近年来，借助纳米材料及荧光标记的DNA构建生物传感器探针受到人们的广泛关注。主要思路是利用纳米材料较强的荧光猝灭性能以及材料表面对单链DNA/非结构DNA与双链/折叠DNA吸附能力的差异，设计基于荧光强度变化的纳米荧光探针。这些物理吸附传感器具有简单、成本低的优点，因此受到广大研究者的青睐。
纳米材料种类繁多，表面化学性质差异巨大，对于DNA的吸附能量也大不相同。金表面对DNA的吸附能量比较强，而氧化石墨烯的吸附能量相对弱一些。一种分析方法是先在材料表面吸附荧光标记的DNA探针达到荧光淬灭的效果。然后加入互补DNA或适配体靶标，引起探针DNA在表面的解吸附并伴随荧光增强，此方法信号产生的效果取决于DNA吸附能相对于DNA杂交或是与配体结合的热力学稳定性。如果表面对DNA的吸附强于DNA杂交的能量，该方法在热力学上处于劣势。
滑铁卢大学刘珏文教授（点击查看介绍）课题组在纳米金/DNA体系中做了大量的基础研究工作（Matter, 2019, 1, 825-847）。近日和福州大学汪少芸教授（点击查看介绍）课题组合作，定量的测定了互补链DNA对吸附探针DNA的脱附效率。不同于以前的研究，本工作在互补链反应后还加入氰化钾来消溶金，完全释放所有没有脱附的探针。发现超过98%的DNA仍然吸附在金上，同样的结论也适用于核酸适配体，说明吸附在金上的DNA很难通过杂交来脱附。文献中观察到的DNA脱附，起主要作用的可能是靶标分子和金表面的竞争作用，而非DNA的分子识别。一个近期的例子是三价砷和DNA在金表面的竞争（Anal. Chem., 2019, 91, 10887-10893）。另一方面，虽然DNA探针能够从氧化石墨烯上脱附，但是这个体系受非特异性取代的影响也较大。可见，在应用纳米材料荧光探针体系或是设计新的生物传感研究时，需要格外注意分析物对DNA与纳米材料界面作用力的影响。
作者们认为比较可行的方法是利用单链和双链DNA吸附动力学的差异来进行检测。先进行DNA杂交或让靶标与适配体结合，再加入金纳米颗粒，信号产生依赖于金颗粒对折叠或杂交DNA吸附的动力学效应。
图1 （A）FAM-标记的DNA吸附在金表面，荧光被猝灭。如果互补DNA（cDNA）或是未标记的相同DNA（sDNA）能引起荧光探针的解吸附，会导致荧光上升。 当加入氰化钾（KCN）之后，金颗粒被溶解，从而释放出所有被吸附的探针，根据此可以分析由cDNA或是sDNA所引起的解吸附占比。本研究发现，互补DNA也只能使极少数的探针从金颗粒表面解吸附；（B）FAM-24mer/AuNPs在添加不同DNA后的解吸附动力学曲线。
本研究由福州大学青年教师张芳博士在滑铁卢大学进行博士后研究完成，近期发表在Analytical Chemistry 上。张芳博士获得国家留学基金委基金（CSC）“青年骨干教师出国研修项目”支持。
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Gold Nanoparticles Adsorb DNA and Aptamer Probes Too Strongly and a Comparison with Graphene Oxide for Biosensing
Fang Zhang, Shaoyun Wang*, Juewen Liu*,
Anal. Chem., 2019, 91, 14743-14750, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b04142
课题组介绍
刘珏文教授
刘珏文，加拿大滑铁卢大学化学系教授，博士生导师。2000年获得中国科技大学化学本科学位。2005年获美国伊利诺伊大学化学系博士学位。自2009年起受聘于加拿大滑铁卢大学。获得加拿大化学会Fred Beamish奖，和McBryde奖章，并入选加拿大皇家学会（青年学院）。近年来发表期刊研究论文共计300余篇，包括Chem. Rev. (2), J. Am. Chem. Soc. (21), Angew. Chem. Int. Ed. (9), Anal. Chem. (20), 引用数达20000余次。H-index为70。担任Biosensors & Bioelectronics 杂志核酸部分副主编，Trends in Analytical Chemistry (TrAC)，《中国化学快报》副主编，Journal of Analysis and Testing 编委，和Langmuir，Analytical Methods, Sensors, Particle and Particle Systems Characterization 编委会顾问。现主要从事核酸酶，纳米材料和软物质的分析化学，物理化学，以及表面性质的研究。
https://www.x-mol.com/university/faculty/75566
http://www.science.uwaterloo.ca/~liujw/index.html
汪少芸教授
汪少芸，福州大学教授，博士生导师。入选国家“万人计划”科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、福建省科技创新领军人才、福建省高层次创新人才、福建省高校新世纪优秀人才、福建省食品科学重点学科带头人。获中国食品科技学会科技创新杰出青年奖、宝钢优秀教师奖、省优秀教师奖、省优秀科技工作者奖、厦航奖教金奖。主要从事生物化学、功能食品和纳米生物材料研究，同时开展它们的食品安全检测与分析工作。编写著作4部，申请发明专利48项，获授权43项，发表论文200余篇，被SCI/EI收录150余篇，兼任任Hans Journal of Food and Nutrition Science，Food Science and Human Wellness，食品科学编委，中外食品技术首批翻译专家。
https://www.x-mol.com/university/faculty/90997
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