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基本信息

項(xiàng)目名稱：
生物納米電子光學(xué)器件及應(yīng)用
小類：
能源化工
簡介：
本作品在國內(nèi)外首次報(bào)道了有序納米金通道陣列的模板電化學(xué)法制備,該材料具有良好的光學(xué)和電化學(xué)特性，發(fā)展了其在生物傳感和生物器件領(lǐng)域的應(yīng)用。選取了兩種生物大分子：寡核苷酸和膜蛋白。系統(tǒng)研究了寡核苷酸的雜交行為和磷脂膜和膜蛋白行為的光學(xué)干涉。同時(shí)聯(lián)用交流阻抗法，統(tǒng)一了界面的電化學(xué)和光學(xué)信號(hào)。為其進(jìn)一步的生物傳感和電化學(xué)電極材料應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。
詳細(xì)介紹：
生物體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能為我們提供了啟發(fā)和挑戰(zhàn)，即如何在分子水平構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)，并控制它的功能。通過 “自下而上”路線的啟發(fā)，我們提出了“From Life to Matter”的概念。著重在以下方面進(jìn)行了探索：組裝對(duì)外界刺激具有響應(yīng)性的納米體系，其中關(guān)鍵是在分子和超分子水平控制它的動(dòng)態(tài)過程，繼而實(shí)現(xiàn)可控的分子開關(guān)，最終實(shí)現(xiàn)分子機(jī)器。無機(jī)納米材料在于生物分子相結(jié)合，在作為生物傳感分析領(lǐng)域已取得非常大的進(jìn)展。而結(jié)合生物分子，結(jié)合生物分子之間的相互作用和對(duì)環(huán)境的響應(yīng)制備特定功能的納米無機(jī)—生物器件將成為納米領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。多孔硅材料在非標(biāo)記分析領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用前景。也存在著很多諸如不穩(wěn)定等缺陷，為此，我們以多孔硅為模板，在該領(lǐng)域首次嘗試了電化學(xué)鍍金，得到了多孔金，這種納米多孔材料保留了多孔硅良好的光學(xué)性能，同時(shí)作為多孔電極，有著很好的電化學(xué)應(yīng)用前景。我們?cè)诮鹜ǖ辣谏辖由蠋€基DNA，發(fā)現(xiàn)互補(bǔ)DNA上去可以有效引起有效光學(xué)厚度的左移，制備了可以檢測(cè)10-14mol/L DNA互補(bǔ)雜交行為的光學(xué)傳感器。同時(shí)提出電容介電理論，解決了生物傳感器偏離Bruggeman 電介質(zhì)理論模型的理論難題同時(shí)用電化學(xué)交流阻抗法對(duì)該理論進(jìn)行了驗(yàn)證。

作品圖片

  • 生物納米電子光學(xué)器件及應(yīng)用
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作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

有序納米金通道制備和表征，研究其光學(xué)干涉特性和電化學(xué)響應(yīng)，聯(lián)用電化學(xué)和光學(xué)分析法研究生物納米界面問題，構(gòu)建生物傳感器，進(jìn)一步集成環(huán)境響應(yīng)型的分子開關(guān)和納米器件。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

1.國內(nèi)外首次報(bào)道模板電化學(xué)法制備有序納米金通道 2.在生物傳感器領(lǐng)域電容介電理論的提出和交流阻抗法的聯(lián)用統(tǒng)一電化學(xué)和光學(xué)響應(yīng) 3.光學(xué)干涉法在納米傳感平臺(tái)上研究磷脂膜和膜蛋白行為

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

1.科碩公司投資光學(xué)傳感器部分，共同開發(fā)的電路集成化光學(xué)傳感器產(chǎn)品 2.DNA光學(xué)傳感器將在基因分析DNA測(cè)定，抗癌藥物反義寡核苷酸的高通量篩選 3.建立研究膜蛋白和細(xì)胞膜仿生學(xué)的新方法，GPCR部分研究的完成將對(duì)藥物作用機(jī)理，新藥合成。將在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重要作用

學(xué)術(shù)論文摘要

納米傳感平臺(tái)在生物分析領(lǐng)域已取得很多成果同時(shí)具有很好的應(yīng)用前景，這項(xiàng)工作中，我們報(bào)道了有序納米金通道陣列的制備，發(fā)現(xiàn)了其光學(xué)干涉的特性，選取了兩種生物大分子作為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)界面上的DNA雜交行為和膜蛋白行為都有著很好的光學(xué)干涉響應(yīng)，在麥克斯韋理論基礎(chǔ)上，我們提出了一種可能的解釋光學(xué)響應(yīng)的理論并聯(lián)用交流阻抗法進(jìn)行了驗(yàn)證，為其作為生物傳感器提供了理論基礎(chǔ)。進(jìn)一步完成了分子開關(guān)和納米器件的制備。

獲獎(jiǎng)情況

期刊論文 DNA傳感器部分已完成，以第一作者投稿Biosensors and Bioelectronics (IF=5.429)，有望近期發(fā)表. 分子器件部分工作實(shí)驗(yàn)工作已完成，以第一作者投搞Angewandte Chemie International Edition（IF=11.829）. 會(huì)議論文 馮建東，鄔建敏. 金膜修飾的多孔硅作為非標(biāo)記光學(xué)傳感器的研究. 第三屆全國生命分析化學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì). 第640頁. 獲得獎(jiǎng)勵(lì) 浙江大學(xué)第十二屆“挑戰(zhàn)杯”課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽復(fù)賽自然科學(xué)類特等獎(jiǎng).

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

1.Lin V, Motesharei K, Dancil KS, Sailor M, Ghadiri M. Science 1997, 278: 840-843.（“A net increase in n is expected to shift the interference spectrum to longer wavelength, but in all of our binding studies,a shift to shorter wavelength was seen, an indication that the induced change in the semiconductor overwhelms the change in noccurring in the solution phase. The effect of interfacial capacitance on n is not easy to predict”申報(bào)論文中理論部分聯(lián)用電化學(xué)方法引入雙電層電容概念解決了生物傳感器界面有效介電常數(shù)和折射率偏離Bruggeman電介質(zhì)理論模型的理論難題) . 2.Huang S-CJ, et al. Bioelectronic silicon nanowire devices using functional membrane proteins. PNAS.2009, 13780–13784. 3.Huang S-CJ, et al. Bioelectronic silicon nanowire devices using functional membrane proteins. PNAS.2009, 13780–13784. 4.Yang, T.H.; Yee, C.K.; Amweg, M.L.; Singh, S.; Kendall, E.L.; Dattelbaum, A.M.; Shreve, A.P.; Brinker, C.J.; Parikh, A.N. Optical Detection of Ion-Channel Proton Transport in Supported Phospholipid Bilayers. Nano Lett. 2007, 7, 2446-2451.

同類課題研究水平概述

1997 年 Sailor 等人在Science上報(bào)道了多孔硅光學(xué)傳感器用于檢測(cè) DNA 雜交信號(hào)的研究工作，之后多孔硅作為平臺(tái)在DNA分析研究中取得了許多成果，這些工作和Sailor的工作一樣，做出了很好的數(shù)據(jù)結(jié)果。但都未能解決多孔硅作為生物傳感器時(shí)偏離Bruggeman電介質(zhì)理論模型的理論難題（Sailor在Science的論文中談到了這個(gè)理論難題）。2009年Huang S-CJ等在PNAS上報(bào)道了用硅納米線(NW)支撐人工磷脂膜研究膜蛋白行為的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。使用多孔硅材料作為磷脂膜支撐基底已有相關(guān)研究成果，2007年Tsung-Han Yang等在Nano Letter上報(bào)道了多孔硅結(jié)合異硫氰酸熒光素研究了通道蛋白短桿菌肽的（gramicidin）質(zhì)子運(yùn)輸行為。我們選取的G蛋白偶聯(lián)受體屬于跨膜蛋白，不容易得到晶體。X射線衍射難以確定其三維晶體結(jié)構(gòu)，也難以在水溶液中利用核磁共振測(cè)其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。其中只有極少數(shù)的GPCR蛋白的晶體三維結(jié)構(gòu)被解出且都發(fā)表在Science和Nature上。本研究通過光學(xué)干涉直接在納米傳感平臺(tái)上研究膜蛋白構(gòu)象和結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外尚未報(bào)道的，有著重大的生物學(xué)意義，在藥物篩選領(lǐng)域有著非常好的應(yīng)用前景。
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