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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 超痕量蛋白質(zhì)檢測(cè)方法的研究--基于分子仿生學(xué)原理的納米金共振散射探針
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 生命科學(xué)
- 簡(jiǎn)介：
- 作品研究基于分子仿生學(xué)原理的超痕量蛋白質(zhì)定量檢測(cè)用納米金探針；以納米金共振散射光譜特征分析為基礎(chǔ)建立新型超痕量蛋白質(zhì)檢測(cè)方法（已獲國(guó)家發(fā)明專利）并研發(fā)配套分析軟件。研究各指標(biāo)達(dá)到該領(lǐng)域世界前沿水平，已發(fā)表論文三篇。研究為新型蛋白檢測(cè)方法在科學(xué)研究、臨床診斷及食品安全等領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)超痕量蛋白質(zhì)穩(wěn)定、靈敏的分析開(kāi)辟新思路，也提供必備的理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)支持。作品得到蔣大宗先生和哈佛聯(lián)合研究中心專家的推薦。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著納米技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，基于納米金光學(xué)特性的超微量生物分子信息分析技術(shù)成為生物醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的新興研究焦點(diǎn)。以納米金為核心研制的各種用于科學(xué)研究、臨床診斷、食品安全和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)的生物光譜學(xué)分析探針，在超微量分子識(shí)別、腫瘤早期診斷、食品安全快速檢測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮重要的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。 目前，市場(chǎng)上高端的商業(yè)化納米金試劑的制備技術(shù)為IMI公司（美國(guó)）、ROCHE公司（德國(guó)）、Nycomed 公司（法國(guó)）等跨國(guó)集團(tuán)所壟斷，其產(chǎn)品具有粒徑均勻、性能穩(wěn)定、表面修飾基團(tuán)多樣等優(yōu)勢(shì)，但工藝流程復(fù)雜、反應(yīng)條件苛刻、產(chǎn)品價(jià)格昂貴。由于納米金試劑制備屬尖端技術(shù)領(lǐng)域，貿(mào)易壁壘高，而國(guó)內(nèi)上市的同類產(chǎn)品在性能指標(biāo)方面同上述公司還有相當(dāng)差距。 本研究首次利用樹(shù)狀體PPIHA（Polpyropylneimine hexadeacamnie dendrimer，聚苯丙烯亞胺）一步制得表面氨基活化的納米金探針，獲得了表面修飾納米金的新型制備工藝，成本降至進(jìn)口同類產(chǎn)品的1/53。繼而，突破性地實(shí)現(xiàn)了納米金同生物分子間特異性偶聯(lián)，有效提高其選擇性分析能力。以納米金探針制備為基礎(chǔ)，研究探討了納米金同血清白蛋白偶聯(lián)的最佳條件；本研究引入分子仿生學(xué)原理模擬生物礦化過(guò)程實(shí)現(xiàn)了納米金偶聯(lián)物的特異性二次生長(zhǎng)，建立起基于納米金共振散射光譜特性的超痕量蛋白分子定量分析方法（已獲國(guó)家發(fā)明專利）。在實(shí)現(xiàn)以上原理突破的同時(shí)，研發(fā)了配套分析軟件，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了檢測(cè)流程，提高了檢測(cè)效率，弱化了檢測(cè)的技術(shù)限制，為打破國(guó)外壟斷，填補(bǔ)高端納米金檢測(cè)試劑及相關(guān)分析軟件的國(guó)產(chǎn)化空缺提供必備的實(shí)踐基礎(chǔ)。 本研究有機(jī)結(jié)合了新型反應(yīng)體系與高效節(jié)能的微波加熱法，建立起納米金探針制備的新工藝。通過(guò)此工藝流程制得的納米金探針，具備高均一性、高分散性及高穩(wěn)定性。研究進(jìn)一步引入分子仿生學(xué)原理，實(shí)現(xiàn)了納米金共振散射光譜的特異性增強(qiáng)，特征峰值強(qiáng)度提高322倍。以納米金共振散射增強(qiáng)分子探針為基礎(chǔ)建立了超痕量蛋白質(zhì)（納克級(jí)）的定量檢測(cè)方法。較之常規(guī)分析方法，檢出限降低3個(gè)數(shù)量級(jí)，檢測(cè)范圍為3.00×10-9mol/L至2.40×10-8mol/L，檢出限低至3.00×10-9mol/L，本研究各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到該領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外前沿水平。該方法具有優(yōu)良的可移植性，為其在科學(xué)研究、臨床診斷、食品安全和環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對(duì)超痕量蛋白質(zhì)可控、穩(wěn)定、特異、靈敏地分析開(kāi)辟新思路，也提供必備的理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)支持。
作品圖片
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 研究目的：制備基于分子仿生學(xué)原理的納米金超痕量蛋白檢測(cè)探針。建立新型蛋白檢測(cè)方法，并研發(fā)配套分析軟件。 基本思路：1、利用微波回流法制備表面活性氨基修飾的納米金溶膠。2、研究納米金同白蛋白間的微觀作用機(jī)理，制備生物偶聯(lián)物。3、模擬生物礦化過(guò)程實(shí)現(xiàn)偶聯(lián)物選擇性二次生長(zhǎng)，特異增強(qiáng)檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超痕量蛋白質(zhì)的定量檢測(cè)。4、配合超痕量蛋白檢測(cè)方法，研發(fā)配套分析軟件，進(jìn)一步簡(jiǎn)化分析操作。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 科學(xué)性：創(chuàng)新地引入分子仿生原理模擬生物礦化過(guò)程，特異性增強(qiáng)納米金生物偶聯(lián)物共振散射信號(hào)，將生物信息轉(zhuǎn)化為光譜信號(hào)，基于光譜分析建立超痕量蛋白檢測(cè)新方法，構(gòu)思合理可行。 先進(jìn)性：優(yōu)化氨基修飾納米金制備工藝，成本僅為進(jìn)口產(chǎn)品1/53。結(jié)合仿生學(xué)方法和光譜分析技術(shù)。檢出限低至3nM，檢測(cè)范圍為3nM至24nM。 獨(dú)特性：交叉綜合分子仿生學(xué)、光譜學(xué)和納米科學(xué)等領(lǐng)域理論技術(shù)。該檢測(cè)方法已申請(qǐng)國(guó)家專利。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義
- 實(shí)際應(yīng)用價(jià)值：基于本研究所得結(jié)論，可針對(duì)特定用途制備相應(yīng)納米金探針，配合分析軟件，可實(shí)現(xiàn)超痕量蛋白的定量檢測(cè)。新型蛋白質(zhì)檢測(cè)方法可應(yīng)用于腫瘤早期診斷、混合蛋白體系快速在線分析等領(lǐng)域。 現(xiàn)實(shí)意義：本研究建立起一套新型超痕量蛋白質(zhì)檢測(cè)方法。為納米金光學(xué)探針在分子信號(hào)識(shí)別、腫瘤早期診斷、生物芯片、環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對(duì)超痕量蛋白可控、穩(wěn)定、特異、靈敏的分析開(kāi)辟新思路，也提供必備的理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)支持。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 本文研究基于分子仿生學(xué)原理的超痕量蛋白質(zhì)檢測(cè)納米金探針及超痕量蛋白檢測(cè)方法。以共振散射特征為基礎(chǔ)建立高靈敏、高選擇性痕量蛋白分子定量檢測(cè)方法。 首先，利用樹(shù)狀體（PPIHA）結(jié)合微波回流法制備表面氨基修飾的納米金微粒溶膠，并用傅里葉變換紅外光譜法分析微粒表面氨基修飾程度。其次，以紫外-可見(jiàn)吸收光譜和共振散射光譜為手段，研究了氨基修飾的納米金微粒與血清白蛋白表面特異性微觀作用機(jī)理。在此基礎(chǔ)上確定了pH值、反應(yīng)物比率等因素對(duì)納米金偶聯(lián)物穩(wěn)定性的影響，得到偶聯(lián)物形成的最適條件。以納米金微粒與白蛋白結(jié)合形成納米金生物探針。在鹽酸羥胺-氯金酸體系中，Au3+在偶聯(lián)物周圍富集并在其表面還原。通過(guò)該過(guò)程增大納米金偶聯(lián)物粒徑，同時(shí)復(fù)合物的共振散射光譜得到選擇性增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生物礦化產(chǎn)物的584nm處的共振散射峰值同偶聯(lián)物在3nM至24nM范圍內(nèi)具有良好線性關(guān)系。而且，該檢測(cè)方法的檢出限為3nM，優(yōu)于同類其他方法。 本檢測(cè)方法建立在特異性結(jié)合基礎(chǔ)上，具有高選擇性和高靈敏度，為納米金探針在超痕量分子識(shí)別等方面的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對(duì)超痕量蛋白質(zhì)可控、穩(wěn)定、特異、靈敏地開(kāi)辟新思路，也提供必備的理論基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)支持。
獲獎(jiǎng)情況
- 1、研究成果已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利“一種超痕量蛋白質(zhì)定量檢測(cè)方法”（申請(qǐng)?zhí)枺?01110089936.2，第一作者為本科學(xué)生）； 2、研究成果以學(xué)生第一作者發(fā)表英文論文兩篇，已分別投稿至Analytica Chimica Acta（SCI數(shù)據(jù)源期刊，影響因子：3.765,美國(guó)）及Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects（SCI數(shù)據(jù)源期刊，影響因子1.998，美國(guó)），目前正在審稿； 3、受邀參加2010年“中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會(huì)成立三十周年紀(jì)念大會(huì)”，學(xué)生第一作者發(fā)表論文并就研究成果做學(xué)術(shù)報(bào)告，會(huì)上本研究小組成員（本科）入選學(xué)會(huì)青年會(huì)員； 4、該項(xiàng)目受國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目專項(xiàng)資助（項(xiàng)目編號(hào)：091069830）。成果獲“挑戰(zhàn)杯”陜西省學(xué)術(shù)科技競(jìng)賽特等獎(jiǎng)、“騰飛杯”學(xué)術(shù)科技競(jìng)賽特等獎(jiǎng)； 5、該項(xiàng)目得到了中國(guó)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域創(chuàng)始人蔣大宗先生和美國(guó)Harward-MIT生物醫(yī)學(xué)聯(lián)合研究中心徐峰研究員的推薦。
鑒定結(jié)果
- 首次將分子仿生學(xué)原理應(yīng)用于生物分子定量分析，制備納米金生物共振散射探針，應(yīng)用于超痕量蛋白質(zhì)定量檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外未見(jiàn)超痕量納米金共振散射光譜探針、蛋白質(zhì)檢測(cè)方法及配套光譜分析軟件的研究報(bào)道。
參考文獻(xiàn)
- 1、科技部國(guó)內(nèi)外科技查新報(bào)告，編號(hào)：201136000Z08D073； 2、國(guó)家發(fā)明專利“一種超痕量蛋白質(zhì)定量檢測(cè)方法”，申請(qǐng)?zhí)枺?01110089936.2; 3、P. Raveendran, et al., Completely “Green” Synthesis and Stabilization of Metal Nanoparticles[J], J.Am.Chem.Soc., 125(2003)13940; 4、M. Bruchez Jr., et al., Semiconductor Nanocrystals as Fluorescent Biological Labels[J], Science. 281(1998)2013-2016; 5、L. Shang, et al., Enhanced resonance light scattering based on biocatalytic growth of gold nanoparticles for biosensors design[J], Biosens. Bioelectron. 23(2008)1180-1184; 6、L. M. Ao, et al., Interaction between Gold Nanoparticles and Bovine Serum Albumin or Sheep Antirabbit Immunoglobulin G[J], Chin.J.Chem. 24(2006)253-256; 7、K. Esumi, et al., Role of poly(amidoamine) dendrimers for preparing nanoparticles of gold, platinum, and silver[J], Langmuir. 16(2000)2604-2608; 8、H. Li, L. Rothberg, Colorimetric detection of DNA sequences based on electrostatic interactions with unmodified gold nanoparticles[J], PNAS. 101(2004)14036-14039.
同類課題研究水平概述
- 共振光散射（RLS）光譜法是由Pasternack研究組[1]于二十世紀(jì)九十年代提出的一種痕量檢測(cè)方法，這種光譜檢測(cè)方法具有好的選擇性、高的靈敏度、儀器簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，越來(lái)越來(lái)引起人們的關(guān)注和研究。RLS光譜法提出以來(lái)，其在DNA、蛋白質(zhì)[3-6]等生物大分子的檢測(cè)與分析因檢測(cè)限高（納克級(jí)）而獲得廣泛的應(yīng)用前景。 根據(jù)共振光散射理論，納米金在500-600nm之間存在與其SPR吸收峰對(duì)應(yīng)的共振散射峰，再加上納米金顆粒具有良好的生物相容性，利用納米金構(gòu)建基于免疫分析的光譜探針近幾年取得了一定的進(jìn)展。董紹俊[7]課題組利用葡萄糖氧化酶分解葡萄糖產(chǎn)生的過(guò)氧化氫能促進(jìn)納米金生長(zhǎng)增強(qiáng)納米金的共振散射強(qiáng)度的特點(diǎn)，構(gòu)建用于檢測(cè)葡萄糖的傳感器，線性檢測(cè)范圍為1.0×10-6-1.1×10-4M，檢測(cè)限為6.8×10-7M。該方法是直接利用納米金直徑增大增強(qiáng)共振光散射強(qiáng)度，不涉及到待檢物質(zhì)與納米金探針的相互作用。蔣治良[8]等用納米金標(biāo)記抗體制備成探針，帶檢測(cè)的物質(zhì)與探針結(jié)合形成復(fù)合物，會(huì)急劇增強(qiáng)納米金的共振光散射強(qiáng)度，可以用來(lái)檢測(cè)各種樣品。另外，蔣治良[9]等用直徑為10nm的納米金標(biāo)記羊抗人白蛋白抗體，形成的探針在pH=5的環(huán)境下發(fā)生聚集，加入白蛋白后離心處理，獲得的上清液用于催化亞銅粒子生長(zhǎng)，增強(qiáng)的光散射光強(qiáng)度與加入的白蛋白量成線性關(guān)系。 本研究基于分子仿生學(xué)原理以納米金共振散射探針為研究對(duì)象，建立了超痕量蛋白質(zhì)檢測(cè)方法，并研發(fā)了配套分析軟件系統(tǒng)。以PPIHA為修飾劑通過(guò)微波回流法一步制得表面活性氨基修飾的納米金（AuNPs）溶膠。進(jìn)而偶聯(lián)血清白蛋白得到偶聯(lián)物，通過(guò)分析比對(duì)偶聯(lián)前后的共振散射光譜特性，建立起基于分子仿生學(xué)原理的超痕量蛋白質(zhì)檢測(cè)方法，檢出限為3.00×10-9mol/L。以上述理論為核心，研發(fā)了配套的超痕量蛋白質(zhì)分析軟件，構(gòu)建起一套實(shí)用高效的分析流程。本研究將為納米金光學(xué)探針及配套分析軟件在超痕量分子識(shí)別、腫瘤早期診斷、生物芯片、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)對(duì)超痕量蛋白質(zhì)可控、穩(wěn)定、特異、靈敏地開(kāi)辟新思路，也提供必備的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。 注：參考文獻(xiàn)詳見(jiàn)正文。
