信號增強液晶生物傳感方法及液晶核酸邏輯門研究.pdf

1、液晶是物質介于液體和晶體之間的一種特殊物質形態(tài)，兼具有液體的流動性與晶體的各向異性，主要體現(xiàn)為光學各向異性和介電各向異性。液晶材料因其具有獨特的物理、化學和光學性質，已廣泛應用于各類低功耗、輕薄型的光電電子顯示產(chǎn)品中，在信息通訊、航天航空、微電子等高新技術領域發(fā)揮著十分重要的作用。近年來，將液晶材料作為信號轉換媒介構建起來的液晶生物傳感器是一類新型的生物分析檢測技術。液晶生物傳感器是以生物活性材料（如抗原-抗體、蛋白質-配體、酶、核酸、

2、微生物等）為識別元件，液晶材料為信號轉換元件，利用液晶對偏振光的雙折射性，將傳感界面識別目標分析物前后的變化信息轉換為液晶取向的變化，通過監(jiān)測液晶光學圖像的顏色、織構和光通量變化來實現(xiàn)目標分析物的檢測。相比于其他類型的分析檢測技術，液晶生物傳感器無需特殊光源、常規(guī)載玻片即可構建，具有低成本、輕巧、簡便的特點，易于實現(xiàn)微型化、陣列化和高通量的生物分析。目前，液晶生物傳感器主要是用于監(jiān)測抗原-抗體、蛋白質、核酸以及其他生物分子間的直接相互作

3、用，對其進行定性或者半定量分析，普遍存在靈敏度偏低的問題。此外，該類技術的研究尚處于初級探索階段，其相關理論基礎和技術手段尚不成熟，還存在一定的局限性。因此，發(fā)展高性能的液晶生物傳感方法，進一步探索液晶與敏感膜間的傳感機制，總結其規(guī)律，拓展其在生物分析中的應用范圍，對促進液晶生物傳感技術的發(fā)展具有重要的研究意義。本文圍繞這些問題，在構建高靈敏液晶核酸傳感方法對核酸、酶和金屬離子的檢測分析，以及界面的傳感機理研究進行了初步探討，主要內容如

4、下：
　　第一部分固相-液晶相界面的信號增強液晶生物傳感方法研究
　　(1)基于液晶取向改變的原理，結合酶催化銀沉積信號增強技術，提出了一種新型高靈敏液晶生物傳感方法用于特定核酸序列分析。首先采用3-氨丙基三甲氧基硅烷（APS）和N，N-二甲基-N-[3-（三甲氧硅）丙基]氯化十八烷基銨（DMOAP）以混合自組裝的方式在玻片基底構建APS/DMOAP基底膜，便于消除背景干擾和固定捕獲 DNA探針，解決液晶有序排列對金膜的依賴

5、；根據(jù)堿基互補配對原則，目標 DNA探針和生物素化的信號 DNA探針(biotin-DNA)先后捕獲于基底表面；鏈霉親和素標記的堿性磷酸酶(Sv-ALP)通過biotin和Sv的特異性結合作用固定與玻片基底，ALP隨后催化抗壞血酸磷酸鹽水解成抗壞血酸（ASA），后者將銀離子還原成銀顆粒，使其沉積在 DNA探針修飾過的基底表面。結果表明，酶催化沉積的銀顆粒能改變敏感膜的表面形貌，有效地擾亂液晶分子的取向排列，導致產(chǎn)生顯著的光學信號變化。該

6、方法對濃度低至0.1 pM特定核酸序列仍具有明顯的光學響應，克服了生物分子的大小和固定量對靈敏度的限制，為發(fā)展高靈敏液晶生物傳感方法提供新的研究思路。
　　(2)利用核酸適體與其靶分子結合的高特異性和高親和力，金納米顆粒（AuNPs）良好的生物兼容性、較高的表面負載量和穩(wěn)定的尺寸結構，以目標物凝血酶為分析模型，提出了一種基于核酸適體和金納米顆粒的非標記液晶核酸傳感方法。首先將5′端標記了-NH2的發(fā)卡型識別探針通過戊二醛交聯(lián)作用固

7、定于APES/DMOAP基底膜表面，凝血酶與識別探針環(huán)部的核酸適體片段結合形成G-四鏈體結構，可促進識別探針開環(huán)，有利于其3′端標記的生物素遠離APES/DMOAP基底膜；鏈霉親和素標記的納米金通過生物素-鏈霉親和素的特異性作用捕獲于基底表面。結果表明，結合納米金信號增強手段后，液晶生物傳感的檢測靈敏度有了顯著提高，對凝血酶的檢出限由10 nM降低至1 pM，金納米顆粒是一種優(yōu)良的信號增強媒介。該方法具有操作簡單，響應迅速、靈敏度高和成

8、本低的特點。
　　第二部分液晶-水相界面的液晶生物傳感方法及液晶核酸邏輯門研究
　　(3)根據(jù)核酸探針的構象變化可誘導液晶-水相界面的液晶分子取向重排，以結腸癌的p53基因片段含282密碼子突變?yōu)榉治瞿Ｐ停岢隽艘环N基于DNA樹枝狀聚合物信號增強的液晶生物傳感方法。在該方法中，首先采用陰離子表面活性劑 SDS作為液晶5CB的摻雜劑，初步探討吸附在液晶-水相界面的DNA探針與液晶5CB間的直接相互作用機制；隨后，以目標序列為引

9、發(fā)劑，觸發(fā)發(fā)卡型核酸探針進行雜交鏈式反應，形成大量含有雙螺旋結構的DNA樹形聚合物，用以加強核酸對液晶5CB的取向誘導能力。結果表明，雙螺旋核酸分子的空間效應和界面雙電層的電場誘導效應可共同驅動液晶5CB由傾斜取向重排為垂直取向；DNA樹枝狀聚合物信號增強的液晶生物傳感可辨別濃度范圍為0.08 nM~8 nM的目標序列。該方法無需多步生物固定化和洗滌步驟，操作更為簡單，試劑用量少，具有較高的靈敏度和良好的選擇性，可有效區(qū)分野生型和突變型

10、的目標序列。
　　(4)根據(jù)核酸探針的構象變化及其調控的界面雙電層變化可誘導液晶取向重排，以金屬離子Ag+和Hg2+為分析模型，構建了操作簡單、響應快速、選擇性高、智能化的“AND”和“INHIBIT”液晶核酸邏輯門對多目標分析物進行檢測研究?！癆ND”邏輯器件是以富含T和C堿基的核酸探針為識別元件，其構象變化為分子邏輯開關，金屬離子Ag+為第一種輸入信號，Hg2+為第二種輸入信號，液晶5CB織構圖像的平均灰度強度為輸出信號；當且

11、僅當輸入信號為（1，1）時，輸出信號才為1，該邏輯器件可同時識別濃度低至6μM的金屬離子 Ag+和 Hg2+?！癐NHIBIT”邏輯器件是以核酸探針的構象變化及其調控的界面雙電層電荷密度變化為分子邏輯開關，H+為第一種輸入，金屬離子Ag+，Hg2+為第二種輸入信號，液晶5CB織構圖像的平均灰度強度為輸出信號。當且僅當輸入信號為（0，1）時，輸出信號才為1；當輸入信號為（0，0）、（1,0）和（1，1）時，輸出信號均為0?！癐NHIBIT