关键词:
液晶微阵列
光子晶体
光学信号
核酸适配体
表面活性剂
可卡因
黄曲霉毒素B1
乙酰胆碱酯酶
马拉硫磷
摘要:
液晶状态是物质的一种存在状态,广泛存在于各种合成分子和生物分子中。液晶(liquid crystal,LC)传感器是一种利用液晶分子作为信号转换元件,将液晶界面的化学物理信号变化转化为光学信号,可实现对多种生物分子及离子的免标记、高灵敏度检测。但是目前发展的液晶传感体系仍面临一些问题,比如,液晶响应基底制备要求较高,难以重复利用;传感界面易受到外界环境(温度、湿度)的影响;利用液晶光学图像进行分析,难以精确定量等等。反蛋白石光子晶体(inverse opal photonic crystals,IOPh Cs)是一类在空间上具有特定周期性排列的有序多孔材料,具有优良的光学性质,在光学调制、生物检测、催化防伪等领域显示出独特的优势。通过调节IOPh Cs空隙中折射率的大小,可以实现对IOPh Cs光学信号的调控。本论文以反蛋白石光子晶体为模板,液晶分子作为响应单元,制备液晶微阵列(liquid crystal microarray,LCM)薄膜作为传感响应基底,探究核酸分子、表面活性剂对LCM薄膜光学信号的调控作用,发展新的液晶传感信号。在此基础上进一步构建并发展LCM传感器,用于多种小分子的免标记、快速灵敏检测,主要研究内容如下:(1)第二章中,结合反蛋白石光子晶体的有序微孔结构,以及液晶分子的双折射性,制备LCM薄膜并构建LCM传感平台。通过光纤光谱仪,光学显微镜等,探究反蛋白石液晶聚合物薄膜(IO-LCP)的光学性质;通过分析LCM薄膜的光学图像、反射峰强度的变化等,研究在液晶分子注入前后,液晶分子折射率的变化对LCM薄膜光学信号的调控作用。此外利用不同质量分数(0.2 wt%-1wt%)以及不同粒径的Si O2悬浮液(200 nm,230 nm,250 nm,280 nm,320 nm)制备光子晶体模板,并探究所制备的IO-LCP薄膜以及LCM薄膜的光学信号变化规律。制备具有优异光学信号、高稳定性的LCM薄膜,构建液晶微阵列传感界面,发展液晶微阵列传感体系。(2)第三章中,利用液晶微阵列(LCM)薄膜,探究核酸分子对LCM薄膜光学信号的调控作用;利用荧光图像、偏光显微图像以及LCM薄膜表面电位值,研究核酸分子与液晶分子的相互作用。结果表明单链核酸分子通过暴露的碱基基团,通过分子间作用力吸附在LCM薄膜上,并对薄膜中的液晶分子具有诱导作用,导致液晶分子的取向发生改变,实现对LCM薄膜光学性质的调控。该LCM传感界面在室温放置6个月之后,仍然对单链核酸分子具有很好的响应性能;并且LCM薄膜在10次的循环使用测试中,显示出优异的响应性能,可进行重复可循环的使用。利用核酸适配体与目标物的特异性结合能力,通过核酸适配体对LCM薄膜中液晶分子的诱导作用,调控LCM薄膜的光学信号;当可卡因分子加入之后,核酸适配体与目标物的特异性识别结合,形成具有空间立体的结构,进而从LCM薄膜上解吸附;液晶分子的取向发生改变,导致LCM薄膜反射峰强度的变化,实现对可卡因的免标记高灵敏检测,最低检测浓度为100 p M。利用光纤光谱仪记录的LCM薄膜的反射峰,通过显微光谱液晶传感信号,构建以核酸适配体为基础的液晶微阵列生物传感器。(3)第四章中,利用单链DNA(ss DNA)对LCM薄膜光学信号的调控能力及核酸适配体与AFB1的特异性识别能力,设计了signal-on型的LCM生物传感器。利用AFB1触发含有适配体的双链DNA(ds DNAAFB1)释放ss DNA,ss DNA对LCM薄膜中的液晶分子进行诱导,液晶分子取向发生改变,LCM薄膜的光学信号发生改变,通过光纤光谱仪记录LCM薄膜的光学信号和反射峰强度的变化,实现对AFB1的高灵敏定量分析检测(300 p M-100 n M)。进一步地,利用荧光显微镜、偏光显微镜以及圆二色光谱仪对LCM传感器的检测原理进行验证。该传感器不仅对AFB1具有很好的选择性,而且可以实现实际样品(玉米粉及啤酒)中AFB1的检测,抗干扰能力较好。此外,根据ss DNA对LCM薄膜中液晶分子的诱导响应作用,通过LCM薄膜的光学图像以及偏光图像,利用局部响应机理(PSM),探究ss DNA对LCM薄膜光学信号的调控原理。(4)第五章中,首次探究了不同种类及不同烷基链长的表面活性剂(SDS、C_nTAB、C12E4)在LCM薄膜界面的自组装以及对LCM薄膜光学性质的影响规律,对LCM薄膜发射峰强度及位移的变化进行讨论。利用具有类似表面活性剂结构的氯化肉豆蔻酰胆碱(Myr)初步诱导LCM薄膜,从而对LCM薄膜的光学信号进行调控;当乙酰胆碱酯酶催化水解Myr之后,水解产物(十四烷酸)的亲水性较弱,对LCM薄膜中液晶分子的诱导能力增强,导致液晶分子逐渐接近垂直取向,并向法线方向靠近,进一步引起LCM薄膜反射峰位移的变化;当乙酰胆