石墨烯自2004年被Geim等报道后,以其独特的性能引起了科学家的广泛关注,推动了二维纳米材料领域的发展。石墨烯及衍生物具有优异的物理、化学和机械性能,同时合成方法简便,已被广泛用于研究新颖的纳米生物界面。最近几年,核酸与石墨烯的结合引起了研究者的极大兴趣。核酸稳定、较易修饰,对很多目标物可进行高选择性、特异性和亲和力的识别。因此,核酸DNA修饰的石墨烯等纳米材料具有更优异的性质和功能,如良好的生物相容性和生物分子识别能力,在生物传感、诊断及药物传递应用中有巨大的应用潜力。但还存在一些问题,如石墨烯氧化程度不易控制,影响了与DNA的相互作用,而它们对传感性能有较大影响;不同纳米材料的表面性质迥异,也给DNA修饰带来了很大挑战;在复杂的体系中,如何实现实时的监测并排除非特异试剂取代的干扰亟待解决。深入的理解核酸DNA与石墨烯等纳米材料界面的相互作用对研发各种生物相容的复合材料和生物传感器检测平台非常重要。基于石墨烯纳米材料的生物传感器制备工艺也有待进一步完善。针对以上问题,本文以二维纳米材料(包括石墨烯,金属硫族化合物)为纳米淬灭剂,通过设计DNA序列系统研究了 DNA与石墨烯等二维纳米材料的界面相互作用,并以此为基础研发了多种荧光生物传感器用于检测DNA、重金属离子。本文内容主要分为四个部分:一、DNA和二维石墨烯纳米材料所构建的生物传感器具有灵敏度高、稳定性好、线性范围宽等优点。但石墨烯氧化程度不易控制,限制了其在生物传感器中的应用。本工作制备了不同氧化程度的氧化石墨烯(Graphene Oxide,GO)和还原石墨烯(reduced Graphene Oxide,rGO),将氧含量从40%减少到18.8%。用荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer,FRET)方法研究 DNA和GO、rGO表面的相互作用,并比较了基于GO和rGO的生物传感器检测DNA的效果。结果表明,与GO相比,rGO表面对DNA的吸附能力比GO高2.6倍,rGO表面吸附DNA的速度更快、吸附在rGO上的DNA更不容易受到温度、pH、尿素及有机试剂引起的解吸附的干扰。rGO传感器更不易受到DNA非特异取代的影响。加入互补DNA可有效诱导探针从rGO表面解吸附,rGO传感器的解吸附曲线的信号-背景比值比GO的高4倍,信号-噪音比值比GO的高2倍,这两个比值代表两种传感器的灵敏度,表示rGO传感器的灵敏度更高。综上,减少氧化程度得到的rGO表面含有更多的负电荷和可与DNA π-π堆积的原子区,对DNA的吸附能力更强,构建的传感器对DNA检测的灵敏度更高,更不容易受到非特异取代的干扰。本研究量化研究了石墨烯氧化程度对传感性能的影响,提高了石墨烯传感器对DNA的检测性能。二、为制备性能更好的生物传感器,除了石墨烯纳米材料,近年来有许多新的纳米材料与DNA结合被应用于构建生物传感界面,如二维纳米材料二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)等。MoS2、WS2与GO结构相似,都是重要的二维纳米材料,它们虽都能吸附单链DNA,但由于表面性质迥异,会影响DNA与纳米材料表面间的相互作用,给DNA的修饰带来了很大的影响,目前对DNA和MoS2、WS2界面作用机理的研究还不够深入,限制了其在生物传感中的应用。为此,本章从响应机理和吸附过程展开研究和论述,为石墨烯类二维材料在生物传感分析中的应用奠定了基础。通过研究DNA和MoS2、WS2这几种纳米材料表面吸附和解吸附行为,发现加入不同的变性试剂后DNA更容易从GO解吸附,但加入表面活性剂后MoS2和WS2表面解吸附的DNA更多,由此提出了 MoS2、WS2和GO界面对DNA的响应机理,即DNA通过π-π堆积和氢键吸附在GO表面、通过范德华力吸附在MoS2和WS2表面,并构建了基于MoS2、WS2和GO的荧光传感界面,实现了对DNA的灵敏测定,检测限分别为1.48nM、2.92nM、和1.61 nM。以上界面理论的研究为设计及优化基于DNA和二维材料的传感设备奠定了基础。三、DNA修饰的纳米材料在自组装、生物传感以及药物递送等领域有着广泛的应用前景,其中一个关键的环节是DNA定向修饰从而实现纳米材料的功能化。然而,不同类型的纳米材料表明性质迥异,给DNA修饰带来了很大的挑战。为了进一步提高DNA在纳米材料表面的修饰效率及稳定性,本章系统研究了简单重复的DNA序列与纳米材料间的相互作用,并发现poly-C(聚胞苷酸)DNA可作为通用的配体与四类常见的但不同的表面进行强吸附,这几类材料不仅包括前几章研究的纳米碳材料(单层氧化石墨烯和单层碳纳米管)、过渡金属二硫化物(MoS2和WS2),还包括过渡金属氧化物(Fe3O4和ZnO)、金属纳米粒子(Au和Ag)。相对于其他序列,poly-C能够更紧密地结合前三类纳米材料。而且当DNA整体的吸附能力较弱时,poly-C的表现尤为突出。含poly-CDNA修饰的氧化石墨烯对互补链的捕捉要快于含poly-A修饰的氧化石墨烯。本研究提供了将功能DNA连接在多数通用纳米材料的方法,实现了纳米材料表面功能化,并适用于DNA检测。四、用物理吸附法将DNA连接在GO表面构建的传感器容易受到非特异试剂取代的影响,无法在复杂体系中实现对目标物的实时监控。为此,本章将连有荧光团的DNA探针通过EDC/NHS交联反应共价固定到GO表面,荧光发生淬灭,加入待测物Hg2+后,荧光团与GO表面距离增大,荧光信号恢复。荧光的恢复程度与Hg2+的浓度成正比,从而达到定量检测Hg2+的目的。该方法构建的共价传感器与物理吸附法构建的非共价传感器在灵敏度、选择性、信号动力学和重复性方面进行了对比。结果表明,DNA与氧化石墨烯表面结合方式的不同会影响传感界面的效果,与非共价传感器相比,共价传感器更稳定、重复性好,不易受到非特异探针取代的影响,具有商的灵敏度和相似的选择性。共价传感和非共价传感器的对Hg2+的检测限分别为163和20.6nMHg2+,灵敏度分别为1.58和1.93倍/μM Hg2+,并实现了对实际样本中Hg2+检测,为复杂体系中金属离子的实时监测提供了解决方法。