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基于dna步行器信号放大的便携式传感器检测铅离子

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分析化学 2022年第4期50卷 525-534页

作者：苏永欢蔡杰杨雅妮刘冰倩贵州大学药学院贵州省合成药物工程实验室

基于Pb与底物链(Substrate dna, sdna)的特异性识别，以FeO纳米磁珠(FeOnano-magnetic beads, MB)为基底，便携式血糖仪(Portable glucose meter, PGM)为信号读出系统，利用dna步行器放大信号，构建了一种灵敏且便捷的用于铅离子(Pb)检... 详细信息

基于Pb与底物链(Substrate dna, sdna)的特异性识别，以FeO纳米磁珠(FeOnano-magnetic beads, MB)为基底，便携式血糖仪(Portable glucose meter, PGM)为信号读出系统，利用dna步行器放大信号，构建了一种灵敏且便捷的用于铅离子(Pb)检测的传感器。利用葡萄糖氧化酶(Glucose oxidase, GOx)和sdna修饰还原法制备纳米金功能化的聚酰胺-胺型(Nanogold-functionalized poly(amidoamine), Au/PAMAM)树枝分子，形成sdna/GOx/Au/PAMAM复合物；基于碱基互补配对原则，sdna/GOx/Au/PAMAM复合物被固载于捕获链(Capture dna, cdna)修饰的MB(MB/cdna)上，而dna酶(dnazyme)可与sdna未碱基配对部分结合。当目标物存在时，Pb可特异性识别s dna上裂解位点并剪切，释放dnazyme和GOx/Au/PAMAM。dnazyme继续与sdna/GOx/Au/PAMAM复合物上下一个sdna配对结合，继而开启下一轮识别-剪切-释放，循环往复，形成dna步行器，增加GOx/Au/PAMAM释放量，实现信号放大。反应体系中Pb浓度越高，释放的GOx/Au/PAMAM量越多，通过磁性分离取上清液(GOx/Au/PAMAM)催化反应液中的葡萄糖(Glucose, Glu)氧化，使葡萄糖的浓度降低。用PGM测定Glu浓度，从而实现对Pb浓度的间接测定。在最佳实验条件下，体系对PGM的响应值与Pb浓度的对数呈反比，线性范围为1.00 pmol/L～1.00μmol/L，检出限为0.66 pmol/L。

关键词： dna步行器信号放大便携式血糖仪铅离子

基于 dna 步行器的适配体传感器用于新冠病毒蛋白快速检测研究

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中国测试 2023年

作者：黄江健马怡周宇汤科苏会岚成都医学院公共卫生学院

开发了一种基于dna 步行器的适配体传感器以快速检测新冠病毒RBD。首先制备dna walker与适配体的复合链，当新冠病毒RBD存在时，竞争性结合适配体，释放dna walker。通过电还原和共价键和作用制得发夹探针修饰电极，利用dnazyme驱动的DN... 详细信息

开发了一种基于dna 步行器的适配体传感器以快速检测新冠病毒RBD。首先制备dna walker与适配体的复合链，当新冠病毒RBD存在时，竞争性结合适配体，释放dna walker。通过电还原和共价键和作用制得发夹探针修饰电极，利用dnazyme驱动的dna walker在电极表面持续行走，从而不断剪切电极信号探针，增强响应信号，实现新冠病毒蛋白快速检测。检测限（LOD）为3.3 pg/mL（S/N=3），线性范围为0.01～70 ng/mL。该适配体传感器具有优异的稳定性（RSD=4.51%）、重现性（RSD=2.87%）和选择性。在人唾液样本中检测SARS-CoV-2 RBD时回收率为104.51% ～ 107.67%，RSD为4.39% ～ 5.26%。

关键词：适配体 dna步行器新冠病毒蛋白电化学检测

基于dna步行器的适配体传感器快速检测新冠病毒

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中国测试 2023年第11期49卷 16-22页

作者：黄江健马怡周宇汤科苏会岚成都医学院公共卫生学院四川成都610050

为开发一种基于dna步行器的适配体传感器以快速检测新冠病毒RBD。首先制备dna walker与适配体的复合链,当新冠病毒RBD存在时,竞争性结合适配体,释放dna walker。通过电还原和共价键和作用制得发夹探针修饰电极,利用dnazyme驱动的dna wal... 详细信息

为开发一种基于dna步行器的适配体传感器以快速检测新冠病毒RBD。首先制备dna walker与适配体的复合链,当新冠病毒RBD存在时,竞争性结合适配体,释放dna walker。通过电还原和共价键和作用制得发夹探针修饰电极,利用dnazyme驱动的dna walker在电极表面持续行走,从而不断剪切电极信号探针,增强响应信号,实现新冠病毒蛋白快速检测。检测限(LOD)为3.3 pg/mL(S/N=3),线性范围为0.01~70 ng/mL。该适配体传感器具有优异的稳定性(RSD=4.51%)、重现性(RSD=2.87%)和选择性。在人唾液样本中检测SARS-CoV-2 RBD时回收率为104.51%~107.67%,RSD为4.39%~5.26%。

关键词：适配体 dna步行器新冠病毒蛋白电化学检测

dna步行器在生物传感和活细胞成像领域的应用

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中国科学：化学 2021年第6期51卷 651-664页

作者：张立燕刘晓亭杨亚允姜玮山东大学化学与化工学院济南250100

dna步行器是一种基于dna杂交的特异性、可预测性和可编程性的自组装纳米器件.在特定的外部刺激下,其行走部件可沿着预定的轨道自主地、渐进地移动.这种自主运动和重复步进的特性赋予其优异的信号放大能力,使得dna步行器在化学测量方面... 详细信息

dna步行器是一种基于dna杂交的特异性、可预测性和可编程性的自组装纳米器件.在特定的外部刺激下,其行走部件可沿着预定的轨道自主地、渐进地移动.这种自主运动和重复步进的特性赋予其优异的信号放大能力,使得dna步行器在化学测量方面展现出良好的应用前景.本文系统评述了dna步行器在生物传感和活细胞成像领域的研究进展.

关键词： dna纳米机器 dna步行器自组装生物传感活细胞成像

基于3D-dna步行器信号放大策略构建电化学适配体传感器研究

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基于3D-DNA步行器信号放大策略构建电化学适配体传感器研究

作者：黄江健成都医学院

学位级别：硕士

研究背景与目的:dna步行器(dna walker)是一种具有自我运动能力的dna分子,由驱动力、行走链和行走轨迹三部分组成,可以沿着特定的轨道(1D、2D、3D)运行,具有高度可控性和精确性。在电化学传感器中,dna walker作为一种高效的信号放大机器... 详细信息

研究背景与目的:dna步行器(dna walker)是一种具有自我运动能力的dna分子,由驱动力、行走链和行走轨迹三部分组成,可以沿着特定的轨道(1D、2D、3D)运行,具有高度可控性和精确性。在电化学传感器中,dna walker作为一种高效的信号放大机器,可以显著提高传感器灵敏度和选择性,由其构建的电化学适配体传感器,在生物分析和医学诊断中得到了广泛的应用。本研究结合纳米材料和dna walker构建两种电化学适配体传感器实现对标志物肌钙蛋白I(c Tn I)和新型冠状病毒棘突蛋白RBD(SARS-Co V-2 Spike RBD)检测,旨在探究3D-dna walker信号放大策略在电化学适配体传感器中的应用,为开发新型的生物传感器和生物分析技术提供参考和借鉴。材料与方法:(1)基于walker-walkers级联信号放大策略构建c Tn I电化学适配体传感器采用水热法和电化学还原法制得Au/Ni Co2S4复合物。同时设计两条巯基化的发夹探针HP I(包含c Tn I适配体和dna walker)和HP II(包含底物链和触发dna),通过Au-S键将其固载在以Au/Ni Co2S4复合物为基底的电极表面。当c Tn I存在时,特异性打开HP I,激活dna walker。dna walker识别并剪切HP II的底物链,释放触发dna(c Tn I诱导体的互补序列),并在电极表面留下一段底物链。触发dna与另一个HP I杂交,dna walker再次激活并形成新的循环,产生大量底物链。利用捕获探针(底物链的互补序列)与电极表面的底物链形成杂交双链,捕获大量的杂交指示剂亚甲基蓝(MB),产生电信号变化,实现对c Tn I高灵敏和高特异检测。采用电阻抗法(EIS)、循环伏安法(CV)以及差分脉冲伏安法(DPV)对适配体传感器成功制备和检测条件进行研究和分析,并通过SEM、TEM、EDS、XRD等方法对Ni Co2S4和Au/Ni Co2S4复合物的形貌和元素分布进行表征,以验证成功制备了Au/Ni Co2S4。(2)基于3D框架核酸分子机器构建SARS-Co V-2 RBD超灵敏电化学适配体传感器采用电化学还原法,制得金电极。设计并合成D1、D2、D3、D4、适配体(APT)以及发夹探针(HP-MB),通过加热退火,实现核酸结构自组装。当检测SARS-Co V-2RBD时,SARS-Co V-2 RBD与适配体竞争性结合,激活四面体dna walker。在dnazyme的驱动下,四面体dna walker在金电极表面移动,并与标记有MB的发夹探针(MB-HP)杂交,剪切并释放出MB,从而使电信号迅速下降。本研究通过电阻抗法(EIS)、循环伏安法(CV)以及差分脉冲伏安法(DPV)对适配体传感器成功制备过程和检测性能进行分析评价,并通过原子力显微镜(AFM)和琼脂糖电泳(AGE)对核酸结构成功自组装进行表征和评价。结果:1.基于walker-walkers级联信号放大策略构建c Tn I电化学适配体传感器。检测限(LOD)为0.26 pg/m L(S/N=3),线性范围为0.01 ng/m L到60 ng/m L。该c Tn I电化学适配体传感器具有优异的稳定性(RSD=4.40%)、可重复性(RSD=3.80%)和选择性。采用加标回收法,在实际样本中对c Tn I进行分析,回收率在97.0%06.8%之间,相对误差和RSD值均在可接受范围内,表明该传感器具有在实际样品中检测c Tn I的能力。2.基于3D框架核酸分子机器构建SARS-Co V-2 RBD电化学适配体传感器。检测限(LOD)为0.21 pg/m L(S/N=3),线性范围为0.01 ng/m L到80 ng/m L。该SARS-Co V-2 RBD电化学适配体传感器具有优异的稳定性(RSD=3.45%)、可重复性(RSD=1.95%)和选择性。在人唾液样本中检测SARS-Co V-2 RBD,适配体传感器的回收率为98.63%04.76%,相对标准误差为3.11%.08%,表明基于3D框架核酸分子机器的适配体传感器在诊断COVID-19方面的潜力。结论:1.利用walker-walkers级联信号放大策略,设计了一种新型的电化学适配体传感器,用于c Tn I的超敏检测。与传统的单足dna walker方法相比,采用walker-walkers级联放大策略的生物传感器可以有效地避免移动距离短、耗时长和复杂的修饰步骤,可以将信号放大近20倍,极大提高检测灵敏度。此外,Au/Ni Co2S4纳米复合材料具有优异的电子导电性、环境稳定性和较大的比表面积,是一种高效电极表面支撑材料。与其他c Tn I传感器相比(适配体传感器,免疫传感器,荧光传感器等),该传感器具有更低的检测限,更宽的检测范围。2.基于3D框架核酸分子机器构建SARS-Co V-2 RBD电化

关键词： dna步行器 walker-walkers级联放大 Au/NiCo2S4复合物框架核酸分子机器适配体传感器 cTnI检测 Sars-Cov-2RBD检测

共振能量转移dna步行器的构建及其在核酸疾病标志物测量中的应用

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共振能量转移DNA步行器的构建及其在核酸疾病标志物测量中的应用

作者：梁玲西南大学

学位级别：硕士

疾病标志物测量是一种进行疾病早期诊断的有效方法,它可以为早期诊断提供实时和准确的生物信息。作为生物体储存、传递和表达遗传信息的重要载体,异常表达的核酸(dna和RNA)是一类重要的疾病标志物。因此,为了监测核酸在疾病发展过程中... 详细信息

疾病标志物测量是一种进行疾病早期诊断的有效方法,它可以为早期诊断提供实时和准确的生物信息。作为生物体储存、传递和表达遗传信息的重要载体,异常表达的核酸(dna和RNA)是一类重要的疾病标志物。因此,为了监测核酸在疾病发展过程中的含量水平变化,研究者们开发了大量的核酸生物传感器。其中,得益于dna强大的识别能力、严格的碱基互补配对和高度可编程性,基于共振能量转移(Resonance energy transfer,RET)构建的dna步行器近年来已成为生物传感领域的研究热点。dna步行器能够沿着预定的可编程轨迹精确行走,输出“一对多”的测量信号。与传统的生物传感器相比,dna步行器具有更灵活的运行方式和多功能的设计。然而,现有的制备方法大多要经过耗时且复杂的操作过程,需要较高的成本,同时还存在背景信号高,易受假阳性信号干扰等问题。因此,开发一类高性价比、简单、快速、灵敏和高特异性的dna步行器用于核酸疾病标志物测量是至关重要的。针对以上问题,本文基于RET构建了两种高效的dna步行器,并将其应用于疾病相关核酸的测量,主要研究内容如下:1.核酸外切酶Ⅲ驱动氧化石墨烯表面的dna步行器用于乙型肝炎病毒dna的测量本研究在氧化石墨烯(Graphene oxide,GO)表面构建了一种核酸外切酶Ⅲ(Exonuclease III,ExoⅢ)推进的二维(Two-dimensional,2D)dna步行器,用于乙型肝炎病毒dna(Hepatitis B virus dna,HBV-dna)的测量。首先,FAM修饰的dna链(FAM-dna)与BHQ1修饰的dna链(BHQ1-dna)杂交形成双链dna(Double-strand dna,dsdna),BHQ1-dna末端延伸的poly-A通过氢键和π-π堆积作用被固定在GO表面,此时FAM的荧光由于与BHQ1和GO之间的双重能量转移被猝灭。当HBV-dna存在时,可以通过FAM-dna裸露的粘性末端介导的链置换反应与FAM-dna结合,逐渐形成新的dsdna,而ExoⅢ可以从3’端将与HBV-dna结合的FAM-dna剪切成单个核苷酸,然后,释放出与下一条FAM-dna结合的HBV-dna,从而启动循环。利用反应后和反应前FAM的荧光强度比值(F/F)作为信号,实现了对HBV-dna的灵敏测量。在0.5–125 nmol/L范围内,dna步行器对HBV-dna的响应与HBV-dna的浓度之间具有良好的线性关系,检测限为50.4 pmol/L。本研究的创新点体现在通过简单的吸附组装了操作简单、性价比高的2D dna步行器,通过调节单片GO上负载的dsdna密度,可以改变dna步行器的行走速度。由于利用双重能量转移,背景信号大大降低,灵敏度大大提高。2.三磷酸腺苷驱动dna纳米球表面的dna步行器用于miR-21的测量本研究在dna纳米球(dna nanosphere,DS)表面构建了一种由细胞内三磷酸腺苷(Adenosine triphosphate,ATP)驱动的三维(Three-dimensional,3D)dna步行器,进而实现了细胞内miR-21测量。首先,以一条中间包含4个回文序列,两端具有延长序列的单链dna退火合成DS作为载体,将被锁定的行走链(W/B)和包含ATP适配体的dna双链通过与延长序列的杂交反应接枝到DS表面,构建成基于DS的dna步行器(DS walker)。miR-21与锁定链B结合,释放出行走链W,触发ATP驱动的行走反应。ATP与适配体不断结合,为DS walker行走提供燃料,产生累积的Cy3荧光信号。研究发现,在0.5–25 nmol/L范围内,dna步行器对miR-21的响应(F-F)与miR-21的浓度具有良好的线性关系,检测限为17.0 pmol/L。同时,本研究提出的策略还可以在细胞水平进行miR-21实时原位成像,在癌症的早期诊断中具有很大的潜力。本研究的创新点体现在DS walker制备简单,组装效率高,避免了使用硬质纳米颗粒作为载体的繁琐过程,并且能向细胞内高效输送货物。同时,内源性ATP作为驱动力,无需外加辅助因子,避免了各组件无法同步输送导致的行走效率低的问题。综上所述,本文以RET为测量信号,构建了两种dna步行器进而用于核酸生物标志物的测量。基于GO构建的dna步行器具有低成本、操作简单、背景信号低、检测快速、可调节行走速率等优势,为设计简易高效的dna步行器提供了一种新思路。通过简单的dna杂交组装的DS walker实现了miR-21的灵敏测量和高特异性成像,且利用细胞内高丰度的ATP作为驱动力,无需外加辅助因子,保证了细胞内的高效行走。

关键词： dna步行器核酸疾病标志物共振能量转移生物传感器

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dna步行器的构建及其在生物分析中的应用

化学传感器 2020年第2期40卷 44-51页

作者：廖妮杨芳潘美辰刘伟卓颖西南大学化学化工学院重庆400715 攀枝花学院生物与化学工程学院四川攀枝花617000

随着dna纳米技术的不断发展,利用dna分子构建具有不同结构和功能的纳米机器越来越受到研究人员的关注。dna步行器作为一种新型的人工纳米机器,它是对自然产生的分子步行器的人工模拟。由于其具有自主定向运动和整合信号的优势,是目前性... 详细信息

随着dna纳米技术的不断发展,利用dna分子构建具有不同结构和功能的纳米机器越来越受到研究人员的关注。dna步行器作为一种新型的人工纳米机器,它是对自然产生的分子步行器的人工模拟。由于其具有自主定向运动和整合信号的优势,是目前性能优良且应用较广的dna纳米机器之一。该综述介绍了dna步行器的组成及其在生物传感分析的应用。

关键词：分子机器 dna步行器生物分析

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dna步行器的构建及其在生命分析的应用

化学传感器 2019年第2期39卷 19-28页

作者：陶秀丽聂亚敏袁若西南大学化学化工学院重庆400715

dna具有独特的序列依赖性和可编辑性,依赖于此,大量的dna纳米器件被开发应用,如镊子、齿轮、起重机。在这些器件中,dna步行器能够依靠链置换、酶剪切、光诱导等行走动力沿着特定的一维、二维、三维的轨道运动,展现出独特的方向性、动态... 详细信息

dna具有独特的序列依赖性和可编辑性,依赖于此,大量的dna纳米器件被开发应用,如镊子、齿轮、起重机。在这些器件中,dna步行器能够依靠链置换、酶剪切、光诱导等行走动力沿着特定的一维、二维、三维的轨道运动,展现出独特的方向性、动态性,被广泛应用于生命分析化学领域。鉴于dna步行器广阔的应用前景,该综述从步行器的构造、设计原则、行走动力,和其在生命分析应用的角度出发,详细进行了阐述。

关键词： dna纳米器件 dna步行器设计原则行走动力生命分析

轨道可再生的三维dna步行器构建及其在分析检测中的应用

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轨道可再生的三维DNA步行器构建及其在分析检测中的应用

作者：逄寒山东大学

学位级别：硕士

dna步行器是一种利用dna分子作为构筑元件设计制备的dna纳米机器,它可以在精心设计的一维轨道、二维轨道或者三维轨道进行可控的机械运动,执行一系列复杂的操作。dna步行器具有独特的优势,例如无需人工干预即可自主完成规定任务、结构... 详细信息

dna步行器是一种利用dna分子作为构筑元件设计制备的dna纳米机器,它可以在精心设计的一维轨道、二维轨道或者三维轨道进行可控的机械运动,执行一系列复杂的操作。dna步行器具有独特的优势,例如无需人工干预即可自主完成规定任务、结构可靠性以及系统高度可控性。由于其出色的能力,dna步行器在生物传感、分子计算、货物运输、程序化合成、逻辑门设计等方面中具有巨大的应用潜力。特别是基于纳米材料的三维dna步行器,其高的局部轨道浓度提高了步行器的运行效率,有利于信号的快速释放。提高dna步行器的运行持续性,增加其运行步数有利于累积更多的信号,从而增强dna步行器作为生物传感器的性能,提高其检测灵敏度。基于以上分析,设计了具有增强的持续运行能力的新型dna步行器,并在此基础上构建了基于dna步行器的荧光传感器用于疾病相关的生物标志物的灵敏检测。本文共分为两章:第一章为绪论,主要概述了不同驱动设计的dna步行器的构建以及dna步行器在分析检测方面的应用,并简要阐述了本论文中主要解决的科学问题及研究内容。第二章构建了一种轨道可再生的dna步行器,并作为一种荧光传感器用于伊波拉病毒的检测。该dna步行器由负载了路基链和被封闭链锁定的行走链的金纳米颗粒（Gold nanoparticle,AuNP）和游离的路轨链构成。路基链与路轨链结合形成轨道。当dna步行器被目标物启动后,步行链沿着轨道行走,外切酶Ⅲ（Exonuclease Ⅲ,ExoⅢ）切割三链体中的路轨链以释放出行走链和路基链。之后释放的自由的行走链将继续重复行走动作,同时游离出的空路基链继续与溶液中发夹结构的路轨链杂交,形成新的轨道以提供给步行链继续行走。在该过程中,随着行走的进行,大量的荧光信号被累积,从而实现对目标物的检测。该步行器具有飞摩尔级的检测灵敏度和较好的检测特异性。这些结果表明,该步行器用于疾病相关生物标志物的检测等方面具有很大的应用价值,为疾病的诊断提供了一种潜在的可靠方式。

关键词： dna步行器持续运行荧光传感器