多色纳米信标

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探针的原理及其应用

多色纳米信标

生物检测在分子诊断、环境监测及生物反恐等领域得到了广泛的应用。而纳米材料由于其独特的电学、光学以及催化等特性，有助于发展出快速、简单、廉价的纳米生物传感器用于蛋白、核酸以及小分子的检测。上海应用物理研究所 物理生物学实验室的研究人员构建了一种多色纳米信标(Multicolor nanobeacon)，并应用该探针实现多种肿瘤基因标志物的同步检测。相关论文在近期Angew. Chem. Int. Ed., 2009, 48, 8670以Frontpiece形式发表(见图)。

分子 信标(Molecular beacon)是一种基因检测的重要方法，其基本原理是通过设计DNA茎环结构来构建荧光分子-淬灭剂对，茎环结构在检测到靶基因时产生会打开从而发出很亮的指示荧光。此前的研究表明金纳米粒子具有特别的纳米界面能量转移特性(Nanoscale surface energy transfer, NSET)，对几乎所有的荧光分子都具有极高的淬灭效率。利用金纳米粒子的这一显著特性可以研制成高灵敏的纳米信标探针。

该纳米信标具有较快的DNA杂交动力学，可以在分钟量级检测到特异性的靶基因，同时其展示出类似于普通分子 信标的热力学特性，因而选择性很高，可以分辨单碱基变异。在分子信标中，由于有机淬灭剂与荧光分子的光谱匹配程度问题，构建多色探针以实现多基因标志物的同时检测受到较大的限制。金纳米粒子的应用很好地解决了这一问题，同时纳米粒子表面积大，可以负载足够多的DNA探针。

该研究展示了应用多色纳米信标对P16, P21和P53等三种肿瘤抑制基因的同时荧光检测，呈现出很好的灵敏度和特异性，可以检测低至pM的基因并能很好的区分单碱基变异。由于此前研究表明，纳米金和DNA的复合物能够高效透过细胞膜，这一多色纳米探针将有望用于细胞内多事件的同时探测。这一工作是由上海应用物理研究所 和南京大学的研究人员合作完成，并得到了国家自然科学基金委、科技部和上海市科委的共同资助。

近期Nature China在研究亮点(Research highlight)中对该工作进行了报道。

这一多色纳米信标的原理还被用于构建基于核酸适配体(aptamer)的多色纳米生物传感器。核酸适配体是一类能与靶分子高特异性结合的寡核苷酸序列，这种新型识别分子相比于抗体等常用识别分子具有明显特色和优势。我们将核酸适配体的高特异性识别行为与纳米金对荧光的超强淬灭能力结合起来，制备了可同时灵敏检测可卡因、腺苷和钾离子的多色纳米金探针。相关工作发表在Small,2010,6,201。

石墨烯是另一类近期引起极大关注的纳米材料，它是由单层碳原子构成的片层纳米材料，具有良好的光电性能，且石墨烯片层结构同样存在NSET效应并对荧光染料具有很高的淬灭效率。

我们的分子动力学研究结果表明氧化石墨烯与单双链DNA之间的相互作用存在显著差别，荧光染料标记的单链DNA可以强烈吸附在石墨烯表面从而导致荧光淬灭而双链DNA则与石墨烯作用很弱。在此理论计算基础上，我们发展了基于氧化石墨烯的多色荧光探针用于多种基因的同时快速灵敏检测，相关工作 在线发表在Advanced Functional Materials, 2010, DOI: 10.1002/adfm.200901639。