[发明专利]一种基于石墨烯量子点的分子信标传感器及其制备与应用

说明书

技术领域

本发明涉及生物技术领域，具体涉及一种基于石墨烯量子点的多色分子信标传感器及其制备与应用。

背景技术

近年来，随着纳米科学的发展，纳米材料的合成以及在纳米尺度上的形貌控制等方面均取得了傲人的成绩。纳米技术的出现也给生物学检测带来新的发展机遇。纳米粒子作为信号放大的载体被广泛应用于生物学检测中。基于纳米材料的生物学传感器的主要优势包括以下几个方面：纳米材料本身的小尺寸使得设计成本低、并有可能开发微型化的即时检测工具；纳米材料直接与检测环境接触，加速了信号传递，使检测变得更为快速，同时也降低了检测限；纳米材料的引入衍生出一些新的检测手段，如仿生、无试剂传感及低毒、高稳定性体内检测等。许多纳米材料，如金纳米颗粒和碳纳米材料6(碳纳米管、石墨烯及其衍生物等)因其因其良好的稳定性和生物相容性，被广泛用作载体或示踪物、催化剂、导电基体、光发射器等，在生物学检测中起到信号放大及稳定识别探针的作用。

石墨烯量子点(graphene quantum dots，GQDs)是一种新兴的零维纳米材料，它同时具有石墨烯和碳量子点的特性，与传统的有机染料分子和半导体量子点相比，石墨烯量子点有更高的光学稳定性，抗光漂白性以及低毒及优异的生物相容性。和碳量子点相比，石墨烯量子点还保留着石墨烯的片层结构，这样就使得它具有和石墨烯及其氧化物类似的优异性质，如良好的导电性、机械性能及优异的水溶性等。

近年来，石墨烯量子点在检测领域得到广泛关注，由于它本身具有优异的电子学及光学性质，基于石墨烯量子点的传感器具有很好的检测性能。其中应用最广泛的就是基于石墨烯量子点的光学传感器，它主要是利用石墨烯量子点本身发光性质进行检测一种方法，这种方法主要采用的是石墨烯量子点的荧光被猝灭(signal-off)或者淬灭后又得到恢复(signal-on)的策略。Jinet等人于2012年首先开发了一种基于石墨烯量子点的光学传感器，他们发现Fe3+吸附到石墨烯量子点上后可以通过电荷转移作用淬灭其荧光，于是就开发了一种简便、绿色的检测铁离子的传感器。之后，又涌现出了很多基于此原理的传感器，用于检测银离子、氯气、葡萄糖等。生物传感器方面已有科学家研究了基于石墨烯量子点的电子存储器、生物传感器，开发它在生物及体内成像等方面的应用。然而，由于石墨烯量子点本身的小尺寸及电负性，使得核酸小分子DNA、miRNA等不易与其结合，进而限制了它在核酸检测方面的应用。

目前检测核酸小分子(如DNA，miRNA，mRNA等)的方法主要有Northern blotting,微芯片(microarray)和实时荧光定量PCR(RT-PCR)等。Northern blotting方法通过聚丙烯酰胺变性凝胶电泳对RNA样品按大小与分子量进行分离，然后将RNA转移并固定在膜上，再与标记好的DNA探针杂交，再将非特异性结合的探针洗掉，最后经过显影获得信号。此方法虽然是经典方法，但其灵敏度、特异性不高，操作步骤多且复杂，样品需要量大、耗时长。microarray技术虽然有高通量的优势，但是会受到标志物家族类似序列交叉杂交的干扰，使得其灵敏度及特异性不高，并且测试范围较窄，需要昂贵的仪器设备；相比较而言，RT-PCR技术具有较高的灵敏度和实用性，但由于miRNA自身的限制对引物的设计要求很高且温度难以控制，这就限制了该方法的应用。针对这些难点，研究人员提出了许多新的策略，类似于RT-PCR的滚环放大技术(RCA)作为一种等温扩增技术很好的解决了核酸温度难以控制的问题，提高了检测灵敏度但同时也存在操作繁琐批次间差异大等问题，限制了该方法的进一步发展。还有一些研究人员采用生物发光，表面增强拉曼，原位杂交，DNA纳米结构、纳米孔传感等技术来检测核酸分子，但是这些方法要么需要昂贵的仪器设备，要么成本比较高。总体来讲，核酸分子的检测仍然需要进一步发展，目前存在的方法在中要么需要很多步骤，要么需要昂贵的试剂，要么需要复杂的仪器。因此，发展简单、快速、廉价的肿瘤标志物核酸分子检测方法势在必行，同时又要提高检测的灵敏度和特异性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯量子点的分子信标传感器及其制备与应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的第一方面提供了一种基于石墨烯量子点的分子信标传感器，包括依次排布的石墨烯量子点、第一信标茎干区、环状区、第二信标茎干区和荧光基团，所述环状区为与待测目标分子特异结合的核苷酸片段，所述第一信标茎干区的核苷酸序列与第二信标茎干区的核苷酸序列互补。