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最新进展 |
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主要研究方向及进展 DNA/蛋白质电化学及相关生物传感 不论DNA传感器还是DNA芯片，其关键技术基础都离不开DNA表面化学和表面DNA杂交信号转换/检测技术。主要针对限制DNA传感器、基因芯片和涉及DNA的纳米生物技术发展的关键基础（瓶颈）问题－DNA表面化学开展研究，并将相应的原理、方法和技术应用于基于DNA的生物传感。1）首先提出利用DNA化学修饰电极因相互作用而产生的"表面放大"效应研究DNA（基因）与其它物种（电活性或非电活性物种）相互作用的新思路，创建了一种研究DNA与其它物种相互作用的微量研究方法。2）DNA修饰表面构建：建立了5类DNA修饰表面构建方法。在分子水平上直接观察到表面固定化双螺旋DNA在金(111)基底上的取向随电势的变化。探索出一种制备DNA吸附修饰电极的简便方法－干燥-吸附法。3）解决了纳米金标记基因探针长期存放稳定性难题，基于纳米金标记放大技术，实现了基因的直接目视检测，研制出目视化检测乙肝、丙肝等肝炎病毒基因芯片。4）基于纳米金标记放大技术的电化学DNA传感器：发展了一种基于纳米金标记DNA探针的电化学DNA传感器杂交信号放大方法。5）建立了一种研究质粒DNA-酵母细胞遗传转化的新方法，提出酵母细胞转化机理的新见解。
纳米生物技术 半导体荧光纳米晶粒－常称为量子点（Quantum dots），作为一类性能优异的新型荧光标记物，具有荧光发射波长可调、激发光谱宽而连续、荧光量子产率高、光稳定性好、耐光漂白、能实现一元激发多元发射的同时多色标记等独特性能，为活体示踪、成像、生物分子标记检测等提供了新契机，在基础生物学研究及医学诊断等领域具有极大的应用前景，受到国际上的广泛关注。我们从量子点合成、表面生物功能化、构建具有各种用途的多功能纳米生物探针、直至实际应用，进行了比较系统的研究，取得了系列自主创新、特色显著的成果。1）发展了一种简便、安全、高效、廉价的核/壳型量子点的合成方法。解决了II-VI核/壳型量子点大量安全制备的难题，使得实验室大规模制备成为可能。2）量子点生物表面化学：纳米材料生物医学应用的难度在于纳米界面的认识和结构控制以及所构建的纳米生物探针或器件的稳定性和特异性等，而这些均取决于纳米尺度的生物表面化学。我们发展了多种将油溶性量子点水溶性化的方法，可根据需要得到带不同功能基团的水溶性量子点，以便于生物标记应用。研制出量子点标记一抗、二抗、多肽、生物素、亲和素、链霉亲和素、凝集素等探针试剂，成功应用于生物分析，实现了癌组织、单个细胞等的成像和示踪检测，获得层次清晰的高质量图像。以实验室为技术依托创办了“武汉珈源量子点技术开发有限公司”。“量子点新型荧光标记试剂”获“第七届中国国际高新技术成果交易会”“优秀产品奖”和“第一批武汉市重点高新技术产品”。3）基于量子点标记DNA探针实现了大肠杆菌和玉米中期染色体的DNA原位杂交；基于量子点标记多糖实现了量子点转运进入活细胞，可望进行细胞内生命过程的跟踪及成像研究；基于量子点制备出具有可见光催化杀菌能力的量子点-纳米二氧化钛复合膜等。与中南医院肿瘤科李雁教授和湖北省肿瘤医院病理科夏和顺教授等合作，在多色荧光量子点标记乳腺癌单指标和多指标成像检测/诊断方面取得重要进展，展示出纳米科技与肿瘤学研究交叉结合的良好前景。 基于荧光性能优异的多色量子点和磁性g-Fe2O3纳米粒子成功构建出一种新的荧光-磁性-生物靶向多功能(或智能)纳米生物探针。该探针同时具有多色荧光示踪、磁操纵和磁分离、生物靶向三种功能。基于该探针，实现了对癌细胞的靶向可视化捕获分选，被Small选为封面论文发表。对凋亡细胞的靶向可视化捕获富集鉴别工作在Chem. Commun.上发表后，被英国皇家化学会的Chemical Technology (2005, 2, T37–T40 T39)杂志和Chemistry World (2(10): 23-23 OCT 2005)杂志同时以‘Smart nanospheres recognise dying cells’[“聪明的(智能)纳米球识别垂死的细胞”]为题作为重要进展进行评述报道，称“此研究可能铺平一条通往新的具有生物医学应用价值的生物功能化智能纳米球的道路”；“可成为诸如艾滋和慢性肝炎等疾病有用的示踪物”等。本工作得到美国国家卫生研究院(NIH)资助申请了美国专利。07年和08年在 Clinical Chemistry、Bioconjugate Chemistry和Biosensors & Bioelectronics上又连续发表系列论文，在国际上具有特色和优势。 最近，又设计合成了荧光发射波长在540nm-650nm范围、颜色可调的多色荧光-磁性核/壳型多功能纳米晶粒新型生物标记系列材料。该类材料以磁性FePt、CoPt或NiPt等合金为核，以CdSe为壳，具有理想的核/壳型结构，该类系列材料同时具有多色荧光示踪（成像）、磁富集分离、磁操纵或磁共振成像（或示踪）等多种强有力的功能。在进行表面修饰和生物功能化后可广泛应用于生物体荧光和磁共振双重成像，进行活体动态示踪，对生物成分进行快速富集分离和磁操纵等。与国际上现有的为数不多的材料相比，这种材料的发光颜色可调，稳定性好、尺寸均一、粒径在15nm以下，有利于生物医学应用，特别是活体标记示踪应用。
微流控芯片 细胞作为生命体结构和生命活动的基本单元，是生命科学和生物医学研究的基础。快速、简便的细胞分析方法不仅可以为生物学研究提供极大的便利，同时可以为生物医学研究提供直接的帮助，有利于生命过程研究和重大疾病早期诊断。微流控快速、高通量、微型化、集成化的特点为高效细胞分析提供了一种新思路。集成化的细胞分析微流控体系的研制可以推动微流控技术进一步朝集成化、自动化、功能化迈进，进而为生物医学领域研究提供新的技术平台。我们利用微加工技术建立了两种微流控芯片上微磁场集成的方法，并利用集成的微磁场捕获超顺磁微球，在芯片的特定区域形成细胞捕获区，并通过微阀控制微流体和原位修饰，将对癌细胞具有识别功能的分子固定到超顺磁微球表面，仅需ng级的抗体就可以实现癌细胞的分选，捕获效率可达68%。 液滴微流控系统的优势不在于大量制备微乳液，而在于其可精确地控制液滴尺寸，形成大量有序可控的微液滴，液滴的体积仅为飞升到皮升级，具有高的表面/体积比，可以极大缩短传质传热和反应时间，也极大降低样品消耗，有利于高通量的研究。正是由于具有诸多优点，微流控芯片液滴体系被广泛运用于材料微合成、蛋白质结晶、单细胞分析及生化反应检测等领域。我们利用流聚焦微流控芯片首次得到了以离子液体为连续相的油包水微液滴体系。详细研究了芯片微通道结构、表面疏水性及流速等条件对微液滴体系形成的影响，通过条件控制可以得到从pL到nL级的液滴，实现对pL级液体的操控。并以罗丹明6G为模型，研究离子液体/水微乳体系中的高效萃取过程，仅需0.51s就能将罗丹明6G萃取完全。
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提出了一种“在时间和空间上巧妙耦合细胞内无关联生物化学反应途径合成纳米材料”的崭新策略，实现了用活细胞作为反应器可控合成CdSe发光纳米晶体标记物。通常油相化学合成CdSe的反应温度约300°C，而细胞合成时的温度仅30°C，且不用任何易燃、易爆、有毒溶剂，将繁琐危险的化学操作演变为仅仅“喂养”细胞，即可获得闪闪发光的CdSe纳米晶体，并能方便可控地获得绿色、黄色、红色等不同发光颜色。成果发表后，《科学时报》以“寻找纳米晶体合成的时空耦合点─学科交叉取得纳米生物合成新进展”为题进行了大幅的报道。 “Living yeast cells as a controllable biosynthesizer for fluorescent quantum dots” Adv. Func. Mater. (2009), 19(15), 2359.
设计合成了以磁性FePt、CoPt或NiPt等合金为核，以CdSe为壳的多色荧光-磁性核/壳型多功能纳米晶粒，该类系列材料同时具有多色荧光示踪（成像）、磁富集分离、磁操纵或磁共振成像（或示踪）等多种强有力的功能。该成果被Chem. Commun.选为“Hot article”，以“Multitasking nanocrystals”为题着重强调其具有的多色荧光示踪（成像）、磁富集分离、磁操纵或磁共振成像（或示踪）等多种强有力的功能将在生物体荧光和磁共振双重成像，进行活体动态示踪，对生物成分进行快速富集分离和磁操纵等方面具有广阔的应用前景。 “Core/Shell Structured Noble Metal (Alloy)/Cadmium Selenide Nanocrystals” Chemistry of Materials, (2009), 21(14), 3039. “Color-tunable fluorescent–magnetic core/shell multifunctional nanocrystals” Chem. Commun. (2009) 27, 4025.
以廉价易得的光谱纯石墨为原料，用电化学氧化方法制备出低细胞毒性的荧光碳纳米晶体（碳点）生物标记材料。本方法简易、快速，原料廉价易得。所制备的荧光碳点为石墨结构纳米晶体，具有单分散、粒径小、稳定（光稳定、高盐稳定）、低毒、耐光漂白等优点，已进行了初步的细胞标记实验。 “Facile preparation of low cytotoxicity fluorescent carbon nanocrystals by electrooxidation of graphite” Chem. Commun. (2008),41,5116. |
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武汉大学
化学与分子科学学院纳米生物技术与生物电化学实验室 版权所有 © 2008
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