基于金纳米颗粒构建荧光探针中的DNA吸附能量问题

来源：X一MOL资讯

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。