基于分裂适体与核酸酶信号放大的电化学传感器的构建与分析应用

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电化学适体传感器结合了核酸适体的特异性,以及电化学方法仪器相对低廉、响应快的优点,能够用于灵敏检测生物分子、无机离子等多种类型的目标物。然而,随着科学研究要求的不断提高,对某些低丰度目标物的检测需求也愈发强烈,因此,在适体传感器的构建中,已有许多信号放大技术被发展并用于提高分析灵敏度。由于核酸酶具有独特的生物识别能力和优异的催化活性,在诸多信号放大技术中,基于核酸酶的催化反应已是最常用的方法之一。大部分适体传感器的设计基础都是适体识别目标物后的构象变化,而由于完整适体高度灵活且序列较长,因此易与其他物质结合从而产生假阳性或非特异性信号。为了解决该局限性,Stojanovic等人于2000年首次提出分裂适体的概念,其主要内容是将完整适体分裂成两个或多个独立的分裂适体片段,在特定目标存在的情况,分裂适体会和目标物特异性地结合形成三元复合物。分裂适体有着比普通适体更高的特异性,并且能使适体传感器在设计上更加灵活,在构建新型适体传感器上具有巨大潜力。与需要在适体上修饰电活性或催化活性分子的标记型传感器相比,无标记的适体传感器拥有着操作简便,成本低的显著优势。因此,为了提高传感器的特异性和灵敏度,本文基于分裂适体和核酸酶信号放大策略,提出了两种无标记电化学适体传感器,分别对多种疾病相关的生物分子以及重要的环境污染物进行高灵敏检测。主要研究内容如下:(1)核酸酶信号放大的阻抗型分裂适体传感器的构建及应用基于目标物诱导分裂适体结合的策略和核酸外切酶信号放大作用开发了一种无标记电化学传感器,用于高灵敏检测凝血酶(Tmb)、三磷酸腺苷(ATP)和汞离子(Hg2+)。在没有目标物的情况下,两个分裂适体无法相互结合,因此电极上的分裂适体单链会在下一步中被核酸外切酶Ⅰ完全消化,从而在电极表面产生较小的阻抗。然而,在目标物存在的情况下,两个分裂适体会特异性识别目标物并与之结合形成三元复合物,不能被下一步中的核酸外切酶Ⅰ剪切,从而使得电极表面产生较大的阻抗。所提出的无标记电化学传感器能选择性地对Tmb、ATP和Hg2+进行高灵敏检测,检测限分别为32 fM、1.43pM和1.65 pM。该传感策略为多目标检测提供了一种简单有效的工具,在疾病诊断和环境监测中具有广阔的应用前景。(2)基于分裂适体的双开关无标记电化学传感器对凝血酶和ATP的灵敏检测基于分裂适体及核酸外切酶的信号放大作用开发了一种对Tmb和ATP进行高灵敏检测的双开关无标记电化学适体传感器。首先,在电极上形成一个由链1(S1)和链2(S2)杂交形成的双链探针。在Tmb存在时,S2上下端的Tmb分裂适体区域会特异性识别并结合Tmb,导致双链断裂,剩下的S1单链会在下一步中被核酸外切酶Ⅰ切割,从而产生较小的阻抗。在ATP存在的情况下,位于S1和S2中部的ATP分裂适体区域能特异性识别并捕获ATP,双链结构被保留,无法被下一步中的核酸外切酶Ⅰ切割,从而在电极表面产生较大的阻抗。该双开关传感器能快速、灵敏、选择性地对Tmb及ATP进行检测,检测限分别为0.76 pM和0.27 pM。此外,该传感器在人血清中依然保持较好的分析性能,为Tmb和ATP的临床实时监测提供了一个很有前景的传感平台。
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