食品中转基因植物成分在碳纳米复合材料界面上的电化学传感机理研究

The specific assessments of genetically modified foods (GMFs) are of great essentials to the identification of genetically modified products management, and the transportation of transgenic and non-transgenic raw materials, as well as the detection of genetically modified raw materials. Electrochemical DNA sensors have become a new research topic in biology and medicine, due to its quick response, good selectivity, high sensitivity and low cost. The development of simple, rapid, cheap, and miniaturized DNA sensor has become a research hotspot. Therefore, it is very important to establish a rapid nucleic acid-based electrochemical sensing method for detection of specific sequences of genetically modified plant components in food. This project is to realize the direct detection of specific sequences of GMFs at rather low concentration, by using the change of electrochemical response signal before and after the recognition events of nucleic acid molecules, combined with multiple signal amplification strategies. On the basis of our preliminary work, the project is to investigate and establish the sensing mechanism for specific genetically modified plant DNA sequences in GMFs, and then develop ultra-sensitive method for specific DNA sequences’ detection in GMFs by caring out the detection on biofunctionalized nanomaterials’ interface. The detection method will possess the advantages of high sensitivity and selectivity, cost-effectiveness, and the portability of instrument, which will overcome the disadvantages of general nucleic acid-based detection methods. The method will show potentials for the increasing demand for further development in the food safety and public health.

对转基因食品的具体评估，不论是对转基因产品进行标识管理，或是对转基因与非转基因原料的分别输送，还是对转基因原料和食品的检测都是必不可少的。电化学DNA传感器因其响应较快﹑选择性好﹑灵敏度高﹑成本低等优点，已成为生物学、医学领域新课题，其中开发简便、迅速、廉价、微型化的DNA传感器已成为这些领域的研究热点之一。本课题拟利用核酸分子生物识别事件中耦合电化学响应信号变化，结合多途径信号放大策略，实现对食品中转基因植物特征基因序列的直接检测。在前期工作基础上，本课题针对一般基于核酸检测方法需要放大目标分子时存在操作复杂、成本高等不利方面，开展生物功能化纳米材料传感界面上的特征DNA靶标检测研究，建立特异性强、灵敏度高、简单实用的转基因食品特征序列的快速检测技术，研究并构建基于生物功能化碳纳米材料的转基因食品特征序列电化学超灵敏传感机制。本研究将对保障食品的安全性及公众健康具有重要的实际意义。

针对一般基于核酸检测方法需要放大目标分子时存在费时、操作复杂、成本高等不利因素，本项目开展了四方面的研究：（1）纳米材料的制备和生物功能化研究。项目实施中，成功合成了具有良好生物相容性和导电性的碳纳米材料，利用金-硫键，以捕获DNA将纳米复合物进行生物功能化，构建了DNA（cDNA）电化学生物传感换能界面，并研究了金纳米粒子（AuNPs）形貌、粒径大小及分布均匀度对目标DNA（tDNA）的检测性能影响。（2）模型/目标食品转基因成分的特征模型序列在具有生物相容性的纳米碳材料界面上的生物识别事件的换能机理及动力学研究。在上述构建的生物功能化传感界面上，利用cDNA、tDNA及信号DNA（sDNA）间的特异性反应，构建了DNA特征序列（转基因成分CaMV35S序列、沙门氏菌invA基因序列及设计的特定DNA序列）的电化学传感器，利用DNA杂交反应前后电化学响应信号的改变，结合信号放大策略，实现了对tDNA的灵敏检测。（3）基于纳米结构信号放大策略的研究。本研究制备了不同纳米信号探针，如银纳米簇（AgNCs）-sDNA-AuNPs信号探针、金-银纳米粒子负载的Fe3O4信号探针和辣根过氧化物酶（HRP）-AuNPs信号探针，结合具有良好导电性和生物相容性的生物功能化传感界面，实现了对特定序列DNA的检测。（4）三维多孔纳米材料的绿色制备、表征及其在电化学传感中的应用。本研究采用水热法合成了具有三维孔状结构的石墨烯水凝胶（GH）和金纳米粒子掺杂的石墨烯水凝胶（AuNP-GH），并采用多种表征手段对它们进行了表征，研究了不同合成条件对它们的形貌、结构的影响。最后以它们为电极修饰材料，实现了对两种植物激素的同时且灵敏的检测。