检测目标基因过程的反应动力学46-47
• 2.3.5 纳米生物传感器对基因检测的特异性47
• 2.3.6 纳米生物传感器对基因检测的定量分析47-48
• 2.3.7 利用 PVP 提高检测限48-50
• 2.4 本章小结50-52
• 第3章 基于纳米生物传感器的微流控芯片对基因的快速检测52-72
• 3.1 实验试剂与仪器53-55
• 3.1.1 实验试剂53-54
• 3.1.2 仪器设备54-55
• 3.1.3 溶液配制55
• 3.2 实验方法55-57
• 3.2.1 多层微流控芯片的制作55-56
• 3.2.2 纳米生物传感器的制备56
• 3.2.3 微流控芯片实验室氧化石墨烯猝灭荧光的优化56
• 3.2.4 基于纳米生物传感器的微流控芯片实验室对基因的检测56-57
• 3.2.5 基于纳米生物传感器的微流控芯片实验室对基因检测的特异性57
• 3.2.6 基于纳米生物传感器的微流控芯片实验室对基因检测的定量性57
• 3.3 结果与讨论57-70
• 3.3.1 微流控芯片的设计57-59
• 3.3.2 纳米传感器的设计59
• 3.3.3 被动式 Zigzag 与 Chaotic 耦合微混合器59-61
• 3.3.4 纳米传感器微流控芯片的组装61-64
• 3.3.5 微流控芯片检测平台氧化石墨烯浓度对荧光猝灭的影响64-66
• 3.3.6 基于纳米生物传感器的微流控芯片实验室对基因的特异性检测66-68
• 3.3.7 基于纳米生物传感器的微流控芯片实验室对基因的定量检测68-70
• 3.4 本章小结70-72
• 第4章 基于 WHOLE-CELL SELEX 的细菌核酸适配体筛选的研究72-104
• 4.1 实验试剂及仪器73-76
• 4.1.1 实验试剂73-75
• 4.1.2 仪器设备75
• 4.1.3 溶液配制75-76
• 4.2 实验方法76-80
• 4.2.1 ssDNA 的制备76-77
• 4.2.2 基于 Whole-cell 的 SELEX 过程77
• 4.2.3 ssDNA 的扩增77-78
• 4.2.4 筛选过程中核酸适配体库亲和力的检测78
• 4.2.5 核酸适配体的克隆测序及结构分析78-79
• 4.2.6 核酸适配体亲和力的测定79
• 4.2.7 核酸适配特异性的测定79
• 4.2.8 核酸适配体解离常数的测定79-80
• 4.3 结果与讨论80-103
• 4.3.1 大肠杆菌核酸适配体 Whole-cell SELEX80-83
• 4.3.2 筛选过程中核酸适配体库亲和力的监测83-85
• 4.3.3 核酸适配体的克隆及测序85-87
• 4.3.4 核酸适配体的序列与结构分析87-95
• 4.3.5 核酸适配体的亲和力95-96
• 4.3.6 核酸适配体的特异性96-101
• 4.3.7 核酸适配体与大肠杆菌结合的解离常数101-103
• 4.4 本章小结103-104
• 第5章 基于核酸适配体生物传感器的微流控芯片对细菌细胞的检测104-126
• 5.1 实验试剂及仪器105-107
• 5.1.1 实验试剂105-106
• 5.1.2 仪器设备106-107
• 5.1.3 溶液配制107
• 5.2 实验方法107-112
• 5.2.1 PDMS 微流控芯片的制作107-109
• 5.2.2 核酸适配体在微流控芯片上的固载109-110
• 5.2.3 基于核酸适配体传感器的微流控芯片装置的搭建110
• 5.2.4 基于核酸适配体传感器的微流控芯片性能的测试110-111
• 5.2.5 细菌数量标准曲线的测定111
• 5.2.6 基于核酸适配体传感器的微流控芯片对细菌细胞的检测111-112
• 5.3 结果与讨论112-123
• 5.3.1 实验设计思路112-113
• 5.3.2 微流控芯片的制作113-116
• 5.3.3 微流控芯片检测装置的建立116-117
• 5.3.4 核酸适配体在微流控芯片上的固载效果的考察117-118
• 5.3.5 基于核酸适配体传感器的微流控芯片的性能测试118-120
• 5.3.6 基于核酸适配体传感器的微流控芯片对细菌细胞的检测120-123
• 5.4 本章小结123-126
• 结论126-132
• 参考文献132-142
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单142-144
• 致谢144-145

【共引文献】

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