基本信息
- 项目名称：
- 生物纳米电子光学器件及应用
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 本作品在国内外首次报道了有序纳米金通道阵列的模板电化学法制备,该材料具有良好的光学和电化学特性，发展了其在生物传感和生物器件领域的应用。选取了两种生物大分子：寡核苷酸和膜蛋白。系统研究了寡核苷酸的杂交行为和磷脂膜和膜蛋白行为的光学干涉。同时联用交流阻抗法，统一了界面的电化学和光学信号。为其进一步的生物传感和电化学电极材料应用提供了基础。
- 详细介绍：
- 生物体的复杂结构和功能为我们提供了启发和挑战，即如何在分子水平构建纳米结构，并控制它的功能。通过 “自下而上”路线的启发，我们提出了“From Life to Matter”的概念。着重在以下方面进行了探索：组装对外界刺激具有响应性的纳米体系，其中关键是在分子和超分子水平控制它的动态过程，继而实现可控的分子开关，最终实现分子机器。无机纳米材料在于生物分子相结合，在作为生物传感分析领域已取得非常大的进展。而结合生物分子，结合生物分子之间的相互作用和对环境的响应制备特定功能的纳米无机—生物器件将成为纳米领域的发展方向之一。多孔硅材料在非标记分析领域有着很大的应用前景。也存在着很多诸如不稳定等缺陷，为此，我们以多孔硅为模板，在该领域首次尝试了电化学镀金，得到了多孔金，这种纳米多孔材料保留了多孔硅良好的光学性能，同时作为多孔电极，有着很好的电化学应用前景。我们在金通道壁上接上巯基DNA，发现互补DNA上去可以有效引起有效光学厚度的左移，制备了可以检测10-14mol/L DNA互补杂交行为的光学传感器。同时提出电容介电理论，解决了生物传感器偏离Bruggeman 电介质理论模型的理论难题同时用电化学交流阻抗法对该理论进行了验证。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 有序纳米金通道制备和表征，研究其光学干涉特性和电化学响应，联用电化学和光学分析法研究生物纳米界面问题，构建生物传感器，进一步集成环境响应型的分子开关和纳米器件。
科学性、先进性及独特之处
- 1.国内外首次报道模板电化学法制备有序纳米金通道 2.在生物传感器领域电容介电理论的提出和交流阻抗法的联用统一电化学和光学响应 3.光学干涉法在纳米传感平台上研究磷脂膜和膜蛋白行为
应用价值和现实意义
- 1.科硕公司投资光学传感器部分，共同开发的电路集成化光学传感器产品 2.DNA光学传感器将在基因分析DNA测定，抗癌药物反义寡核苷酸的高通量筛选 3.建立研究膜蛋白和细胞膜仿生学的新方法，GPCR部分研究的完成将对药物作用机理，新药合成。将在医学领域产生重要作用
学术论文摘要
- 纳米传感平台在生物分析领域已取得很多成果同时具有很好的应用前景，这项工作中，我们报道了有序纳米金通道阵列的制备，发现了其光学干涉的特性，选取了两种生物大分子作为研究对象，发现界面上的DNA杂交行为和膜蛋白行为都有着很好的光学干涉响应，在麦克斯韦理论基础上，我们提出了一种可能的解释光学响应的理论并联用交流阻抗法进行了验证，为其作为生物传感器提供了理论基础。进一步完成了分子开关和纳米器件的制备。
获奖情况
- 期刊论文 DNA传感器部分已完成，以第一作者投稿Biosensors and Bioelectronics (IF=5.429)，有望近期发表. 分子器件部分工作实验工作已完成，以第一作者投搞Angewandte Chemie International Edition（IF=11.829）. 会议论文 冯建东，邬建敏. 金膜修饰的多孔硅作为非标记光学传感器的研究. 第三届全国生命分析化学学术研讨会. 第640页. 获得奖励 浙江大学第十二届“挑战杯”课外学术科技作品竞赛复赛自然科学类特等奖.
鉴定结果
- 无
参考文献
- 1.Lin V, Motesharei K, Dancil KS, Sailor M, Ghadiri M. Science 1997, 278: 840-843.（“A net increase in n is expected to shift the interference spectrum to longer wavelength, but in all of our binding studies,a shift to shorter wavelength was seen, an indication that the induced change in the semiconductor overwhelms the change in noccurring in the solution phase. The effect of interfacial capacitance on n is not easy to predict”申报论文中理论部分联用电化学方法引入双电层电容概念解决了生物传感器界面有效介电常数和折射率偏离Bruggeman电介质理论模型的理论难题) . 2.Huang S-CJ, et al. Bioelectronic silicon nanowire devices using functional membrane proteins. PNAS.2009, 13780–13784. 3.Huang S-CJ, et al. Bioelectronic silicon nanowire devices using functional membrane proteins. PNAS.2009, 13780–13784. 4.Yang, T.H.; Yee, C.K.; Amweg, M.L.; Singh, S.; Kendall, E.L.; Dattelbaum, A.M.; Shreve, A.P.; Brinker, C.J.; Parikh, A.N. Optical Detection of Ion-Channel Proton Transport in Supported Phospholipid Bilayers. Nano Lett. 2007, 7, 2446-2451.
同类课题研究水平概述
- 1997 年 Sailor 等人在Science上报道了多孔硅光学传感器用于检测 DNA 杂交信号的研究工作，之后多孔硅作为平台在DNA分析研究中取得了许多成果，这些工作和Sailor的工作一样，做出了很好的数据结果。但都未能解决多孔硅作为生物传感器时偏离Bruggeman电介质理论模型的理论难题（Sailor在Science的论文中谈到了这个理论难题）。2009年Huang S-CJ等在PNAS上报道了用硅纳米线(NW)支撑人工磷脂膜研究膜蛋白行为的场效应晶体管(FET)。使用多孔硅材料作为磷脂膜支撑基底已有相关研究成果，2007年Tsung-Han Yang等在Nano Letter上报道了多孔硅结合异硫氰酸荧光素研究了通道蛋白短杆菌肽的（gramicidin）质子运输行为。我们选取的G蛋白偶联受体属于跨膜蛋白，不容易得到晶体。X射线衍射难以确定其三维晶体结构，也难以在水溶液中利用核磁共振测其动态结构。其中只有极少数的GPCR蛋白的晶体三维结构被解出且都发表在Science和Nature上。本研究通过光学干涉直接在纳米传感平台上研究膜蛋白构象和结构是国内外尚未报道的，有着重大的生物学意义，在药物筛选领域有着非常好的应用前景。
