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文檔簡介

1、研究生學(xué)位論文開題報(bào)告(學(xué)術(shù)學(xué)位 理工類)題目:基于DNA-銅納米粒子為探針的熒光生物傳感器的構(gòu)建及應(yīng)用姓 名 萬 靖 學(xué) 院 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 專 業(yè) 分析化學(xué) 研究方向 光分析化學(xué) 指導(dǎo)教師 王廣鳳 培養(yǎng)類別 學(xué)術(shù)型碩士 填表日期 2016年3月23日 安徽師范大學(xué)研究生院制表填 表 說 明1. 研究生論文寫作工作,必須通過開題報(bào)告會(huì)審核后方可開始。2. 本表一式四份,學(xué)院留存一份,導(dǎo)師、研究生各留存一份,留存學(xué)位檔案一份。3. 研究生培養(yǎng)類別是指博士、學(xué)術(shù)學(xué)位碩士、專業(yè)學(xué)位碩士、同等學(xué)力碩士。4. 具體頁數(shù)隨內(nèi)容附加。5. 用A3紙打印、裝訂。一、 文獻(xiàn)綜述光學(xué)生物傳感器是指以光學(xué)信號

2、變化量為測定信息的一類傳感器,光學(xué)信號種類很多,包括熒光、磷光、散射、化學(xué)發(fā)光、干涉、折射、表面、波導(dǎo)等,這些信號都可以作為檢測的方式。光學(xué)生物傳感器具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)、不受電磁干擾影響,能進(jìn)行遙感、能用一個(gè)簡單的裝備同時(shí)檢測多種物質(zhì)等優(yōu)點(diǎn),也是目前研究最為廣泛的一種類型的生物傳感器。光學(xué)生物傳感器作為一種強(qiáng)大的檢測手段和分析工具已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了生物醫(yī)學(xué)研究、醫(yī)療保健、醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測、國土安全、國防等多個(gè)領(lǐng)域1。在眾多光學(xué)信號中,熒光和磷光都屬于光致發(fā)光,是分子、原子吸收光輻射時(shí)被激發(fā),然后發(fā)射出和吸收波長相同或者更長光的現(xiàn)象。區(qū)別在于熒光是一種光致冷發(fā)光的現(xiàn)象,即一旦停止入射光,光的

3、發(fā)射現(xiàn)象也立刻停止。熒光生物傳感器是光學(xué)生物傳感器的重要組成成員之一。熒光生物傳感器是通過將生物識別元件上的生物信號轉(zhuǎn)換成熒光信號,通過研究熒光分子的光譜譜線位置和強(qiáng)度大小,來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的定性和定量分析。對熒光物質(zhì)的檢測通常借助于熒光的增強(qiáng)、淬滅或者發(fā)射波長的移動(dòng),同時(shí)熒光信號的強(qiáng)度也反應(yīng)了目標(biāo)物的存在情況或是目標(biāo)物和生物識別分子之間相互作用的強(qiáng)度。由于熒光檢測方法操作簡單、方便、快捷且有比較高的靈敏度,檢出限往往能達(dá)到單分子水平2,使得該方法在藥物、臨床、環(huán)境、食品的微量、痕量分析以及生命科學(xué)研究領(lǐng)域具有重要意義,已成為光化學(xué)傳感器技術(shù)研究者倍感興趣的研究領(lǐng)域,在日常的分析檢測中也得到了普遍

4、的應(yīng)用。熒光生物傳感器通過將生物識別元件上的生物信號轉(zhuǎn)換成熒光信號來實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物的檢測。熒光信號的強(qiáng)度反應(yīng)了目標(biāo)物的存在情況或是目標(biāo)物和生物識別分子之間相互作用的強(qiáng)度,因此可以作為定性與定量分析的依據(jù)。構(gòu)建熒光生物傳感器時(shí),在生物識別分子上標(biāo)記熒光團(tuán),并以此作為信號報(bào)告基團(tuán)是最常用的方法。常用的熒光團(tuán)包括兩類:一類是自身具有熒光的有機(jī)物質(zhì),比較常用的有:熒光素、羅丹明、嵌入染料SYBR Green等,其中,嵌入染料SYBR Green能直接與DNA雙螺旋小溝區(qū)域結(jié)合,而大部分的有機(jī)熒光物質(zhì)是需要通過化學(xué)鍵合的作用連接到生物分子上或是固定相上,制備成標(biāo)記了的探針后,再作為分子識別元件應(yīng)用到熒光生

5、物傳感器中;另一類熒光團(tuán)是納米發(fā)光材料,隨著納米技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,以及學(xué)科之間的交叉融合,在熒光生物傳感器中,也引入了納米材料這個(gè)新興元素。迄今為止,一些具有光致發(fā)光性能的納米材料,如:金屬納米簇、量子點(diǎn)、上轉(zhuǎn)換材料等都很好的應(yīng)用到了熒光生物傳感器中。DNA-金屬納米熒光材料是一種新型無標(biāo)記熒光探針,由于相較于傳統(tǒng)的有機(jī)染料而言,其優(yōu)越的耐光性,便捷的合成方法,分析時(shí)間長,低毒性,高熒光量子產(chǎn)率,合成簡便、熒光發(fā)射可調(diào)、良好的光學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性等優(yōu)點(diǎn)3,使其在生物化學(xué)和生物醫(yī)藥的應(yīng)用上展示出優(yōu)越的潛在性能。此外在建構(gòu)DNA相關(guān)的生物傳感器時(shí),一般不需進(jìn)行共價(jià)修飾或者標(biāo)記過程,步驟簡單、成本

6、低,為無標(biāo)記生物傳感器的構(gòu)建提供良好的選擇。DNA-金屬納米熒光材料用于DNA相關(guān)的生物傳感器的構(gòu)建時(shí),一般不需要進(jìn)行共價(jià)修飾或者標(biāo)記過程,此外DNA-納米材料在生物傳感中的應(yīng)用具有諸多優(yōu)勢:模板易和成、可設(shè)計(jì)。相較于其他聚合物模板,DNA模板可以通過簡單設(shè)計(jì)合成獲得;特殊的分子識別能力。以DNA為模板的金屬納米粒子具有良好的分子識別能力,包括互補(bǔ)的堿基序列的識別,特異性地識別多種分析物(包括金屬離子、有機(jī)小分子、肽、蛋白質(zhì)等)。隨著DNA的特性的深入研究,DNA-銀納米簇用于生物傳感器的研究逐漸興起。2002年Dickson研究組發(fā)現(xiàn)了富C(胞嘧啶)的DNA對銀納米簇的穩(wěn)定4后,DNA-銀納

7、米簇用于生物傳感器的研究逐漸受到人們的關(guān)注。相較于DNA-銀納米簇的研究,DNA-銅納米粒子是一種新興出現(xiàn)的以DNA為模板的熒光金屬納米粒子。制備銅納米材料的最為常用的方法之一是液相化學(xué)還原法,通過可溶性銅鹽前驅(qū)體和還原劑在液相中發(fā)生的氧化還原反應(yīng),使得Cu2+被還原成銅原子,而后生長成不同形貌的銅納米材料。2010年,Rotaru等5首次基于液相還原法制備了具有發(fā)光性能的雙鏈 DNA-銅納米顆粒(dsDNA-CuNPs)探針。其基本原理是:Cu2+被抗壞血酸鹽還原后形成Cu原子,Cu原子在雙鏈DNA模版上團(tuán)聚而形成有穩(wěn)定熒光發(fā)射的銅納米顆粒。與其它具有發(fā)光性能的納米顆粒相比,以雙鏈DNA為模

8、版制備的銅納米顆粒具有許多優(yōu)點(diǎn),如:制備過程簡單、成本低、熒光穩(wěn)定。同時(shí),所形成的銅納米顆粒的大小和其熒光強(qiáng)度的高低是可以通過控制DNA雙鏈的長度來調(diào)節(jié)。隨后,研究者們基于發(fā)光性能的銅納米顆粒構(gòu)建出了多種不同用途的熒光生物傳感器。除了這種雙鏈DNA-銅納米粒子的研究,Wang Kemin小組還報(bào)道了Poly-T(聚胸腺嘧啶)的單鏈DNA-Cu納米粒子并利用其熒光性質(zhì)檢測了核酸酶6。Poly-T(聚胸腺嘧啶)為模板形成的DNA-銅納米粒子比DNA-銀納米簇和dsDNA-銅納米粒子有更快及更便捷的合成速度和方法,比如DNA-銀納米簇合成條件:避光4°C放置24小時(shí),dsDNA-銅納米粒子

9、合成條件:室溫> 1小時(shí)。因此,Poly-T為模板形成的DNA-銅納米粒子更有利于構(gòu)建新型的生物傳感平臺。盡管Poly-T為模板形成的DNA-銅納米粒子作為熒光探針已經(jīng)在檢測胰島素7,巰基化合物8和蛋白質(zhì)9上有所涉及,但是在生物化學(xué)上的應(yīng)用仍然處在初級階段。本論文擬以DNA-銅納米粒子為探針構(gòu)建新型的DNA基熒光生物傳感器,實(shí)現(xiàn)了快速、非標(biāo)記、靈敏地檢測核生物分子,同時(shí)也考察了所提出的熒光傳感器在復(fù)雜生物體系中應(yīng)用的可行性。二、研究目標(biāo)、研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題研究目標(biāo):DNA-銅納米粒子為探針構(gòu)建新型的DNA基熒光生物傳感器,檢測各類的生物分子。研究內(nèi)容:利用銅納米顆粒能以單鏈Pol

10、y-T為的特性,構(gòu)建新型的DNA基熒光生物傳感器。以引起體系熒光信號的變化為基礎(chǔ),研究考察該新型熒光生物傳感器對不同分析對象的響應(yīng),構(gòu)建靈敏、快速的檢測方法。擬解決的關(guān)鍵問題:DNA-銅納米粒子的制備單一,可控性較難。構(gòu)建DNA基熒光傳感器體系受環(huán)境影響較大。三、研究特色與創(chuàng)新之處研究特色:基于DNA-銅納米粒子的諸多優(yōu)點(diǎn),建立新型的DNA基熒光生物傳感器。創(chuàng)新之處:基于無標(biāo)記的Poly-T的單鏈DNA-銅納米粒子與目標(biāo)DNA調(diào)節(jié)的光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移體系構(gòu)建的熒光生物傳感器四、擬采取的研究方法、技術(shù)路線、實(shí)驗(yàn)方案及可行性分析研究方法:通過文獻(xiàn)的閱讀,掌握制備DNA-銅納米粒子的方法;掌握熒光分光光

11、度計(jì)的使用方法,探索DNA-銅納米粒子的激發(fā)和發(fā)射波長;通過高分辨透射電鏡觀察DNA-銅納米粒子的基本形貌;通過電化學(xué)方法證明特征機(jī)理。技術(shù)路線:實(shí)驗(yàn)方案:擬以乙肝病毒DNA為目標(biāo)DNA,研究光誘導(dǎo)的電子轉(zhuǎn)移在DNA-銅納米粒子和G-四連體/血晶素復(fù)合物之間的機(jī)理,并以此檢測目標(biāo)DNA。Poly-T為單鏈DNA-銅納米粒子發(fā)光為模板探針,利用G-四連體和銅納米粒子之間產(chǎn)生光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移使銅納米粒子的發(fā)光產(chǎn)生猝滅的現(xiàn)象,制備出單鏈DNA-銅納米粒子與光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移體系構(gòu)建熒光傳感器,利用目標(biāo)DNA和探針結(jié)合形成結(jié)構(gòu)緊湊的體系拉遠(yuǎn)G-四連體和銅納米粒子之間距離的原理,實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)DNA靈敏性、特異

12、性的檢測??尚行苑治觯篜oly-T為單鏈DNA在抗壞血酸和硫酸銅的作用下,制備出DNA-金屬納米粒子,與G-四連體DNA在血晶素的作用下,發(fā)生了猝滅的現(xiàn)象。五、研究工作進(jìn)度和計(jì)劃201409-2015.1 閱讀文獻(xiàn),學(xué)習(xí)有關(guān)DNA基熒光生物傳感器的原理及應(yīng)用2015.03-2015.06 選擇課題,進(jìn)行相關(guān)的文獻(xiàn)調(diào)研,并掌握相關(guān)的科研動(dòng)態(tài)及方向2015.06-2015.11 根據(jù)選擇的課題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),探索實(shí)驗(yàn)的可行性、研究目的及研究意義2015.12-2016.04 深入實(shí)驗(yàn)研究,探索優(yōu)化條件和實(shí)際應(yīng)用,撰寫文章2016.04-2016.11 課題拓展,設(shè)計(jì)多體系,豐富研究內(nèi)容2016.12

13、-2017.03 論文總結(jié),參加答辯六、研究基礎(chǔ)(目前已做的工作和已有成果)1、實(shí)驗(yàn)原理示意圖:B A 2、Poly-T為模板的DNA-銅納米粒子的表征C 3、示意圖A的可行性研究4、示意圖B的可行性研究5、目標(biāo)DNA的線性關(guān)系的研究七、主要參考文獻(xiàn)1 Narayanaswamy R, Wolfbeis O S, 2004. Optical Sensors. Springer New York.2 Moerner W. New directions in single-molecule imaging and analysis. 2007, 104, 12596 -126023 Li, C.,

14、 Qiu, X., Hou, Z., Deng, K., Biosens. Bioelectron. 2015, 64, 505-5104 Choi, S., Dickson, R. M., Yu, j. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 1867-18915 Rotaru A, Dutta S, Jentzsch E, et al. Angewandte Chemie International Edition, 2010, 49, 5665-56676 Wang, H.B., Zhang, H.D., Chen, Y., Liu, Y.M., Biosens. Bioel

15、ectron., 2015, 74, 581586. 7 Ou, L. J., Li, X.Y., Li, L. J., Liu, H. W., Sun, A. M., Liu K. J., Analyst, 2015, 140, 1871-1875.8 Wang, H.B., Zhang, H.D., Chen, Y., Liu, Y.M., Biosens. Bioelectron., 2015, 74, 581586. 9 Zhang, L.L., Zhao, J.J., Zhang, H., Jiang, J.H., Yu, R.Q., Biosens. Bioelectron. 2013, 44, 69.導(dǎo)師意見: 導(dǎo)師簽字: 年 月 日審核小組評議意見評議項(xiàng)目評議意見(請?jiān)诶ɑ?nèi)畫)論文選題的意義和價(jià)值好( )較好( )一般( )較小( )論文難度與工作量是否適度偏高( )適當(dāng)( )偏低 ( )低( )研究方案的可行性好( )較好( )一般 ( )不可行( )開題報(bào)告中反映的創(chuàng)新能力

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