论重金属DNA在基因诊断和重金属离子中运用

论文导读：
摘要：随着人类基因组计划的实施，基因诊断成为分子生物学、医学和遗传学探讨中的重要课题。基于DNA碱基互补配对进展起来的各种DNA电化学传感技术引具有操作简便快速、信号灵敏，能与DNA生物芯片兼容等优点，在大规模的基因检测中具有非常重要的运用价值。自“水俣病”和“痛痛病”公害事件发生以来，重金属污染引发全社会关注。在食品和环境中的监测以及临床毒理学中实现准确、灵敏、现场跟踪检测重金属离子成为一项紧迫的任务。随着人们对DNA与金属离子相互作用的深入探讨，发现DNA与金属离子有着着特异性相互作用，这为重金属离子的检测提供了新途径，使DNA在金属离子生物传感器的构筑中具有重要的运用价值。本论文分为六章：第一章：绪论首先系统介绍了电化学生物传感器的基本结构、检测原理、分类和运用领域。然后重点介绍了DNA电化学传感器的设计，金纳米粒子(AuNPs)、重氮化–偶联反应和重氮盐还原反应在构筑DNA电化学生物传感界面中的运用。最后介绍了金属离子与DNA相互作用的探讨进展及在金属离子生物传感器构筑中的运用。第二章：基于重氮化–偶联反应构筑DNA电化学生物传感器本章基于重氮化–偶联反应提出了在电极表面组装AuNPs的新策略并进一步探讨了其在DNA电化学生物传感器的运用，检测痕量的乙肝病毒DN段。在电极表面自组装4-氨基苯硫酚(4-ATP)分子后，经重氮化–偶联反应使两个4-ATP分子以首尾相接的方式固定在金电极上，得到巯基重氮氨基苯单分子层修饰电极。该修饰单层含有大量巯基，为进一步固定AuNPs提供了结合位点。探讨了AuNPs修饰电极上DNA探针的固定和杂交。由于巯基重氮氨基苯单层具有大的共轭结构，提升了传感系统的导电性，加速了电活性物质与电极表面的电子转移。以[Co(phen)_3]~(3+)为电化学指示剂，利用微分脉冲伏安法测定该DNA电化学生物传感器对目标DNA的线性检测范围为3.01×10~(–10)~1.32×10~(–8)M，检测限为9.10×10~(–11)M。另外，该DNA电化学生物传感器具有良好的选择性、再生性和稳定性。第三章：基于电还原重氮阳离子构筑新型DNA电化学生物传感器本章基于电还原重氮阳离子进展了在玻碳电极(GCE)表面组装AuNPs的新策略并进一步用于构筑新型DNA电化学生物传感器。重氮化反应生成巯基苯重氮阳离子经电还原可在GCE表面形成稳定的巯基重氮氨基苯修饰薄膜(MPF)，AuNPs固定在该修饰膜表面后，为探针HS–ssDNA提供结合位点，同时增强了传感系统的导电性。以[Co(phen)_3]~(3+)为杂交指示剂，利用电化学微分脉冲伏安法检测DNA的杂交。由于AuNPs的放大作用和MPF的稳定性，该传感器对乙肝病毒DNA的检测限为7.2×10~(–11)M。并且该传感器具有良好的选择性、稳定性和再生性。第四章：切口内切酶对汞离子调控的双链DNA切割活性的探讨本章以切口内切酶为模型，利用简单的电化学对策探讨内切酶和外切酶对Hg~(2+)调控的dsDNA切割活性的调控作用。实验结果表明切口内切酶可以识别Hg~(2+)-dsDNA，并在切点位置切割dsDNA的一条链，证明Hg~(2+)可引发限制性酶对dsDNA的切割活性，推测该调控机制同样适用于C–Ag+–C系统。第五章：结晶紫作为G-四链体特异性结合探针选择性电化学检测铅本章基于Pb~(2+)诱导富含G碱基的DNA序列以自由伸展的状态转变为G-四链体的构象变化，以结晶紫(CV)为电化学指示剂，构筑了电化学检测Pb~(2+)的传感界面。利用电化学手段探讨了CV在G-四链体–CV复合物中的电化学性质。圆二色谱进一步证明了DNA序列在加入Pb~(2+)后产生的构象变化。CV嵌插到G-四链体中，产生显著的电化学信号。该传感器对Pb~(2+)的线性响应范围为1.0nM~1.0μM，检测限为0.4nM。该传感器简单可靠、响应快速、选择性好，为临床血铅浓度的检测提供了新途径。第六章：基于目标物引发DNA释放构筑高选择性铅离子电化学生物传感器本章基于目标物引发DNA释放提出了构筑新型高灵敏度、高选择性电化学检测铅离子(Pb~(2+))的对策。首先，将金电极放入含有2.8mM HAuCl4和0.1M H2SO4的溶液中，施加–1.5V的电位，直接在金电极表面进行电沉积，得到树枝状金纳米粒论文导读：纳米粒子在DNA电化学生物传感器中的运用21-221.4重氮化反应的探讨及运用22-251.4.1重氮化反应及重氮盐的性质22-231.4.2重氮盐的制备231.4.3重氮盐的偶联反应23-241.4.3.1重氮盐与芳胺和酚的偶联反应23-241.4.3.2重氮盐与脂肪族化合物的偶联反应241.4.4重氮基的取代反应241.4.5重氮基的还原反应241.4.6重氮盐在传感
子修饰的金电极。这有助于提升电极的活性面积，以而增加含有巯基官能团的捕获DNA分子的固定量。当该捕获DNA分子与Pb~(2+)特异性适体杂交形成双链结构，亚蓝(MB)嵌插到结构中，产生电化学信号。当加入Pb~(2+)之后，Pb~(2+)与其适体结合形成Pb~(2+)稳定的G-四链体结构，以电极表面释放到溶液中。同时，插入DNA双螺旋结构内部的MB也会释放出来，引起电化学信号的显著降低。实验结果显示，该生物传感器对Pb~(2+)的线性响应范围为1.0×10~(–10)M到1.0×10–7M，检测限为7.5×10~(–11)M。相对于其他金属离子，该传感器对Pb~(2+)具有良好的选择性。该生物传感器对Pb~(2+)响应灵敏、选择性好，在实际环境样品浅析中具有潜在的运用价值。关键词：生物传感器论文DNA论文重金属离子论文金纳米粒子论文
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ABSTRACT6-14
第一章 绪论14-37

1.1 电化学生物传感器概述14-15

1.1 电化学生物传感器的定义14

1.2 电化学生物传感器的工作原理14

1.3 电化学生物传感器的分类14-15

1.4 电化学生物传感器的运用15

1.2 DNA电化学生物传感器15-20

1.2.1 DNA电化学生物传感器的设计原理16

1.2.2 DNA电化学生物传感器的测定历程16-17

1.2.3 DNA探针的固定策略17-18

1.2.3.1 吸附法17

1.2.3.2 共价键合法17

1.2.3.3 自组装法17-18

1.2.3.4 生物素–亲和素法18

1.2.4 DNA电化学杂交指示剂18-20

1.2.4.1 杂交指示剂的指示原理18-19

1.2.4.2 杂交指示剂和DNA的作用策略19

1.2.4.3 常用的杂交指示剂19-20

1.3 纳米结构材料20-22

1.3.1 纳米材料的定义20

1.3.2 金纳米粒子介绍20

1.3.3 金纳米粒子的电学和光学性质20

1.3.4 金纳米粒子的荧光淬灭效应20-21

1.3.5 金纳米粒子的制备策略21

1.3.5.1 柠檬酸钠还原法21

1.3.5.2 Brust–Schiffrin法21

1.3.5.3 种子生长法21

1.3.5.4 物理法21

1.3.6 金纳米粒子在DNA电化学生物传感器中的运用21-22

1.4 重氮化反应的探讨及运用22-25

1.4.1 重氮化反应及重氮盐的性质22-23

1.4.2 重氮盐的制备23

1.4.3 重氮盐的偶联反应23-24

1.4.3.1 重氮盐与芳胺和酚的偶联反应23-24

1.4.3.2 重氮盐与脂肪族化合物的偶联反应24

1.4.4 重氮基的取代反应24

1.4.5 重氮基的还原反应24

1.4.6 重氮盐在传感界面构筑中的运用24-25

1.5 金属离子与DNA相互作用的探讨与运用25-30

1.5.1 金属离子与DNA相互作用的探讨内容25-26

1.5.2 Hg~(2+)与T–T错配配位26

1.5.3 T–Hg~(2+) –T在Hg~(2+)传感器中的运用26-28

1.5.3.1 Hg~(2+)比色传感器26-27

1.5.3.2 Hg~(2+)荧光传感器27

1.5.3.3 Hg~(2+)电化学传感器27-28

1.5.3.4 Hg~(2+)发光传感器28

1.5.4 G-四链体介绍28-29

1.5.5 G-四链体在金属离子传感器中的运用29-30

1.5.5.1 G-四链体在荧光传感器中的运用29

1.5.5.2 G-四链体在电化学传感器中的运用29-30

1.5.5.3 G-四链体在比色传感器中的运用30

1.6 立题依据30-32

参考文献32-37
第二章 基于重氮化–偶联反应构筑DNA电化学生物传感器37-47

2.1 引言37

2.2 实验部分37-39

2.1 材料37-38

2.2 仪器38

2.3 金纳米粒子的制备38

2.4 在巯基重氮氨基苯单层修饰电极上固定探针S12538-39

2.5 DNA的杂交39

2.6 指示剂[Co(phen)3 ]~(3+)的嵌插39

2.7 电化学检测39

2.2.8 DNA电化学论文导读：仪器614.2.3在opgo1上标记二茂铁(Fc)614.2.4制备Fc-ssDNA修饰电极614.2.5在Hg~(2+)和其它金属离子有着条件下的电极表面的杂交61-624.2.6电化学检测624.2.7聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)表征624.3结果与讨论62-674.3.1利用电化学手段探讨nickase切断Hg~(2+)调控的dsDNA624.3.2电化学表征62-654.3.AGE表征65-664.3.
生物传感器的再生39

2.3 结果与讨论39-44

2.

3.1 探针S1在AuNPs–ATP–diazo-ATP/Au上的固定39-40

2.3.2 DNA电化学生物传感器的电化学表征40-41

2.3.3 生物传感器的选择性和对目标S2 的检测41-43

2.3.4 DNA电化学生物传感器的再生43-44

2.4 本章小结44-45

参考文献45-47
第三章 基于电还原重氮阳离子构筑新型DNA电化学生物传感器47-60

3.1 引言47-48

3.2 实验部分48-49

3.

2.1 材料48

3.

2.2 仪器48

3.

2.3 金纳米粒子的制备48

3.

2.4 将DNA探针固定在MPF修饰 GC电极上48-49

3.

2.5 探针S1 修饰的电极与目标DNA的杂交49

3.

2.6 指示剂的嵌入49

3.

2.7 电化学检测49

3.3 结果与讨论49-57

3.1 在AuNPs–MP/GCE上固定探针ssDNA49-52

3.2 XPS浅析52-53

3.3 DNA电化学生物传感器的电化学性质53-55

3.4 DNA电化学生物传感器的选择性、再生性和对目标S2 的测定55-57

3.4 本章小结57-58

参考文献58-60
第四章 切口内切酶对汞离子调控的双链DNA切割活性的探讨60-70

4.1 引言60

4.2 实验部分60-62

4.

2.1 材料60-61

4.

2.2 仪器61

4.

2.3 在opgo 1 上标记二茂铁( Fc)61

4.

2.4 制备Fc-ssDNA修饰电极61

4.

2.5 在Hg~(2+)和其它金属离子有着条件下的电极表面的杂交61-62

4.

2.6 电化学检测62

4.

2.7 聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)表征62

4.3 结果与讨论62-67
4.

3.1 利用电化学手段探讨nickase切断Hg~(2+)调控的dsDNA62

4.

3.2 电化学表征62-65

4.

3.3 PAGE表征65-66

4.

3.4 选择性探讨66-67

4.4 本章小结67-68
参考文献68-70
第五章 结晶紫作为G-四链体特异性结合探针选择性电化学检测铅5770-81

5.1 引言70-71

5.2 实验部分71-72

5.

2.1 材料71

5.

2.2 仪器71

5.

2.3 制备探针DNA修饰电极71

5.

2.4 Pb~(2+)诱导形成G-四链体和CV的嵌插71

5.

2.5 电化学表征71-72

5.

2.6 圆二色谱(CD)的测定72

5.3 结果与讨论72-78
5.

3.1 基于G-四链体–CV组装体构筑Pb~(2+)电化学生物传感界面72

5.

3.2 电化学表征72-73

5.

3.3 CD表征73-74

5.

3.4 实验条件优化74

5.

3.5 ESI表征74-76

5.

3.6 电化学检测Pb~(2+)76

5.

3.7 生物传感器的选择性和实际样品浅析76-78

5.4 本章小结78-79
参考文献79-81
第六章 基于目标物引发DNA释放构筑高选择性电化学铅离子传感器81-95

6.1 引言81-82

6.2 实验部分82-83

6.

2.1 材料82

6.

2.2 仪器82

6.

2.3 DenAu修饰金电极的制备82-83

6.

2.4 捕获DNA的固定，Pb~(2+)特异性适体的杂交和指示剂的嵌插83

6.2.5 Pb~(2+) 引发dsDNA中适体链释放形成Pb~(2+)稳定的G-四链体结构83

6.

2.6 电化学检测83

3 结果与讨论83-91 6.

3.1 基于目标物引起链释放电化学检测Pb~(2+)的原理83-84

6.

3.2 DenAu的表征84-85

6.

3.3 电化学检测85-88

6.

3.4 实验条件的优化88

6.

3.5 电化学检测Pb2+88-90

6.

3.6 选择性和实际样品浅析90-91

6.4 本章小结91-92
参考文献92-95
结论95-96
致谢96-97
攻读硕士学位期间发表的学术论文及奖励97-99
获奖情况99-100