论文摘要
从核酸的发现至今已有100多年的历史,核酸是由许多核苷酸聚合成的主要位于细胞内的生物大分子化合物,是生物体遗传信息的载体,包括DNA和RNA。核酸分子检测技术既可以用于检测人和动植物是否被病原体感染,也可以用于检测遗传病或癌症、为个人用药提供辅助参考以及检测水体是否有微生物污染等。迄今,许多核酸检测方法已经开发出来,如实时定量荧光PCR、荧光原位杂交技术等,但都存在一定的应用局限。因此建立一种高效可靠、高灵敏度、高选择性、高特异性的核酸检测方法同样具有十分重要的意义。随着交叉学科的发展,生物传感器的开发已成为了科学界的一大研究热点。生物传感器是将生物识别系统和信号转换系统适当组合,对样品中的分析物作出响应,并把生物信号转化为可以检测的电、光、声等信号,从而达到对待测物进行检测的一种分析装置。生物传感器应用极其广泛,既可以检测蛋白质、细菌、病毒、金属离子等,还可进行单分子水平分析,它具有快速、准确、多功能化和便于携带等显著特点。目前,核酸生物传感器的研究也有了很大进展,已发展成为前沿的研究热点。近年来,纳米场效应晶体管核酸生物传感器是基于纳米材料（如石墨烯、碳纳米管、纳米线等）制备的一种新型的核酸生物传感器。这主要是因为纳米材料具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应的独特性质,才使得此类核酸生物传感器具有灵敏度高、选择性好、操作简单以及集成小巧等特点,与传统的核酸分子检测技术相比具有独特的优势,非常适用于核酸分子的检测。本文首先利用化学气相沉积方法制备了纳米材料石墨烯作为导电通道,并研制了场效应晶体管核酸生物传感器,而且应用于鸟嘌呤核糖开关和配体之间的生物识别中。石墨烯具有独特的物理性质,如超大的比表面积、良好的导电性质和高的载流子迁移率等,石墨烯的这些优良性质可以提高核酸生物传感器检测的灵敏度、选择性和特异性。本实验主要是利用核酸分子的杂交原理将核酸分子与目标分子固定于石墨烯表面,核酸分子与目标分子特异性结合导致石墨烯表面电势发生变化,将电信号变化与被测分子浓度建立起对应关系,从而达到分子检测的目的。本文主要撰写了六部分内容。第一章为绪论,主要介绍了核酸的重要作用、核酸生物传感器的研究进展以及石墨烯在生物传感器中的应用。第二章主要介绍了石墨烯制备方法、石墨烯薄膜的转移、石墨烯场效应晶体管（G-FET）的制备与工作原理以及电学性能测试。第三章是基于石墨烯场效应晶体管生物传感器的RNA检测。以化学气相沉积法（CVD）制备的石墨烯作为导电通道,制造G-FET生物传感器,单链DNA作为探针,互补链RNA作为目标物进行无标记检测。该传感器具有高灵敏度,可实现低至0.1 fM的RNA检测,比先前文献中报道（10fM）的低2个数量级。此外,G-FET生物传感器可以很容易的区分互补RNA和非互补RNA,显示出对RNA检测的高选择性。第四章是基于石墨烯RNA生物传感器的PNA探针和DNA探针的比较。以肽核酸（PNA）为探针,证明了PNA-RNA杂交体系具有更高的热稳定性,大大缩短了检测时间,可实现低至0.1aM的痕量RNA检测。第五章为石墨烯生物传感器用于鸟嘌呤核糖开关和配体之间的生物识别。本工作中,使用已研发的无标记的石墨烯场效应晶体管（G-FET）生物传感器来检测鸟嘌呤核糖开关（GR）与四种嘌呤类似物配体分子（GUA,6GU,2BP,XAN）的结合相互作用。通过G-FET生物传感器获得四个GR-配体对GR-GUA,GR-6GU,GR-2BP,GR-XAN的平衡解离常数KD和相对结合自由能,并且所得到的结果与通过分子动力学模拟和以前发表的计算结果是一致的。我们证明了G-FET生物传感器可以用作亲和生物传感器来量化生物分子的相互作用。G-FET生物传感器可以作为疾病诊断、遗传筛查和药物发现的新工具。第六章为总结,总结归纳了本研究课题的主要结论和创新点。
论文目录
文章来源
类型: 硕士论文
作者: 田蒙
导师: 王吉华,许士才
关键词: 核酸,生物传感器,石墨烯,场效应晶体管,痕量检测
来源: 山东师范大学
年度: 2019
分类: 基础科学,信息科技
专业: 生物学,自动化技术
单位: 山东师范大学
基金: 国家自然科学基金(11604040,61671107 和 11704059),山东省自然科学基金(ZR2014FQ032,ZR2016FQ08)
分类号: TP212.3;Q503
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