基于滚环扩增技术构建DNA功能纳米材料用于葡萄糖光/电化学传感分析

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DNA功能纳米材料因其良好的生物相容性、序列可编程性、尺寸和结构可控等优点被广泛应用于生物传感、疾病诊疗等领域。滚环扩增技术(rolling circle amplification,RCA)是一种等温酶促放大反应,具有操作简便、放大效率高等优点。本文基于RCA合成了一系列DNA花状功能纳米材料,并将其成功应用于荧光、电化学和比色法生物传感器的构建,实现了葡萄糖分子的高灵敏、高特异性检测,为DNA纳米技术和葡萄糖生物传感器的发展提供了新方法和新思路。本论文主要开展了以下三个方面的工作:一、基于滚环扩增技术原位合成DNA花稳定的银纳米簇用于荧光检测葡萄糖本工作通过对RCA模板的合理设计,得到具有大量银纳米簇(Agnanoclusters,AgNCs)成核序列的DNA花状结构(DNA flowers,DFs),通过以DFs为模板原位合成荧光AgNCs,制备得到水溶性好、荧光性能稳定的DNA功能纳米材料(DFs/AgNCs),并对其形貌、元素组成、荧光性质等进行了系统研究。基于葡萄糖氧化酶(glucose oxidase,GOx)催化葡萄糖氧化产生的过氧化氢(H2O2)对AgNCs的荧光猝灭性质,将DFs/AgNCs作为荧光探针用于葡萄糖的快速、灵敏检测,对葡萄糖的检测限达20μM,线性范围为50μM-1.0 m M,并成功应用于人血清中葡萄糖的有效、准确分析,对复杂生理环境中葡萄糖的分析和监测具有重要意义。二、基于银离子诱导的DNA构象转变构建电化学生物传感器检测葡萄糖本工作基于银离子(Ag+)诱导的DNA捕获探针构象转变构建了一种新型电化学生物传感器,实现了葡萄糖的高灵敏、高特异性检测。首先通过Au-S键将电活性二茂铁功能化的单链DNA(Fc-DNA)捕获探针固定在Au电极表面,并对修饰电极进行电化学表征。在GOx和葡萄糖存在时,DFs/AgNCs作为Ag+产生器释放Ag+,进一步通过胞嘧啶(C)-Ag+-胞嘧啶(C)配位作用诱导线性Fc-DNA捕获探针形成发夹结构,进而将远离电极的Fc带到电极表面,产生电子转移,引发电流信号的增强。结合GOx的专一性和C-Ag+-C配位作用的高特异性,所构建的电化学生物传感器实现了对葡萄糖的高灵敏、高特异性检测,检测限达0.26μM,线性范围为5-600μM。该工作为AgNCs的应用和电化学生物传感器的发展提供了理论依据和应用模型。三、铜离子介导的RCA自组装构建级联酶催化体系用于比色法检测葡萄糖本工作基于长链RCA产物液晶化以及铜离子(Cu2+)与DNA分子之间的配位作用,自组装形成一种高产率、高催化能力的三维DNA花状结构,实现了GOx和Cu2+的共同封装(GOx/Cu-DFs)。对所制备的DNA功能纳米材料的形貌、元素组成、催化活性等进行了系统研究,表现出优异的GOx催化活性。由于在RCA产物自组装过程中引入Cu2+,可有效增强RCA产物的自组装能力,进而提高纳米材料的产率。此外,Cu2+具有催化类芬顿反应产生羟基自由基(·OH)的性质,从而赋予纳米材料类过氧化物酶活性。将该级联酶催化体系用于构建葡萄糖比色法传感平台,实现了葡萄糖的有效、准确检测,检测限达0.45μM,线性范围为2-400μM,并成功应用于人体血清中的葡萄糖分析与检测,为DNA功能纳米材料和葡萄糖生物传感器的构建与发展提供了新思路和新方法。
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