基于電化學檢測的DNA分子邏輯門及邏輯運算器的構(gòu)建.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、近年來,以半導體材料為基礎(chǔ)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(gòu)建以邏輯運算為基礎(chǔ),要建立和發(fā)展DNA計算機,分子邏輯門技術(shù)是一條不可逾越的必經(jīng)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(yīng)用電化學檢測技術(shù),提出了一系列DNA分子邏輯門,并

2、且構(gòu)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(guān)概念并闡述了國內(nèi)外研究進展,提出了本輪的研究內(nèi)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(jié)合模式構(gòu)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(shù)將巰基標記的S1探針修飾在金電極表面,設(shè)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(jié)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(gòu)建“NOR”型DNA分子邏輯門。
  (3)在第三章提出了基于Y構(gòu)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(gòu)型,

5、基于堿基互補配對原則和臨近表面雜交反應(yīng)構(gòu)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(jié)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(gòu)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(jié)構(gòu)探針的用于李斯特桿菌(List) DNA和E.coli DNA分析的半加器的構(gòu)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(jié)構(gòu)探針S-1、S-2通過巰基自組裝在金電極表面,構(gòu)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(jié)構(gòu)被打開,List DNA和E.coli DNA都存在時,兩發(fā)夾結(jié)構(gòu)同時打開?;谀繕宋锎嬖谇昂驠c和MB在電極表面位置的變化致使相應(yīng)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(jié)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(gòu)建了“AND”型和“XOR”型DNA分子邏輯門。融合這兩種邏輯門,構(gòu)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(gòu)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(shù)將分別將標有Fc和MB的發(fā)夾結(jié)構(gòu)探針L-p、ATP的適體AP修飾在金電極表面,AP探針結(jié)合了與之完全互補配對C-AP。設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)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(gòu)建了“INHIBIT”型和“XOR

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