基于金纳米通道的DNA及IgG的分离检测研究

论文摘要

纳米技术已成为当前多学科交叉的前沿领域之一，纳米通道技术是开展纳米技术研究的重要内容之一和新的生长点。纳米通道即是孔径在0.1～100nm的孔或管道（nanopore，nanochannel，nanotuble）。纳米通道技术涉及到的学科包括分子生物学、生物化学、电子学、材料科学和信息学等多个学科。由于这种纳米级管道的尺寸效应及管道内外的特殊物理化学性质，其潜在用途非常广泛。国外已经开展了相关研究，但我国在该方面研究鲜有报道。 纳米通道应用于分子的分离及检测是纳米通道技术两个重要的研究内容。关于单纳米通道分析方法、离子通道性质及纳米通道（阵列）分离方法的研究工作已有报道。但利用纳米通道阵列进行分析检测和分离的研究有大量、全新的工作要做。例如：设法将各种具有识别功能的化学基团修饰在通道上使其能选择通过特定的分子或物质；分子在通道中的通过速度、通量问题；利用纳米通道的尺寸优势开展生物分子的分析检测新方法的研究等。为此，本文开展了以下几个方面的工作： 1．以聚碳酸酯超滤膜为基底，采用化学镀的方法制成金纳米通道（阵列）。利用金纳米通道（阵列）的多孔性、孔径大小（纳米级）可控制性、孔道表面易修饰等特点，研究对金纳米通道进行不同的基团修饰后，生物大分子在通道内的传输规律，实现对生物分子的分析检测及选择特异性分离。根据这一思路，开展了金纳米通道用于免疫检测、基于纳米通道-纳米颗粒方法对DNA的分析检测、DAN单链通过纳米通道的选择性规律及在DAN分离中的应用研究工作。 2．对金纳米通道表面进行修饰后，在电场作用下，电解质离子和羊抗人IgG（二抗抗体）随机通过通道时，大体积的羊抗人IgG分子在通道中产生阻碍效应形成响应电流信号。加入人IgG（一抗抗体）后，由于免疫反应形成更大体积的分子而产生不同的阻碍效应，产生不同的响应电流，从电流变化情况即能判断试样中是否含人IgG，实现了免疫测试。 3．在金纳米通道膜上修饰ssDNA1，在纳米颗粒上修饰ssDNA2，加入含待分析DNA（TDNA）试样时，三段链通过互补碱基形成的化学键力形成‘三明治’结构把纳米颗粒结合在膜表面使膜阻抗发生变化，且随TDNA浓度增大膜阻抗增大；与此不同的是，加入只含单碱基不匹配的DNA4、随机DNA5片段试样时，纳米颗粒不能较好结合在膜表面，膜阻抗变化不大。通过测定膜体系的交流阻抗信号变化情况，即实现了对TDNA的分析检测。 4．在金纳米通道表面修饰一段DNA引物作为选择因子。在电场存在下，选择因子能对目标DNA进行识别而使它通过通道。本文探索了温度、电压及通道基于金纳米通道的DNA及IgG的分离检测研究孔径等因素对目标DNA及随机DNA链通过通道的影响作用，将条件进行优化后，考察了它们在通道内的通过情况。实验发现，在我们的条件下，目标DNA通过通道的速度明显大于随机DNA链（非目标链），这种纳米通道有特异选择DNA链通过的性质。这一研究为最终实现一种全新的DNA的选择特异性分离方法提供了有力的依据。 这些工作利用金纳米通道独特的性质，结合光、电化学的手段，从一个独到的角度探索了生物分子的分离分析方法并取得了一定的结果。通过这些研究，发展了一些简单易行、新的分析分离生命相关物质的方法，它丰富了纳米通道技术，同时也为生物大分子的分析分离提供了新的思想及方法。这些工作所涉及的方法具有较大的发展潜力，更深入的工作必将使之成为纳米技术的一个新的亮点。关键词:金纳米通道;化学修饰;生物分离;分析检测

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 膜离子通道
• 1.2 纳米碳管
• 1.3 人工制备的纳米单通道
• 1.4 阵列式纳米通道
• 1.5 本文构想
• 第2章 金纳米通道阵列的制备、修饰、表征
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 仪器与试剂
• 2.1.2 金纳米通道阵列的制备
• 2.1.3 金纳米通道阵列的修饰
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 金纳米通道阵列的制备机理
• 2.2.2 制备纳米通道的影响因素
• 2.2.3 金纳米通道阵列的表征
• 2.2.4 金纳米通道阵列的孔径大小与沉积时间关系
• 2.2.5 金纳米通道阵列的修饰
• 2.3 小结
• 第3章 金纳米通道用于免疫球蛋白测试的研究
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 仪器与试剂
• 3.1.2 实验方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 基于纳米通道阵列的传感原理
• 3.2.2 实验条件的选择
• 3.2.3 阻塞分子浓度与过膜离子电流大小的关系
• 3.2.4 人IgG（分析物）的纳米通道阵列传感技术
• 3.3 小结
• 第4章 利用纳米通道-纳米颗粒的DNA检测
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 试剂与仪器
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 利用纳米通道-纳米颗粒的DNA检测的原理
• 4.2.2 交流阻抗测试原理
• 4.2.3 交流阻抗测试
• 4.2.4 纳米颗粒的表征及DNA连接
• 4.3 小结
• 第5章 DNA片段选择性通过金纳米通道的研究
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 仪器与试剂
• 5.1.2 实验方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 用纳米通道分离DNA的原理
• 5.2.2 金纳米通道膜的修饰
• 5.2.3 DNA浓度与吸光度的关系
• 5.2.4 温度的影响
• 5.2.5 电压的影响
• 5.2.6 孔径的影响
• 5.2.7 修饰膜与未修饰膜的比较
• 5.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录