基于石墨烯纳米材料的DNA测序研究进展

设计和研发快速、准确、价廉、高通量的DNA测序方法,对于预防早期疾病和了解相关疾病机理具有非常重要的意义。新型纳米材料石墨烯由于具有独特的结构和性质,在化学和生物科学等领域发挥着重要的作用。该文介绍了DNA测序的研究现状以及应用石墨烯纳米材料的优势,重点阐述了DNA链通过石墨烯纳米孔、石墨烯纳米间隙、石墨烯纳米带时产生不同的电流信号识别碱基序列的原理,同时介绍了DNA链与石墨烯的相互作用对DNA测序的影响,并对DNA测序的研究方向进行了展望。该文为基于石墨烯纳米材料的DNA测序提供了作用原理、理论研究以及检测方法等参考。     

纳米孔测序技术在核酸修饰检测中的应用

DNA和RNA上广泛存在着多种化学修饰.这些核酸修饰参与基因表达的调控,影响生长发育等生理过程,并可能会引发癌症等疾病.对核酸修饰的精准识别与定位有助于理解其功能机制,帮助相关疾病的诊断与治疗.纳米孔测序是一种新兴的单分子测序技术,可以根据修饰碱基与天然碱基之间阻孔信号的差异实现核酸序列中多种修饰的同时检测,是目前检测核酸修饰最直接的方法.本文简要介绍了纳米孔测序技术的发展和原理以及识别核酸修饰的算法工具,总结了纳米孔测序技术在核酸修饰检测中的应用,并对其发展前景进行了展望.     

石墨烯基生物分子传感器件的第一性原理研究

基于第一性原理模拟, 我们构建了一种具有石墨烯电极的纳米间隙生物分子传感器件的理论模型. 研究发现,当碱基分子胞嘧啶、甲基化胞嘧啶和羟甲基化胞嘧啶分别通过器件时, 器件横向电流的大小差异约有1个数量级, 器件对此类分子具有一定的分辨能力. 分子之间的区分度大小受单链脱氧核糖核酸(DNA)中相邻碱基分子间的相互作用及碱基分子构型的影响. 研究工作表明, 此类石墨烯基分子传感器可准确高效地区分具有不同结构的碱基分子, 为准确定位DNA链中的变异碱基分子提出了一种新的思路.     

生物大分子纳米孔分析技术研究进展

脱氧核糖核酸穿越纳米孔动力学研究以及利用纳米孔开展新型DNA测序技术研究是后人类基因组计划的热点之一。本文对生物纳米孔、固态纳米孔以及纳米孔生物大分子识别技术的研究现状进行了归纳和总结,并对该领域的发展趋势进行展望。     

基于高分子聚合物及毛细玻璃管的固态单纳米孔通道在分析化学中的应用

纳米孔检测技术以其独特的优势在电分析化学领域引起广泛的关注,基于此构建的电化学传感器及电化学整流开关已被用于多种目标物分析,如单分子蛋白检测及DNA测序。纳米孔既可由生物分子制成,也可由固态材料制备。其中,固态纳米孔易于修饰,机械性能、稳定性等相对较好,应用较为广泛。纳米孔检测技术主要的输出信号为电阻脉冲和电流-电压曲线(离子整流),本文以两种输出信号为重点,详细介绍了纳米孔检测的原理和应用,总结了近年来固态单纳米孔通道在分析化学领域的发展,并对该领域未来的发展趋势和应用前景进行了展望。     

(类)石墨烯纳米复合材料在DNA电化学传感器及生物小分子中的应用

介绍了近几年石墨烯及类石墨烯纳米复合物在DNA电化学传感器及碱基、双酚A、多巴胺、抗坏血酸等生物小分子中的应用,并对其在生物传感器方面的发展方向和应用前景进行了展望。     

纳米孔生物分子检测研究

纳米孔单分子检测技术是一种集操作简单、灵敏度高、检测速度快、无需标记等优点的传感检测技术,广泛应用于蛋白质检测、基因测序和标志物检测等领域。基因测序的费用、灵敏度和精度是该检测技术的发展中亟待解决的主要问题,而开发新型的纳米孔材料则是解决这些问题的关键手段。本文从纳米孔材料的选择和设计角度出发,综述了三种不同的纳米孔,即蛋白质等生物纳米孔、固态纳米孔和新型二维材料纳米孔在生物分子检测方面的应用现状,并比较了生物纳米孔与固态纳米孔的差别。本文也重点阐述了二维材料纳米孔在生物分子检测中的实验和模拟研究进展。最后,对纳米孔检测技术的发展前景进行了展望。     

液相表面增强拉曼光谱传感器的制备方法及其核酸检测的应用

本发明公开了液相表面增强拉曼光谱传感器的制备方法及其核酸检测的应用。该传感器包含检测基底和SERS探针两部分。检测基底为四面体DNA探针修饰的磁核枝杈状金壳纳米颗粒,SERS探针为表面修饰有能与目标核酸杂交的特定碱基序列和拉曼信号分子的金纳米颗粒。检测是,将检测基底、SERS探针与待检测液体样品混合,通过碱基互补配对形成"检测基底目标核酸SERS探针"夹心结构复合物,借助外加磁场分离检测液中的复合物并富集后进行SERS测试,利用SERS信号实现了对于血清中核酸的高灵敏、特异性检测,检测限达到f M,可实现在血清等复杂环境中检测核酸标志物。     

Aerolysin蛋白纳米孔道直接检测单个DNA碱基修饰

基于Aerolysin生物膜通道蛋白的纳米孔道电化学分析技术,因其高的电化学空间限域能力可实现超灵敏DNA单分子检测。本文利用单个Aerolysin纳米孔道在无需标记、无需扩增的条件下直接分辨3种具有单个碱基差异的单链DNA。实验结果显示,具有单个炔基侧链基团修饰的单个ss DNA在限域空间内与Aerol-ysin纳米孔道的相互作用时间较未修饰的ss DNA增长近7倍,电流阻断程度增大7%,且高斯峰半峰宽减小了44%,增强了Aerolysin纳米孔道对单个DNA分子的分辨能力。研究成果有望推动Aerolysin纳米孔在DNA直接测序及表观遗传修饰检测中的应用。     

发光聚合物与大笼型介孔硅构筑的纳米复合体系的光学性能研究

合成了具有规整六方棱柱形貌的大孔笼型介孔硅, 通过液相自组装的方法将共轭聚合物链填入孔中, 制备了无机介孔硅-共轭聚合物的纳米复合物. 并利用SEM, TEM, XRD以及N₂吸附等测试表征了介孔硅和复合物. 通过研究这种介孔硅负载长链共轭聚合物的UV-vis光谱、PL光谱以及发光动力学, 证明了聚合物链的聚集作用受到强烈的抑制而链活动能力减弱, 链间激子的能量分布变窄; 链间激子在介孔受限环境中寿命延长. 激光扫描共聚焦显微镜研究发现复合物硅微粒的发光强度比聚合物聚集体的发光强度高20倍以上. 纳米复合物在高温下仍然保持较高的发光强度, 有效的减少了酮缺陷的产生. 光稳定性测试表明该纳米复合物还具有较高的抗光氧化能力.     

基于纳米金比色检测NOS1AP基因单碱基突变

基于单、双链DNA与纳米金颗粒间的不同静电作用, 建立了一种基于颜色反应检测NOS1AP基因单碱基突变的方法. 根据NOS1AP基因的单碱基多态位点设计检测探针、互补靶序列及带有单碱基突变序列寡核苷酸DNA. 室温下, 检测探针分别与互补序列、单碱基突变序列在缓冲液中进行杂交, 再分别加入纳米金溶液以及NaCl溶液. 用肉眼可以观察到纳米金溶液在两种不同杂交溶液中产生明显不同的颜色变化. 这种变化可通过紫外-可见分光光度计测定纳米金溶液的紫外吸收峰值的变化来证实. 实验结果表明, 纳米金溶液在一定浓度NaCl存在的条件下, 对互补双链NOS1AP DNA及单碱基突变NOS1AP DNA呈现出不同的颜色反应及紫外吸收光谱的改变. 此方法可望用于相关疾病的医学诊断及单碱基突变的检测.     

Aerolysin纳米孔核酸检测灵敏区域的协同相互作用探索研究

纳米孔单分子检测技术以其简便、快速、高通量及无需标记等特点, 应用于DNA及蛋白质测序, 更有望实现单分子动态构象变化的研究. Aerolysin(气单胞菌溶素)纳米孔道由于其特有的较长的β-桶限域区(β-barrel)及孔内壁丰富的带电荷氨基酸残基, 在单个寡聚核苷酸分子分析中展现出极高的灵敏性. 本设计利用dA₁₄-4-X, dA₁₄-11-X, dA₁₄-4-X-11-X (X=C, T, G)等单个寡聚核苷酸探针分子, 研究了Aerolysin的两个灵敏区域R1和R2, 探索了R1灵敏区域对单个碱基弱相互作用的差异, 实现区分单个碱基差异. 进一步实验证明, R1灵敏区域对单个碱基类型差异的灵敏区分不受R2灵敏区域被碱基A、C、T占位所影响. 然而, 当R2区域被碱基G占位时, 会使R1区域丧失对整个孔道电流的主导性. 本研究有助于理解Aerolysin对单个寡聚核苷酸分子的超灵敏测量机制.     

石墨烯对Ni（OH）2超级电容器材料电化学行为的影响

研究了氧化缺陷石墨烯对Ni(OH)2电化学性能的增强作用.实验上,由恒电位沉积法在石墨烯基底上制备Ni(OH)2纳米粒子/石墨烯复合材料.TEM观察和电化学测试表明,Ni(OH)2纳米粒子均匀地分散在石墨烯基底上,其粒径为5.0±0.5 nm,体系的质量比电容值为1928 F.g-1.量化计算表明,上述复合材料乃是通过Ni(OH)2与石墨烯表面功能基团的强化学作用相结合而导电的,电子则是自石墨烯基底经氧化缺陷向Ni(OH)2传递,导致Ni(OH)2带负电,从而形成Ni(OH)2纳米粒子的单向导电行为.     

纳米孔分析化学

源于自然界,服务于人类社会的纳米尺度装置包括生物及人工制备的纳米孔与纳米通道等。基于这些纳米尺度装置的分析化学简称纳米孔分析化学。本文对纳米孔分析化学的发展,特别是近年来在DNA测序、蛋白质分析的进展进行了综述,对于纳米孔分析化学发展的历史、基本分类、原理和应用作了介绍与展望。     

生物纳米孔分析技术研究进展

生物纳米孔传感技术因其快速、低成本、无需荧光标记等优点,在化学和生物等诸多研究领域得到广泛应用,已发展成为一种新颖的、独具特色的单分子分析手段。该技术目前主要应用于DNA测序研究,同时在单分子分析领域也取得了令人瞩目的成就。该文简要介绍了生物纳米孔分析技术的原理和生物孔的种类,主要总结了近20年来生物纳米孔在DNA测序和单分子分析中的研究进展并予以了展望。     

基于仿生膜的功能化单纳米通道在分析化学中的应用

灵感来源于蛋白质离子通道的仿生功能化单纳米通道,已逐渐成为一种成熟的单分子检测技术和离子整流器。功能化纳米通道包括两种:基因改造的蛋白质纳米通道和固体加工的纳米通道。常用的固体纳米通道有三种:在纳米氮化硅或石墨烯上用聚焦离子束(FIB)或电子束(FEB)轰击得到的纳米通道,化学腐蚀聚合物薄膜中的重金属离子轨迹得到的锥形纳米通道和拉制毛细管或激光刻蚀得到的玻璃纳米孔。相对于蛋白质纳米通道,固态的人工纳米通道具有更优越的机械稳定性,并可用于各种功能基团的修饰。经过近十年的发展,包括蛋白质纳米通道在内的各种仿生的纳米通道已广泛用于对小分子、蛋白质和聚合物等其他一些对象的定性和定量检测。本综述详细介绍了近年来国内外该领域的发展,并对未来的发展方向作了简要的展望。     

介孔二氧化硅基智能递送体系的构建及其在各类疾病治疗中的应用

利用先进纳米技术开发的药物递送体系能够改善药物的理化性质和治疗效果,同时削弱其毒副作用,因而纳米药物递送体系成为现代药剂学研究的热点和主流方向。其中,介孔二氧化硅作为纳米载体的基质材料具有比表面积大、形貌结构可调、表面易于修饰及生物相容性良好等优点,引发生物医学研究人员的广泛关注,为构筑新型智能药物递送体系提供了新的设计思路。本文就介孔二氧化硅基智能递送体系在设计构筑和疾病治疗应用等方面的最新研究进展进行了综述。首先,本文对介孔硅的发展历程、制备方法及结构特性进行了简要概述;其次,从药物装载和门控释放两大角度系统阐述了近些年介孔硅基智能递送体系的构建策略,重点介绍了各种刺激响应性介孔硅基递送体系的门控开关(如聚合物、无机纳米颗粒、超分子组装体及生物大分子等)及其可控释放机制;随后,详细描述了介孔硅基控释体系在各种类型疾病(包括癌症、细菌感染、糖尿病和阿尔茨海默病等)治疗中的应用进展;最后,总结和分析了介孔硅基智能纳米载体研究中存在的问题并对其未来发展作了展望。     

固相纳米孔对核酸组装的“免标记、均相”表征和应用探索

随着核酸自组装领域的飞速发展,除了作为遗传信息的载体外,核酸成为了一种具有高操作自由度和无限可能性的功能材料.基于核酸自组装原理的DNA纳米技术凭借其强大的可编辑性已经广泛应用于生物传感、纳米材料工程、医学诊疗以及分子计算机等领域.纳米孔作为一种新兴的单分子分析技术具有高分辨、高通量、免标记等特点,近年来在基因测序、分子物理化学性质分析等领域展示出了极大的应用潜力.作为一种新型高分辨表征技术,纳米孔已经在DNA纳米技术研究中崭露头角,被用于原位追踪和分析核酸分子的自组装行为.另一方面,DNA纳米技术也为纳米孔传感所面临的技术瓶颈提供了更多样化的解决思路,如借助功能核酸(Aptamer或DNAzyme)和无酶扩增核酸分子线路实现纳米孔对待测物的特异性增敏检测.本专论旨在通过对近期纳米孔技术与核酸自组装的跨领域研究成果进行系统性回顾,总结并展望纳米孔传感领域内核酸自组装的研究进展,以期为单分子生物分析、信息检索、基因分型和临床诊断等领域提供新思路和新方法.     

有机官能化介孔硅基材料负载纳米金催化剂的制备及其催化性能

一步合成了桥键嵌入二硫醚官能化介孔硅基材料(PMO-SBA-15),利朋介孔硅基材料孔道内表面的二硫醚基团捕获纳米金(Au)粒子的作用,获得了负载型纳米Au催化剂(Au-PMO-SBA-15).小角X射线衍射和低温N2吸附-脱附的结果表明,PMO-SBA-15和Au-PMO-SBA-15均保持典型的介孔结构;高分辨透射电镜观察到纳米Au粒子在载体孔道内分散均匀,甲均粒径为(2.2±0.2)nm.以70%的叔丁基过氧化氧水溶液为氧化剂,考察了纳米Au催化剂Au-PMO-SBA-15在苯甲醇氧化反应中的催化性能.结果表明,当反应温度为353 K、反应时间为5 h时,苯甲醇的转化率为29.1%,苯甲醛的选择性为100%,且催化剂重复使用7次其催化活性和苯甲醛选择性基奉不变.     

介孔SiO2薄膜与金银合金薄膜相结合的大面积、高性能SERS基底

通过对涂布在金银合金薄膜表面的硅基凝胶膜进行高温热处理首次制备出均匀的大面积表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering, SERS)基底. 利用扫描电子显微镜观测到由硅基凝胶膜经高温脱模形成的介孔二氧化硅薄膜具有表面开口结构, 基底的X射线能量色散(EDX)谱揭示了高温热处理引起金银合金薄膜中的银原子流失, 从而导致薄膜的纳米构造. 通过测试基底对Nile blue (NB)和Crystal violet (CV)拉曼活性分子的SERS光谱, 观测到在玻璃衬底与50 nm厚的金银合金薄膜之间插入20 nm厚金薄膜能够显著提高基底的SERS增强因子. 测试了基底在水溶液样品(50 nmol·L^-1 CV)中的浸渍时间对SERS信号的影响, 结果指出SERS信号随浸渍时间的增加而增强并在30 min后达到稳定, 15 min浸渍时间对应的SERS信号强度达到其稳定值的85%. 比对实验指出CV的SERS光谱与其溶液的常规拉曼光谱的峰位完全一致, 揭示了介孔二氧化硅薄膜能够有效阻止SERS基底的金属成份对待测分子拉曼指纹谱的干扰. 实验还证明了这种新型SERS基底对水溶液中NB的探测下限可达1 nmol·L^-1.