《Anal. Chem.》：适配体结合纳米材料构建荧光探针中的靶标分子吸附问题

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来源：Analytical Chemistry

近年来，借助纳米材料及荧光标记的DNA构建的生物传感器受到广泛关注。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，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的吸附能力也大不相同。例如，金表面对DNA的吸附能力比较强，而氧化石墨烯吸附DNA的能力相对弱一些。为了分析纳米材料对于DNA吸附能力的大小，可以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。此方法中产生信号的强弱取决于DNA在纳米材料商上的吸附能相对于与互补DNA杂交或是与配体靶标结合的热力学稳定性。如果材料表面对DNA的吸附能强于该DNA与互补DNA杂交的能量，则该方法在热力学上处于劣势。

滑铁卢大学刘珏文教授课题组近日研究了基于金属氧化物纳米材料（氧化铈、氧化铁等五种氧化物）构建的核酸适配体荧光探针传感体系，定量的测定了adenosine和ATP对于适配体探针从材料表面脱附的效果。研究发现，虽然在溶液中adenosine和ATP对于该适配体有着类似的结合能力，但是只有ATP能够产生较强的荧光信号，而adenosine不能产生任何的信号（图1）。作者认为适配体和氧化物吸附太强，导致适配体和靶标分子的结合不能和原有的吸附作用竞争。ATP产生的信号源于其三磷酸根对于氧化物表面的较强吸附作用。进一步实验发现GTP也能产生类似的信号，而且用非ATP适配体的其他核酸序列也能对ATP，GTP产生响应。这些结果都说明了非特异性竞争的重要性。当加入适配体的互补链作为靶标，作者观察到了特异性的探针脱附。因为互补链能和适配体探针形成完整的双链，其结合能比适配体和靶标分子的结合更强，所以能有效地和吸附竞争，通过杂交产生信号。

图1. CeO2/适配体探针只对ATP响应，而adenosine不产生信号。

该工作随后对比了adenosine和ATP在氧化石墨烯上的信号，发现它们能产生类似的信号，而且信号强于guanosine和GTP。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。结合课题组原来在纳米金上的工作，作者根据纳米材料对DNA的吸附能力将其分成三类（图2）。第一类例如金纳米颗粒，对DNA的吸附能力大于DNA杂交的能量，即使加入互补DNA链也不能产生信号（Anal. Chem., 2019, 91, 14743-14750）。第二类例如氧化铈，能检测互补DNA但是不能检测适配体靶标。第三类例如氧化石墨烯，能检测DNA和适配体靶标。

图2.（A）荧光标记的DNA吸附在金表面，荧光被猝灭，互补DNA（cDNA）或是适配体靶标都不能产生信号。（B）吸附在金属氧化物（MONP）表面能检测互补链DNA，但是不能检测适配体靶标。（C）吸附在氧化石墨烯（GO）表面，能检测互补链DNA和适配体靶标。

本研究近期发表在Analytical Chemistry 上。第一作者是博士生Anand Lopez。

刘珏文，加拿大滑铁卢大学化学系教授，博士生导师。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27000余次。H-index为79。担任Biosensors & Bioelectronics杂志核酸部分副主编，Trends in Analytical Chemistry (TrAC)，《中国化学快报》，FACETS等杂志副主编，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。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.0c05062

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