基于石墨烯固体纳米通道的蛋白质及小分子化合物的单分子检测

The studies on single molecule analysis of protein and small molecules based on graphene solid nanopore will be developed. Takeing advantages of the excent mechanical and photoelectric property of graphene, nanopores are drilled through electron beam lithography. In combination of patch clamp amplification technique and electrochemical detection, the analysis and sensing of single molecule nucleic acid can be performed. With further improvements, the method could in principle provide direct, high-speed detection of the sequence of bases in single molecules of DNA. An aptamer is a specifi c oligonucleotide sequence that spontaneously forms a secondary structure capable of selectively binding an analyte. The grapheme nanopore is utilized to sense the conformational changes of protein or small molecules with their respective aptamers. We describe an approach that exploits the intrinsic identification function of enzymes to DNA strand translocation through a graphene nanopore, showing how the enzymes can find the specific site.

本项目拟开展基于石墨烯固体纳米通道的蛋白质及小分子化合物单分子检测的研究。利用石墨烯优良的机械和光电性质，通过电子束平版印刷技术构建石墨烯固体纳米通道。以此纳米通道为基础，将膜片钳放大技术与电化学检测技术相结合，实现核酸单分子的检测及传感分析。对孔道进行改性，使四种脱氧核苷酸穿越这一纳米孔道的阻断电流稳定均一，可以明确的通过阻断电流和阻断时间来区分不同的脱氧核苷酸，从而实现低成本、高通量的DNA测序。利用仿生分子识别体系的弱相互作用，实现单个小分子化合物与DNA适体结合行为的研究，检测单个核酸适体与其不同的靶物质结合时所呈现的不同构型。利用核酸适体实现单个酶分子的检测，对单个酶分子的实时生物化学反应和酶催化动力学进行研究，研究单个酶分子在许多非特异性结合位点中如何找到特异性位点，为解决生命科学中的重大问题提供理论依据。

本项目开展基于石墨烯固体纳米通道的蛋白质及小分子化合物单分子检测的研究。利用石墨烯优良的机械和光电性质，通过电子束平版印刷技术构建石墨烯固体纳米通道。以此纳米通道为基础，将膜片钳放大技术与电化学检测技术相结合，实现核酸单分子的检测及传感分析。利用仿生分子识别体系的弱相互作用，实现单个小分子化合物与DNA适体结合行为的研究，检测单个核酸适体与其不同的靶物质结合时所呈现的不同构型。利用核酸适体实现单个酶分子的检测，对单个酶分子的实时生物化学反应和酶催化动力学进行研究，研究单个酶分子在许多非特异性结合位点中如何找到特异性位点，为解决生命科学中的重大问题提供理论依据。开展了基于杂交链式反应放大的SPR检测DNA及小分子的研究。通过固定在SPR芯片上的捕获探针将靶DNA引入到芯片上，未杂交的靶序列作为引发剂，引发两个颈环结构H1、H2发生杂交链式反应，从而引起芯片表面性质的变化，通过检测SPR角变化实现靶DNA的检测。结合DNA滚环复制和核-壳结构的纳米粒子拉曼信号探针来实现双重信号放大检测凝血酶。用磁珠作为载体，在磁珠表面结合把氨基修饰的DNA，凝血酶适体与其杂交形成双链DNA探针。凝血酶与其适体结合释放到溶液中，磁珠表面留下单链DNA探针作为引物。加入锁扣式DNA，在T4 DNA连接酶和Phi 29 DNA聚合酶作用下，留下的DNA链发生滚环复制反应，生成长链DNA。与所制备的核-壳结构纳米探针上的DNA杂交，捕获拉曼信号探针，通过检测拉曼信号实现凝血酶的检测。我们制造了一种DNA纳米分子机器可以用来检测细胞内酸化及硫酸长春新碱诱导凋亡的Ramos细胞的检测。这类DNA纳米分子机器的设计原理是基于双/三螺旋的DNA分子在不同PH环境中会呈现不同的状态，及石墨烯对于单链DNA及复合三链DNA的不同的吸附作用。利用石墨烯优秀的作为载体的功能及良好的生物相容性，此类生物传感器可以被用做活细胞内的高效率检测。