● 摘要
碳纳米管载体标记电化学DNA生物传感器的研究
摘 要
脱氧核糖核酸（DNA）是生物遗传的主要物质基础。生物机体的遗传信息以密码的形式编码在DNA 分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，并通过DNA 的复制由亲代传给子代。碱基序列的变异与人类许多遗传疾病有关。因此，对特定序列的DNA 分析以及对DNA 链中碱基突变的检测在卫生防疫、疾病诊断、药物研究、环境科学及生物工程方面具有深远的意义。
将高灵敏度的传感技术与DNA 特异性反应结合起来而设计的生物传感器为DNA 生物传感器。DNA 传感器是近年来生物传感器研究的前沿课题。DNA 传感器具有特异性高、准确性好、检测范围宽等优点。根据换能器的种类不同，DNA 传感器可分为电化学DNA 传感器、压电晶体DNA 传感器和光学DNA 传感器等。
电化学DNA 传感器是一种将电化学分析方法与杂交技术相结合而发展起来的生物传感器。与传统的同位素标记DNA 技术方法相比，它具有快速、灵敏、操作简便、无污染的特点，不仅具有分子识别功能，而且还有无可比拟的分离纯化基因的功能，因此，在分子生物学和生物医学工程领域中有着很大的实际意义。
将纳米材料引入分析化学研究已成为分析化学的一个研究热点，为分析化学领域的发展和应用开辟了新的思路。纳米颗粒因比表面积大、表面反应活性高、催化效率高、吸附能力强等优异性质，使其为生物医学研究提供了新的研究途径，同时也推动了化学和生物传感器的迅速发展。纳米粒子的独特性质与生物分子杂交反应的特异性和电化学检测方法的高灵敏性相结合，使其应用范围更加广阔。纳米粒子与生物分子连接用于DNA 疾病的诊断，对生物分析化学将产生巨大的影响。
本论文研究工作旨在研究银包覆的碳纳米管的电化学性能，并以此物质为标记物制备了高灵敏的DNA 电化学探针，结合DNA 杂交技术分子、自组装技术、纳米技术和微电极技术，采用高灵敏度的微分脉冲伏安法（DPV）应用于DNA 的序列识别及含量测定。本论文探索和建立了两种简单、快速、灵敏的电化学DNA 检测方法，并将其用于囊肿纤维素病毒DNA 和艾滋病病毒DNA 序列的测定。本论文研究工作是在国家自然科学基金“新型功能纳米材料组装电化学发光生物亲合传感器的研究”(No. 20375025)项目的资助下完成的。
第一部分为综述，详细介绍了电化学DNA生物传感器的分类、单链DNA的固定方法和电化学检测方法，评述了电化学DNA生物传感器的研究进展；简要概述了纳米材料在电分析化学领域中的应用；展望了电化学DNA生物传感器的发展趋势。
第二部分为研究报告，由两部分内容组成。第一部分为以银包覆的碳纳米管（Ag-CNT）为标记物的电化学DNA生物传感器的研究。结合DNA杂交技术和DNA自组装固定化技术，将高灵敏度的DPV方法应用于DNA的序列识别及含量测定。以Ag-CNT为标记物制备了单链DNA-电化学探针，研究了Ag-CNT 标记物的电化学性能，并基此建立了电化学分析法检测特定序列DNA的分析方法。通过自组装技术将3’末端带有巯基的目标-ssDNA（HS-ssDNA）固定到金电极上，然后与标记有Ag-CNT的已知序列ssDNA 进行杂交反应，最后通过测量DPV信号的变化对特殊序列DNA浓度和囊肿纤维病毒DNA浓度进行了测定。DPV分析信号与待测DNA浓度在3.2×1014~1.0×1011mol/L区间呈线性关系，方法检测限为1.0×1014 mol/L。对1.0×10-12 mol/L的待测DNA进行11次测定，相对标准偏差为4.8%。实验结果表明，本文提出的以Ag-CNT为标记物，建立高灵敏度电化学直接检测DNA杂交的方法是可行的。
研究报告的第二部分为基于微电极上夹心杂交技术电化学分析法检测HIV-1 DNA 的研究。我们提出了电化学检测的夹心式DNA 杂交分析方法并结合微电极技术，建立了DPV 法测定HIV-1 DNA 的电化学分析新方法。在选择的实验条件下，DPV 分析信号与目标ssDNA 浓度在1.0×10-12~1.0×10-10mol/L 范围内与电流呈良好的线性关系，检出限可达到5.0×10-13 mol/L。对1.0×10-11mol/L的目标ssDNA 进行11次测定，相对标准偏差为4.9%。初步实验结果表明，本文提出的基于微电极上夹心式DNA 杂交测定特定序列DNA 的电化学分析法是可行的。
关键词：DNA杂交；电化学分析；碳纳米管；微电极；自组装