基于功能核酸识别与信号放大的抗生素光学生物传感新策略

作     者：宇文新月 

作者单位：湖北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赖国松

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 070302[理学-分析化学] 0802[工学-机械工程] 0703[理学-化学] 

主      题：生物传感器 功能核酸 核酸信号放大 DNA纳米结构 抗生素检测 

摘      要：近年来,抗生素作为一种重要的抗菌药物被广泛应用于农业、畜牧业和人类医疗卫生等多个领域。然而,抗生素药物的滥用及其在食品中的残留富集对公众健康构成了巨大威胁。目前,传统的抗生素的检测方法由于受到样品前处理繁琐、操作要求高、设备昂贵等因素限制,仅适用于实验室条件下的分析检测。与之相比,基于功能核酸所构建的光学生物传感器,由于能特异性的将靶标物识别信息转换成便于分析和检测的光学信号,近年来成为了分析化学学科领域的研究热点。然而,实际样品中的抗生素含量通常较低,如何建立灵敏度高、可靠性好且能够实现靶标物现场检测的分析方法显得尤为重要。幸运的是,功能核酸的可编程性使其能够在游离态、靶标结合态以及DNA双链三种状态中自由切换,这种特性可以与多种等温核酸信号放大技术相结合,从而显著提高检测方法的灵敏度。基于此,本论文将基于功能核酸识别的光学生物传感与核酸酶、DNA纳米结构自组装及纳米材料等多种信号放大策略相结合,设计并构建了两种用于实际样品中抗生素的高选择性、高灵敏度的光学生物传感方法:1.基于双重核酸外切酶催化循环放大的比率型抗生素荧光传感本工作基于两个目标物敏感的荧光探针产生相反的信号响应,成功发展了一种比率型博来霉素荧光生物传感新方法。其中,一个信号产生于目标物识别触发的核酸外切酶III(Exo III)催化释放的G-四链体序列。这将会导致G-四链体与硫黄素T(Th T)复合,实现该方法的“Signal-on荧光输出。另外一个信号来自于目标物识别和Exo III催化反应诱导的ROX荧光基团标记链与其猝灭基团标记链之间的DNA杂交,引起ROX荧光猝灭,从而实现该方法的“Signal-off荧光输出。同时,Exo III催化双循环反应极大程度上放大了基于Th T和ROX的荧光响应。通过测定两种相反信号响应并转化为比值,从而成功构建起该比率型荧光生物传感策略。该方法可在50 p M至5μM的宽线性范围内均相测定BLM,检出限低至15.8 p M。由于该方法具有优良的分析性能好、操作简便、检测成本低等性能优势,因而具有广阔的应用前景。2.基于双重级联核酸循环放大组装超支化DNA纳米结构的抗生素比色传感本工作基于目标物识别触发的双重级联核酸循环放大组装超支化DNA纳米结构,开发了一种卡那霉素比色可视化生物传感新方法。其中,目标物与适配体之间的特异性识别反应可触发基于链置换反应所形成的第一重循环,进而触发基于两种核酸酶辅助催化反应所形成的第二重循环,同时释放出一个输出DNA链,以用于触发DNA纳米结构的组装。由于该DNA纳米结构可高含量捕获碱性磷酸酶(ALP),这样即可利用ALP诱导的金纳米锥(Au NBPs)局部表面等离子体共振变化,建立一种超灵敏比色信号转导策略。通过测量Au NBPs的特征吸收波长的偏移量,从而构建其表面等离子体共振吸收峰变化值与卡那霉素浓度之间的定量关系。在最佳条件下,该方法具有从10 fg m L到1 ng m L的宽线性范围,检出限低至1.4 fg m L。同时,Au NBPs明显的多色变化还可用于Kana残留的可视化半定量分析,这些性能优势决定了该方法在未来应用中的较好发展潜力。