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《自然通讯》报道单晶石墨烯超痕量生物传感技术有了新突破

来源:齐鲁晚报 2017-04-06 15:53

 

日前,德州学院生物物理省级重点实验室许士才博士、王吉华教授和周耀旗教授带领研究团队在3月21日出版的《自然通讯》杂志上发表了题为“Real-time reliable determination of binding kinetics of DNA hybridization using a multi-channel graphene biosensor”(多通道石墨烯生物传感器用于DNA杂交动力学和亲和力实时可靠检测)的研究论文,报道了一种用于检测分子间相互作用动力学及亲和力的全新方法。

分子间相互作用的动力学及亲和力分析检测一直是生命科学领域的重要内容,它不仅涉及了基因表达、DNA复制、信号传导、细胞之间相互作用等生物学中的关键过程分析,而且也是免疫分析、生物传感器及DNA杂交分析等重要分析技术的基础,在科学研究、疾病诊断、环境监测、生物技术、药品研制和食品安全检验等领域具有广阔的应用前景。长期以来,表面等离子体共振(SPR)是检测分子间相互作用动力学及亲和力最常用的方法,该方法具有无需对样品标记、样品用量少等优点,但也同时存在分析成本高、分析通量低、对小分子测量不够准确等缺点。因此,亟需发展一种动力学及亲和力分析的新方法。石墨烯生物传感技术以石墨烯为敏感材料,可实现小分子灵敏检测,且具有与大规模集成电路兼容、易于小型化、成本低及易于实现高通量检测等突出优点,极有希望发展成为未来新一代纳米生物传感分析检测技术。然而,由于常规石墨烯自身晶体结构缺陷及分子探针偶联对石墨烯本征结构破坏等因素的影响,导致石墨烯生物传感技术难以用于动力学及亲和力方面的检测。  近年来,许士才博士、王吉华教授和周耀旗教授带领研究团队围绕着单晶石墨烯超痕量生物传感技术开展了深入研究,在石墨烯生物传感器用于动力学及亲和力方面取得了重大进展,创造性地采用厘米级单晶石墨烯作为导电沟道研制出单晶石墨烯超痕量生物传感器,并巧妙地运用非共价偶联探针的方式避免了探针分子对石墨烯本征结构的破坏,从而推动可靠石墨烯生物传感技术迈出了关键一步。在此基础上,首次采用多通道单晶石墨烯超痕量生物传感器将分子相互作用直接以电信号变化呈现出来,成功实现了对DNA杂交动力学过程的实时检测,检测低限为10 pM,比常规SPR低3个数量级;深入分析了石墨烯传感器机理,并建立动力学模型获得了多组DNA相互作用动力学及亲和力参数,证明了这些参数的差异可实现对基因组单个核苷酸变异进行快速区分。该研究提供了一种以单晶石墨烯超痕量生物传感器为工具的全新动力学及亲和力分析检测手段,解决了SPR方法难以对小分子检测的问题,将更低浓度相互作用体系纳入了动力学分析范围,并且具有高通量的特点,从而极大拓展了动力学及亲和力的研究对象,对于发现生物学中相互作用的新规律,推动动力学分析检测方法在更广阔领域的应用具有重要意义。 该工作依托德州学院生物物理省级重点实验室完成,部分工作与格里菲斯大学(Griffith University)和山东师范大学等单位的研究人员进行了合作。该项工作得到了国家自然科学基金项目(11604040、61671107、11674199 和11547225)、山东省自然科学基金项目(ZR2014FQ032)和泰山学者项目等的支持。(生物谷Bioon.com)

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