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氧化石墨烯用于生物传感器的设计

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随着纳米材料科学和生物技术的发展，各种各样的纳米材料被应用到生物传感器的设计、生物分子检测、生物毒理测试、分子医学等诸多领域。石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种新型纳米材料，它的特殊单原子层结构使其具有了许多独特的物理化学性质，有关石墨烯和氧化石墨烯(GO)的基础应用研究已成为当前的前言和热点课题之一。拥有大尺寸二维芳香平面的石墨烯可以作为修饰特定生物分子的基底，这些生物功能化修饰提高了石墨烯的生物相容性、稳定性、选择性。近年来石墨烯与氧化石墨烯(GO)被引入到基于荧光共振能量转移(FRET)原理的生物传感器当中。荧光共振能量转移是指两个荧光基团间能量从供体传递给受体的现象，FRET已经成为检测生物大分子纳米级距离和纳米级距离变化的有力工具。理论上与实验上的研究都表明石墨烯可以高效的淬灭多种有机荧光基团和量子点(QDs)的荧光。同其它的有机淬灭基团相比，石墨烯的淬灭效率比较高，具有很低的背景荧光和较高的信倍比。基于GO-FRET的检测平台，我们发展了几种检测蛋白酶和小分子的方法，具体内容如下：
　　 ⑴在本研究工作中，我们基于GO-FRET的检测平台实现了对caspase-3蛋白酶的检测。设计了一条一端标有荧光基团的多肽分子探针，多肽分子探针上苯丙氨酸残基与氧化石墨烯疏水面通过π-π靠电子的堆积作用而使两者吸附在一起。此时荧光基团作为荧光的供体，氧化石墨烯作为荧光的受体，荧光淬灭。然后caspase-3切断多肽探针使荧光基团从氧化石墨烯上脱落，荧光得以恢复。为了进一步提高灵敏度，我们采用了先酶切后加氧化石墨烯的策略，当caspase-3存在时多肽链被切断，标记有荧光基团的一端只含有赖氨酸残基，荧光基团不会被氧化石墨烯吸附，当加入氧化石墨烯时荧光不会被淬灭。caspase-3响应的动态范围可从1.45 ng/ml到72.5 ng/ml，其检测的最低浓度为1.45 ng/ml。该方法易于推广，可以延伸到其它蛋白酶的检测领域中去，只需改变多肽分子探针的序列使之可以和要检测的蛋白酶特异性的相互作用，就可以达到检测的目的。
　　 ⑵在上一个工作的基础上，我们发现非特异性的蛋白(BSA)会干扰氧化石墨烯对多肽探针的吸附，所以我们将荧光基团标记的多肽分子探针共价交联在氧化石墨烯上，利用这种新型的策略对caspase-3进行检测。和吸附这种非共价交联的方法相比，共价交联的方法具有更多的优点，它可以消除非特异性蛋白的竞争吸附，提高传感器的稳定性，Caspase-3蛋白酶范围为7.25 ng/ml到362 ng/ml，检测的最低浓度为7.25 ng/ml(约为0.4 nM)。共价交联的方法抗干扰能力强，将来可以用于细胞或组织等更为复杂的环境和体系中。
　　 ⑶在本研究工作中，我们利用氧化石墨烯作为淬灭剂，构建了一种筛选G四链体小分子配体的方法。氧化石墨烯对单链DNA具有很强的吸附能力，并可以淬灭标记在其上荧光基团的荧光，当G四链体小分子配体加入时，它可以诱导单链信号探针形成G四链体的结构，从而使其从氧化石墨烯上脱落，荧光得到恢复。我们使用传统的中药有效成分的单体作G四链体的配体方面的研究，发现一种平面的黄酮类分子在诱导单链DNA形成G四链体方面有较高的效率。实验结果表明在筛选G四链体小分子配体方面该方法简单、快速而且有效。

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