纳米生物传感界面的功能调控及其在生物检测中的应用

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1、博士学位论文纳米生物传感界面的功能调控及其在生物检测中的应用作者姓名：李敏指导教师:宋世平研究员中国科学院上海应用物理研究所学位类别:理学博士学科专业:无机化学培养单位:中国科学院上海应用物理研究所2018年6月FunctionalRegulationofNano-BiosensingInterfaceandItsApplicationinBiologicalDetectionAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmento

2、ftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinInorganicChemistryByLiMinSupervisor：ProfessorSongShipingShanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofSciencesJune2018摘要摘要纳米生物传感界面作为传感器的核心部件，影响着传感器的灵敏度、特异性、选择性、识别效率等传感性能。传统的生物传感界面存在传感基底尺寸难以精确调控，传感基底上探针倒伏、相互缠绕等问题，使传感器各种

3、传感性能大大下降。因此，实现对传感基底尺寸以及传感基底上探针性能的精准调控对构建高活性的分子识别界面具有重要意义。进一步地，在细胞膜这一生物界面上调控受体与配体之间的相互作用，有利于实现对细胞生理活动的调控及对细胞的灵敏检测分析。本论文的研究工作主要围绕纳米生物传感基底尺寸调控，基底界面上DNA电子传递性能调控以及细胞膜上受体-配体之间相互作用调控三个方面开展，具体内容如下：(1)制备具有单囊泡分辨率的碳纤维纳米电极一直是脑科学以及神经科学领域存在的一大挑战。针对胞内囊泡基本物理学特征，我们制备了和胞内囊泡尺寸相匹配的具有高时空分辨率的

4、碳纤维纳米电极。通过对胞外不同活性释放区的囊泡释放进行实时监测，我们实现了不同活性释放区囊泡释放模式及释放动力学的分析研究。(2)构筑了一种表面含有纳米结构的金花超微电极，通过调节金花电极的尺寸，实现了对金花电极检测灵敏度的调控。通过比较不同尺寸金花电极的响应动力学，发现金花电极的响应动力学与尺寸无关。此外，金花表面的特有的纳米结构有效的提高了金花电极的抗干扰性，在含有抗坏血酸的体系中实现对多巴胺的选择性检测。(3)如何提高探针在复杂体系或者活体检测中的抗干扰性是生物传感领域一直存在的一大挑战。利用双链DNA分子内传递电子的特性，我们成

5、功构建了一种基于DNA电子传递的生物电子器件。该生物电子器件在复杂体系中的DNA杂交动力学和信号稳定性方面表现出优良的抗干扰性能。同时，该生物电子器件具有很好普适性。我们利用该生物电子器件实现了对DNA和小分子的活体检测和代谢动力学分析。(4)发展了一种通过PSA结合诱导DNA探针构型变化，进一步引起界面电子转移速率变化的传感体系。该传感体系良好稳定性以及优良特异性，保证了PSA与aptamer之间结合力的有效测定。此外，为了研究aptamer在PSA表面的结合位点I纳米生物传感界面的功能调控及其在生物检测中的应用情况，我们对PSA的表

6、位进行鉴定，在此基础上筛选出最佳的探针配对方式，构建夹心结构实现对PSA的灵敏检测。(5)细胞对DNA四面体有内吞作用，存在一种使四面体进细胞的作用力；aptamer可以与细胞表面蛋白EpCAM的特异性结合，因此它存在一种使四面体停留在细胞膜上的作用力。为了明确到底哪一种作用力占主导，我们调控了TSP-aptamer复合体的价态，通过成像以及统计分析复合体在胞内和细胞膜上的分布，实现了对两种相互竞争作用力的分析。同时，我们采用aptamer与EpCAM相互作用占主导的三价的复合体实现了对CTC的捕获及实际病人样本的检测分析。关键词：纳米

7、生物传感界面，传感基底调控，探针调控，细胞膜界面调控IIAbstractAbstractAsthekeycomponentofasensor,thenano-biologicalinterfacesinfluencethesensingpropertyofthesensorsuchassensitivity,specificity,recognitionefficiency.Conventionally,itisdifficulttoachievepreciseregulationofthesensingsubstrate.Andthe

8、sensingprobesmodifiedonthesensingsubstratetendtolieflatonthesurfaceandintertwinewitheachother,makingthe