基于二维纳米材料MoS2的DNA生物传感器研究

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癌症具有早期诊断困难、晚期难以治愈的特点。因此,迫切需要发展高灵敏检测技术实现对癌症的早期筛查。ct DNA作为一种非侵袭型、“实时”的癌症评估生物标志物,在癌症早期诊断中具有重要意义。现有的ct DNA的检测技术,存在重复性差、生物功能化手段复杂、目标物的检测灵敏度不足等问题。二维纳米材料具有大的比表面积和易于功能化等优点,不仅能够扩大传感界面的比表面积,而且可以提高传感界面的性能。少层二维纳米材料具有更优异的光学、电学等特性,其对单链DNA和双链DNA的不同作用力也为高性能DNA生物传感器的构建提供了可能。本论文首先研究了如何制备少层MoS2纳米片,之后以癌症标志物ct DNA为检测对象,将少层MoS2纳米片与光学、电化学技术相结合,研究了基于少层MoS2纳米片的生物传感器对ct DNA高灵敏、选择性检测。本文主要研究内容与研究结果如下:(1)制备少层MoS2纳米片。以胆酸钠作为分散剂,通过剪切剥落法对块状MoS2进行液相剥离,从而制备少层MoS2纳米片;用XRD、SEM、AFM以及紫外-可见光光度计对少层MoS2纳米片的尺寸、厚度、浓度、产率等进行表征及数据分析。研究了胆酸钠的浓度以及搅拌时间对少层MoS2纳米片制备的影响,确定最佳的液相剥离条件,以低成本制备大量的少层MoS2纳米片。试验结果表明:当MoS2粉末的浓度为50 mg/ml,胆酸钠的浓度为10 mg/ml,搅拌时间为90 min,溶液总体积为200 ml时,可制备出高质量的少层MoS2纳米片。该少层MoS2纳米片分散液的浓度为0.09 mg/ml,平均长度约100 nm,平均厚度约4.2 nm,厚度在10层以下。(2)构建一种基于少层MoS2纳米片的光学传感器用于检测ct DNA。将以剪切剥落法制备的少层MoS2纳米片与光学进行结合,利用MoS2纳米片光学吸收的尺寸依赖性以及MoS2纳米片对单链DNA和双链DNA的不同吸附力,构建检测ct DNA的光学生物传感器。试验结果表明:当Na Cl浓度为100 m M时,盐对少层MoS2纳米片有较好的沉淀诱导作用;通过范德华力,单链DNA会吸附在MoS2纳米片表面,从而抵制盐对MoS2纳米片的聚集沉淀作用;而DNA杂交形成双链DNA时,双链DNA会脱离MoS2纳米片表面,盐就会加速少层MoS2纳米片的聚集,从而导致少层MoS2纳米片分散液吸光度发生变化。基于少层MoS2纳米片分散液吸光度的变化,构建光学传感器用于检测ct DNA。研究结果表明:当cp DNA浓度为100 n M时,不同浓度(25 n M~100 n M)的ct DNA与少层MoS2纳米片分散液的吸光度呈反比线性关系。在401 nm和448 nm波长处时,少层MoS2纳米片分散液与ct DNA浓度的线性回归方程为Y=0.23557–0.00070 X,R~2=0.94222和Y=0.21253–0.00050 X,R~2=0.95141,成功地实现了对癌症标志物ct DNA的检测。(3)构建一种基于少层MoS2纳米片的电化学传感器用于检测ct DNA。将以剪切剥落法制备的少层MoS2纳米片与电化学技术相结合,采用物理吸附的方法,构建检测ct DNA的电化学生物传感器。由于少层MoS2纳米片优异的电化学活性,成功地实现了对癌症标志物ct DNA基因片段低成本、高灵敏度的检测。ct DNA浓度在1.0×10-7 M~1.0×10-16 M的范围内呈现良好的线性关系,其线性回归方程为?Ipt(μA)=0.12939log C(M)+2.27808,R~2=0.99805,检测限低至2.5×10-18 M。同时,该传感器对碱基错匹配(1MT ct DNA、3MT ct DNA)和碱基完全错匹配(nc ct DNA)展现出良好的选择性;实验研究证明构建的传感器具有良好的稳定性和重现性。本研究所构建的生物传感器为未来的体外癌症检测和诊断提供了一种有效的传感策略。
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