新型非标记位点可控型功能DNA荧光传感器的开发及在环境检测和生物分析中的应用

Developing highly selective and sensitive methods for fast detections of various analytes related to environment and diseases is one of the most important research topics and basis for chemistry, environmental science, medical science and other inter-discipline fields. Developing new analytical methods for detecting these analytes is the urgent task and challenge for analytical chemistry. In this proposal, we propose to develop novel label-free fluorescent functional DNA sensors with controlled binding sites, for more efficient and fast detection of analytes with high selectivity and sensitivity. We will establish new methods to optimize and select highly efficient functional DNA by in vitro selection, to achieve ratiometric fluorescent sensing and simultaneous analysis of multiple analytes, and to realize in vivo cellular imaging of the analytes. These new approaches can overcome the long-lasting difficulties and challenges in the field of fluorescent functional DNA sensors, and make very significant contributions to the detection of important analytes for environmental analysis and early diagnosis of diseases.

实现环境、疾病相关各种分析物的高选择性、高灵敏度快速分析检测是化学、环境科学、医学等交叉学科领域的重要研究课题和基础。发展具有创新意义的针对这些分析物的检测技术是分析化学研究尤为紧要的方向和挑战。本项目拟开发新型非标记位点可控型功能DNA荧光传感器，用以更加高效、快速的对分析物实现高选择性、高灵敏度分析。通过建立新型的优化和体外筛选方法构建新型的荧光传感器体系，实现双波长比率型荧光响应和多种分析物的同时检测，并应用于生物细胞内成像分析，以解决功能DNA荧光传感器领域所面临的困难和挑战，进一步发挥其在环境监控和疾病早期诊断相关各种分析物的分析检测中的重要作用。

实现对环境安全和疾病诊断相关分析物的高选择性、高灵敏度快速分析检测是化学、环境科学和医学等交叉学科领域的重要研究课题。本研究发展了含缺碱基位点和荧光小分子染料的非标记铀酰离子荧光传感器，通过非天然连接体C3 spacer在特定位点修饰DNA酶39E，大大提高了其催化活性和检测灵敏度。建立了寡核苷酸化学修饰的合成后修饰通法，使其具备生物正交反应性、链霉亲和素连接活性和荧光发光特性。建立了基于4-硫代尿苷和荧光胺在氧化剂存在下的氧化反应对其进行选择性定量而无需样品消解的快速荧光增强检测方法，为在寡核苷酸上修饰特定功能基团和提高核酸定量与成像的传感器功能奠定了方法学基础。另一方面，生命活动中活细胞内亚细胞器的实时动态成像追踪为深入了解细胞化学、生物学提供了强有力的方法和手段，而与疾病密切相关的细胞凋亡、铁死亡过程会发生细胞膜张力或脂质排列的动态变化，长周期、实时动态定位并成像细胞全过程仍面临挑战。我们设计合成了兼具扭曲的分子内电荷转移（TICT）和聚集诱导发光（AIE）特性的双色荧光成像探针TPNPDA-Cn，其中TPNPDA-C12实现了同一活细胞内细胞膜和线粒体的双荧光通道动态成像。探针TPNPDA-C15可对磷脂变形和膜张力变化相关的脂质排列变化，即液态无序相（Ld）和液态有序相（Lo）进行成像示踪，从而实现了细胞凋亡、铁死亡和细胞有丝分裂全过程的三维实时成像和15小时长周期的动态成像追踪。本项目执行期间，我们继续发展了以水杨醛席夫碱AIE荧光团分子骨架为基础的荧光探针，实现了以烷基链堆积模式调控晶体荧光发射波长及其刺激响应荧光特性为基础的荧光传感，展示了作为荧光防伪材料的应用。发展了固态荧光探针，实现了奶制品中的内酰胺酶、实验室环境中的丙酮气体的快速灵敏和选择性检测。