基于荧光铜纳米颗粒和金属有机框架的生物传感新方法

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1、学校代号10532学号S151100920分类号密级硕士学位论文基于荧光铜纳米颗粒和金属有机框架的生物传感新方法学位申请人姓名邓文婧培养单位化学化工学院导师姓名及职称楚霞教授学科专业分析化学研究方向化学与生物传感论文提交日期2018年5月学校代号：10532学号：S151100920密级：湖南大学硕士学位论文基于荧光铜纳米颗粒和金属有机框架的生物传感新方法学位申请人姓名：邓文婧导师姓名及职称：楚霞教授培养单位：化学化工学院专业名称：分析化学论文提交日期：2018年5月论文答辩日期：2018年5月答辩委员会主席：蒋健

2、晖教授NovelBiosensingMethodsBasedonFluorescentCopperNanoparticlesandMetal-organicFrameworksbyDENGWenjingB.S.(NanjingNormalUniversity)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofScienceinAnalyticalChemistryintheGraduateSchoolofH

3、unanUniversitySupervisorProfessorCHUXiaMay,2018硕士学位论文摘要生物传感技术是一门综合了化学、信息学、生命科学等多种知识的交叉新兴学科，因其具有成本低、选择特异性、在线分析等众多优点，近年被广泛应用于分析检测、医学诊断等领域。纳米材料具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应一系列独特性能，从而表现出异于常规材料的物理与化学性质，成为当下研究热点。纳米材料的出现及其优良性质为生物传感的技术研发开辟了一条新思路，二者巧妙结合，有力地推动了化学分析、生命医学与

4、材料科学等多个领域的迅速发展。本论文基于荧光铜纳米颗粒（CuNPs）与金属有机框架材料（MOFs），构建了三种响应速度快、分析成本低的新型荧光生物传感器，成功实现了对钾离子（K+）、人类免疫缺陷病毒（HIV）相关寡核苷酸序列、三磷酸腺苷（ATP）的有效检测。具体内容如下：（1）第2章，基于核酸适配体与其目标物钾离子之间的特异性识别，借助于核酸外切酶I（ExoI）和末端保护现象，通过荧光铜纳米颗粒（CuNPs）的荧光信号强弱，构建了一个免标记、高灵敏度的钾离子传感器。首先，设计了一条包含两部分的单链DNA（ssDNA

5、），其3’端为K+核酸适配体序列，5’端为荧光铜纳米颗粒的合成模板聚T序列（polyT）。当K+与3’端核酸适配体相互识别时，会诱导其发生折叠进而形成G-四链体二级结构，该二级结构能有效阻止ExoI对ssDNA从3’到5’端的水解，使得5’端polyT得以保留并为CuNPs的合成提供有效模板，体系可测到CuNPs的特征发射波长。当没有K+存在时，3’端K+核酸适配体不会发生结构变化形成G-四链体，3’末端没有二级结构保护，ExoI会将ssDNA水解成单个或很小的寡核苷酸碎片，因5’端polyT的合成模板被水解而无法

6、合成CuNPs，体系荧光信号很低。该方法检测限低，具有灵敏度高、特异性良好、低成本等优点，可潜在应用于实际样品检测。（2）第3章，基于多孔型金属有机框架材料（MOFs）对单、双链DNA的吸附力显著不同，设计了一个基于铜为金属中心、均苯三甲酸为配体的金属框架材料（Cu3(BTC)2）的新型荧光传感器，用于检测人类免疫缺陷病毒相关寡核苷酸序列，并探究了材料的降解性。由于π-π堆积，Cu3(BTC)2能特异性吸附ssDNA，并通过光诱导电子转移（PET）效应猝灭ssDNA上标记的FAM荧光基团。当存在目标序列时，ssDN

7、A杂交形成双链DNA（dsDNA）时，Cu3(BTC)2对dsDNA吸附力较小，使得dsDNA与Cu3(BTC)2作用后不会附着在材料表面，FAM荧光信号不会被猝灭，基于此构建了一个可快速有效检测HIV相关寡核苷酸序列的荧光传感平台。实验过程中还探究了材料Cu3(BTC)2的可降解性，利用氨基酸中羧II基于荧光铜纳米颗粒和金属有机框架的生物传感新方法基、氨基和Cu2+的强配位能力，一定尺寸的氨基酸可通过MOFs表面的孔道进入材料内部，充分破坏Cu3(BTC)2内金属原子与有机配体之间的配位作用，实现对材料的降解，使

8、得原本被吸附在Cu3(BTC)2表面的ssDNA被释放出来，被猝灭的FAM再度恢复荧光信号。该发现为快速检测小尺寸氨基酸提供了潜在可能。（3）第4章，三磷酸腺苷（ATP）是生物体内重要的能量储存与转换物质，被称为能量传递的“分子货币”，同时也是S1核酸酶的抑制剂。基于ATP对S1核酸酶活性的抑制作用，结合S1核酸酶对ssDNA的特异性水解反应，我们利用CuN