基于循环酶切放大和新型双信号策略的电化学DNA传感器研究

In the past years, the dual-signaling strategy has paved a new way for the development of the DNA-based electrochemical sensor. All the dual-signaling strategies before were based on the DNA duplex, which was modified with the different redox labels on both DNA strands. Moreover, there was no report about the combination of the dual-signaling strategy and other signal amplification methods in a DNA-based electrochemical sensor. In this project, different positions of single-stranded DNA (ssDNA) have been modified with different redox labels. The modified ssDNA can produce two different electrochemical signals, and a novel dual-signaling strategy has been developed. On the other hand, exonuclease Ⅲ (Exo Ⅲ) can catalyze the stepwise removal of mononucleotides from the 3'-hydroxyl terminus of DNA duplexes in the case of the substrate with a blunt or recessed 3' terminus. Take the advantages of the cyclic enzymatic amplification of Exo Ⅲ and the novel dual-signaling strategy, ultrasensitive bioassays for DNA strand or mercury ion are developed. The signal from each label is firstly used to detect target. Then, multiple-amplified or ratiometric DNA-based electrochemical sensors are obtained through the superposition or ratio of the dual signals. This project can not only develop a novel dual-signaling strategy based on ssDNA, but also provide a new approach about the combination of dual-signaling strategy and other signal amplification methods in electrochemical DNA-based biosensors. It has the great significance in theory and application.

双信号策略的出现为电化学DNA传感器的发展带来了新的方向。但是到目前为止，双信号DNA传感器的构筑都基于对DNA双链修饰不同的电信号物质，且双信号技术与其它信号放大策略联用的超灵敏检测方法尚未见报道。本项目通过对单链DNA的不同位置修饰不同的电化学标记物，实现单链DNA上的双信号变化，以此发展新型的双信号检测技术；再结合核酸外切酶 Ⅲ（exonuclease Ⅲ, Exo Ⅲ）对双链DNA的特异性识别、选择性降解及循环酶切对信号放大的作用，建立用于DNA链或汞离子检测的超灵敏电化学方法。先分别利用单一信号检测目标物；再进一步将双信号进行叠加或比值处理，获得多重放大型或比率型双信号电化学DNA传感器。本项目的研究不仅可以发展新型双信号检测技术，还将信号放大引入到双信号检测中，为双信号电化学DNA传感器的发展提供了新的思路，因此有重大的理论价值和应用前景。

电化学传感器因其灵敏度高、选择性好、成本低，以及易于微型化等特点，而广泛应用于生物、医药、环境分析等领域。其中, 电化学免疫传感器、电化学DNA传感器等，受到了极大的关注。.肿瘤标志物的检测对于癌症早期诊断、治疗和预期干扰具有重大意义。纳米材料具有良好的生物相容性、导电性和大的比表面积，可以用于固定生物分子，放大检测信号。利用纳米材料构筑高选择、高灵敏的免疫传感器，在肿瘤标志物的检测中具有良好的临床应用前景。本项目制备了形貌各异的纳米材料，基于这些纳米材料构筑了不同的传感平台，并用于多种肿瘤标志物的检测。具体如下：1. 基于金钯纳米链网制备的新型无酶夹心型电化学免疫传感器用于肿瘤标志物糖抗原15-3的检测；2. 基于金铂纳米绒球制备的免标记型电化学免疫传感器用于肿瘤标志物糖抗原19-9的检测；3. 基于还原氧化石墨烯负载AgPt纳米环制备的免标记型电化学免疫传感器用于肿瘤标记物的超灵敏检测；4. 基于树枝状核壳AuPd@Au纳米晶制备的免标记型电化学免疫传感器用于前列腺特异性抗原的超灵敏检测。.本项目还制备了电化学还原氧化石墨烯平台，它不仅表现出对单双链DNA的区分度，还具有良好的电催化性能。基于此平台构筑的均相电化学DNA传感器，再结合循环酶切放大技术，实现了对凝血酶的超灵敏检测。.利用纳米材料良好的电催化性能，本项目制备了还原氧化石墨烯负载多孔Cu2O纳米球，将其应用于多巴胺和尿酸的检测中；三维多孔氮掺杂还原氧化石墨烯水凝胶负载的AuPd@Pd纳米晶，作为高效催化剂，用于甲醇氧化反应中；以及多刺Pt-Pd核-壳纳米晶，作为高效催化剂，用于多元醇的氧化和析氢反应中。.本项目的研究制备了多种性能优异的纳米材料，并将其成功用于电化学传感器和电催化领域，对临床医学、免疫学等具有重大的理论价值和应用前景。这些纳米材料将进一步用于电化学DNA传感器的构筑，以实现对目标物的超灵敏检测。.