基于電化學檢測的DNA分子邏輯門及邏輯運算器的構建.pdf

1、近年來，以半導體材料為基礎的集成電路由于其集成度接近理論的極限，科學家們正在積極開發(fā)新型計算機，DNA計算機被認為是最具有發(fā)展?jié)摿Φ挠嬎銠C。眾所周知，計算機的構建以邏輯運算為基礎，要建立和發(fā)展DNA計算機，分子邏輯門技術是一條不可逾越的必經之路。由于電化學檢測方法具有簡單、快速、靈敏、選擇性好等優(yōu)點，備受研究者們的青睞。本論文以幾種常見食源性致病菌的特征DNA序列和生物小分子為目標物，應用電化學檢測技術，提出了一系列DNA分子邏輯門，并

2、且構建了半加器和半減器兩種邏輯運算器，為基于DNA分子的邏輯電路提供重要的理論支持，并為核酸和生物小分子的檢測提供了可選擇的方法。
　　(1)在第一章緒論部分介紹了分子邏輯門及邏輯運算器的相關概念并闡述了國內外研究進展，提出了本輪的研究內容和創(chuàng)新點。
　　(2)在第二章提出了基于目標DNA與雙標記探針競爭結合模式構建的“NOR”型DNA分子邏輯門用于沙門氏菌(SaD DNA和志賀氏菌(Shi) DNA的檢測。本實驗以二茂鐵(

3、Fc)為電化學指示劑，首先利用自組裝技術將巰基標記的S1探針修飾在金電極表面，設計兩端標記Fc的DP探針和S1探針部分互補雜交。當目標物Sal DNA和Shi DNA任何一個存在時，由于堿基互補配對原則和臨近表面雜交作用使DP脫離電極表面?；谀繕宋锎嬖谇昂驠c的電化學信號的變化實現(xiàn)對Sal DNA和Shi DNA的高選擇性、高靈敏性檢測。由實驗結果可得，該方法對SalDNA和Shi DNA的檢測范圍均在1.00 nmol/L～1000

4、.00 nmol/L之間，檢出限分別為0.52 nmol/L和0.72 nmol/L(S/N=3)。該工作以Sal DNA和Shi DNA為輸入，以IFc為輸出，構建“NOR”型DNA分子邏輯門。
　　(3)在第三章提出了基于Y構型的“OR”型DNA分子邏輯門用于Sal DNA和大腸桿菌(E.coli) DNA的檢測。本實驗以Fc為電化學指示劑，首先將三條相互部分互補雜交的S1、S2和P1探針通過巰基自組裝在金電極表面形成Y構型，

5、基于堿基互補配對原則和臨近表面雜交反應構建了一個簡單、靈敏、特異性檢測Sal DNA和E.coli DNA的生物傳感器。由實驗結果可知，該方法對Sal DNA和E.coli DNA盼檢測范圍均在10.00 nmol/L～1000.00 nmol/L，檢出限分別為6.42 nmol/L和1.58 nmol/L(S/N=3)。以Sal DNA和E.coli DNA為輸入，以Fc信號變化值ΔIFc為輸出，構建了“OR”型DNA分子邏輯門。

6、r>　　(4)在第四章提出了基于發(fā)夾結構探針的用于李斯特桿菌(List) DNA和E.coli DNA分析的半加器的構建。本實驗以Fc和亞甲基藍(MB)為電化學指示劑，首先將分別標記了Fc和MB的發(fā)夾結構探針S-1、S-2通過巰基自組裝在金電極表面，構建了DNA生物傳感器用于ListDNA和E.coli DNA的同時智能分析。S-1和S-2的環(huán)部分別和List DNA、E.coli DNA完全互補雜交，當List DNA或E.coli

7、DNA存在時，只有一個發(fā)夾結構被打開，List DNA和E.coli DNA都存在時，兩發(fā)夾結構同時打開。基于目標物存在前后Fc和MB在電極表面位置的變化致使相應的電流發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對List DNA和E.coli DNA的快速、靈敏、高選擇性分析。分析實驗結果可得，該方法對List DNA和E.coli DNA的檢測范圍均在20.00 nmol/L～1000.00 nmol/L，檢出限分別為1.98 nmol/L和8.99 nmo

8、l/L(S/N=3)。以List DNA和E.coli DNA作為輸入，以兩條探針電流變化之和∑ΔI(∑ΔI=ΔIMB+ΔIFc)和信號之比Y(Y=ΔIFc/ΔIMB或ΔIMB/ΔIFc)作為輸出，同時構建了“AND”型和“XOR”型DNA分子邏輯門。融合這兩種邏輯門，構建了具有邏輯運算功能的DNA半加器。
　　(5)在第五章提出了用于分析Sal DNA和三磷酸腺苷(ATP)的分子半減器的構建。本實驗以Fc和MB為電化學指示劑，首

9、先利用巰基自組裝技術將分別將標有Fc和MB的發(fā)夾結構探針L-p、ATP的適體AP修飾在金電極表面，AP探針結合了與之完全互補配對C-AP。設計L-p和目標物Sal DNA特異性雜交，當Sal存在時使L-P的環(huán)部結構形成剛性雙鏈，ATP的存在可以和AP形成復合物置換出C-AP，拉近MB和電極表面的距離?；谀繕宋锎嬖谇昂?，F(xiàn)c和MB與電極表面距離的變化致使相應的電流發(fā)生變化，可以實現(xiàn)Sal DNA和ATP的高靈敏性和高特異性分析。分析實驗

10、結果可得，Sal DNA檢測范圍為10.00 nmol/L～1000.00 nmol/L，檢出限為2.19nmol/L(S/N=3);ATP的檢測范圍:10.00 nmol/L～1000.00 nmol/L，檢出限為3.88 nmol/L（S/N=3）。以List DNA和ATP作為輸入，以兩條探針電流之和∑I（∑I=IMB+IFc）、之比Y(Y=ΔIFc/ΔIMB或ΔIMB/ΔIFc)作為輸出，同時構建了“INHIBIT”型和“XOR