氧化石墨烯介导的低背景生物传感器用于环境污染物检测

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在我们赖以生存的水体、空气以及土壤中,可能存在着各式各样的环境污染物质,它们间接或直接地破坏生态系统并危及动植物与人类的生存。发展准确、快速、高效的环境污染物检测方法是了解其在环境中存在形式及含量以便进一步处理的前提和基础。以生物识别分子与信号转换器相结合用于分析物检测的分析设备被称为生物传感器,其中,荧光生物传感器以荧光信号的变化反映识别分子与分析物间发生的结合或分离作用,具有信号传输迅速、准确度高、灵敏性好等特点得到了研究者们的关注。此外,随着纳米科学的发展,石墨烯及其衍生物等纳米材料因具有独特的物理化学特性和生物相容性而被频繁地引入到生物传感器的构建中。纳米材料与荧光分析方法的结合,为构建更稳定、更灵敏的生物传感器用于环境污染物检测提供了一种有前景的策略。本论文利用氧化石墨烯与核酸分子之间的界面作用及其独特的荧光猝灭能力,设计和构建了多种荧光生物传感平台,并分别将其用于典型重金属污染物Hg2+、环境内分泌干扰物双酚A(Bisphenol A,BPA)以及目标DNA分子的检测,具体内容如下:(1)基于ds DNA/GO的荧光生物传感平台用于水中Hg2+检测。利用核酸中胸腺嘧啶碱基对与Hg2+之间的特殊结合现象,以及FAM荧光基团靠近GO时发生荧光共振能量转移,构建了一种简便的基于ds DNA/GO的荧光生物传感平台用于Hg2+的快速检测。该方法对缓冲溶液和实际样品中的Hg2+均具有较好的检测能力,在最佳条件下检测限为0.110μM,且具有极高的特异性,为水中Hg2+的定量分析提供了一种精准、可靠的方法。(2)基于靶标诱导核酸结构变化的石墨烯生物传感平台用于BPA检测。前述研究内容表明:GO与DNA的相互作用较强,先构建DNA/GO探针不利于靶标与其识别DNA的结合。为克服这一不足之处,本项研究提出了一种利用双酚A与其核酸适配体的特异性结合并诱导触发链释放从而引发荧光信号、最后加入GO调控背景信号的石墨烯生物传感平台。该方法在用于双酚A检测中显示了突出的灵敏性和选择性,检测限约为0.5035μg/m L,并在实际废水样品中也有着很好的检测效果。(3)基于核酸外切酶Ⅲ辅助信号放大的石墨烯生物传感平台用于DNA检测。为进一步提高体系灵敏度以实现低浓度靶标物质的定量检测,在内容(2)的基础上引入了核酸酶辅助信号放大技术,利用核酸外切酶Ⅲ对双链DNA钝端的剪切能力,使体系内靶标被循环利用从而使输出信号得到放大。这种利用核酸外切酶Ⅲ辅助信号放大和氧化石墨烯进行背景调控的荧光生物传感方法可有效用于目标DNA的高灵敏检测,检测限可低至11.2 p M。该方法能够较好的分辨与目标DNA相似的错配碱基序列并应用于实际样品,在病原微生物特征DNA/RNA的精准检测中具有潜在的应用前景。
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