DNA折紙手性等離子體傳感器：高靈敏度核酸檢測的創(chuàng)新突破一、引言1.1研究背景與意義核酸作為攜帶遺傳信息的生物大分子，在生命活動中扮演著至關(guān)重要的角色。對核酸的精確檢測在疾病診斷、生物醫(yī)學(xué)研究、食品安全監(jiān)測以及法醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域都有著不可或缺的應(yīng)用，是實現(xiàn)早期疾病診斷、精準(zhǔn)醫(yī)療和有效治療的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在疾病診斷方面，核酸檢測能夠在疾病早期，甚至在癥狀出現(xiàn)之前，檢測出病原體或病變細胞的存在。例如，在傳染病領(lǐng)域，如新冠疫情期間，核酸檢測成為了疫情防控的關(guān)鍵技術(shù)手段，能夠快速準(zhǔn)確地識別感染者，為疫情的控制和防控措施的制定提供了重要依據(jù)。對于癌癥等重大疾病，核酸檢測可以檢測出腫瘤相關(guān)基因的突變或異常表達，有助于癌癥的早期篩查、診斷和預(yù)后評估，提高患者的治愈率和生存率。在生物醫(yī)學(xué)研究中，核酸檢測是研究基因功能、基因表達調(diào)控以及疾病發(fā)病機制的重要工具，能夠幫助科學(xué)家深入了解生命過程和疾病的本質(zhì)，為開發(fā)新的治療方法和藥物提供理論基礎(chǔ)。目前，核酸檢測技術(shù)已取得了顯著的進展，多種檢測方法被廣泛應(yīng)用。其中，聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)作為核酸檢測的金標(biāo)準(zhǔn)，具有高度的靈敏性和特異性，能夠在短時間內(nèi)將微量的核酸擴增至可檢測的水平，廣泛應(yīng)用于臨床診斷、科研等領(lǐng)域。熒光原位雜交（FISH）技術(shù)則能夠在細胞或組織原位對核酸進行定位和檢測，對于研究基因的空間分布和表達具有重要意義。此外，新一代測序技術(shù)（NGS）的出現(xiàn)，使得大規(guī)模、高通量的核酸測序成為可能，為基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)等研究提供了強大的技術(shù)支持。然而，現(xiàn)有的核酸檢測技術(shù)仍然存在一些局限性。PCR技術(shù)雖然靈敏性高，但需要昂貴的儀器設(shè)備和專業(yè)的操作人員，檢測過程復(fù)雜，耗時較長，且容易受到污染導(dǎo)致假陽性結(jié)果。FISH技術(shù)的檢測通量較低，操作繁瑣，對樣本的要求較高。NGS技術(shù)雖然能夠提供大量的核酸序列信息，但設(shè)備昂貴，數(shù)據(jù)分析復(fù)雜，檢測成本高，難以在臨床和現(xiàn)場檢測中廣泛應(yīng)用。此外，這些傳統(tǒng)檢測技術(shù)對于低豐度核酸的檢測靈敏度有限，難以滿足一些對檢測靈敏度要求極高的應(yīng)用場景，如早期癌癥診斷和微量病原體檢測等。因此，開發(fā)一種高靈敏度、高特異性、操作簡便且成本低廉的核酸檢測新技術(shù)具有重要的現(xiàn)實需求和迫切性。DNA折紙技術(shù)是近年來興起的一種新型DNA自組裝技術(shù)，它利用DNA分子的堿基互補配對原則，通過設(shè)計特定的DNA序列，將長鏈DNA折疊成各種預(yù)設(shè)的納米結(jié)構(gòu)，如二維圖案、三維框架和復(fù)雜的多面體等。這種技術(shù)具有高度的可編程性和精確的納米級可控性，能夠構(gòu)建出具有復(fù)雜形狀和功能的納米結(jié)構(gòu)，為納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展帶來了新的機遇。等離子體效應(yīng)則是指當(dāng)金屬納米結(jié)構(gòu)與光相互作用時，由于自由電子的集體振蕩，會產(chǎn)生表面等離子體共振（SPR）現(xiàn)象。這種現(xiàn)象能夠?qū)е陆饘偌{米結(jié)構(gòu)表面的電磁場增強，從而顯著提高對周圍環(huán)境變化的敏感性。將DNA折紙技術(shù)與等離子體效應(yīng)相結(jié)合，構(gòu)建手性等離子體傳感器，為核酸檢測提供了一種全新的思路和方法。DNA折紙手性等離子體傳感器基于獨特的手性結(jié)構(gòu)和等離子體共振效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對核酸的高靈敏度檢測。手性結(jié)構(gòu)的引入使得傳感器對核酸分子具有特異性的識別能力，能夠區(qū)分不同手性的核酸分子，提高檢測的特異性。而等離子體共振效應(yīng)則能夠增強傳感器對核酸分子的信號響應(yīng)，顯著提高檢測的靈敏度，使其能夠檢測到極低濃度的核酸分子。此外，該傳感器還具有操作簡便、檢測快速、成本低廉等優(yōu)點，有望克服傳統(tǒng)核酸檢測技術(shù)的局限性，為核酸檢測領(lǐng)域帶來新的突破。本研究旨在深入探究基于DNA折紙的手性等離子體傳感器實現(xiàn)高靈敏度核酸檢測的相關(guān)理論和技術(shù)，通過設(shè)計和構(gòu)建新型的DNA折紙手性等離子體傳感器，優(yōu)化傳感器的性能參數(shù)，建立高靈敏度的核酸檢測方法，并將其應(yīng)用于實際樣本的檢測。本研究的成果不僅有助于推動核酸檢測技術(shù)的發(fā)展，為疾病診斷、生物醫(yī)學(xué)研究等領(lǐng)域提供更加高效、準(zhǔn)確的檢測手段，還將拓展DNA折紙技術(shù)和等離子體效應(yīng)在生物傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用，為納米生物傳感器的設(shè)計和開發(fā)提供新的理論和方法，具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在DNA折紙技術(shù)方面，國外起步較早并取得了一系列開創(chuàng)性成果。2006年，美國加州理工學(xué)院的PaulW.K.Rothemund首次提出DNA折紙術(shù)，成功將長鏈的M13噬菌體DNA通過短鏈“staple”DNA的輔助折疊成預(yù)設(shè)的二維納米圖案，如笑臉、五角星等，這一成果開啟了DNA折紙技術(shù)的新篇章，使得DNA納米結(jié)構(gòu)的精確構(gòu)建成為可能，為后續(xù)研究奠定了堅實基礎(chǔ)。此后，國外研究團隊不斷拓展DNA折紙的結(jié)構(gòu)類型和應(yīng)用領(lǐng)域。例如，紐約大學(xué)的研究人員利用DNA折紙技術(shù)構(gòu)建了三維的納米籠結(jié)構(gòu)，通過精確控制籠的尺寸和表面功能化，實現(xiàn)了對藥物分子的高效裝載和可控釋放，在藥物遞送領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。在國內(nèi)，DNA折紙技術(shù)的研究也在快速發(fā)展。上海交通大學(xué)樊春海教授團隊在DNA折紙的功能化應(yīng)用方面成果顯著，開發(fā)了一種拓?fù)渚幊痰腄NA折紙系統(tǒng)，這種拓?fù)渥儤?gòu)的DNA折紙可形成動態(tài)支架，在納米尺度上編碼信號節(jié)點的連接模式與連通性，建立拓?fù)鋱D形計算新模式，實現(xiàn)了DNA折紙結(jié)構(gòu)的連續(xù)拓?fù)渥儞Q，并展示了高達77個分子節(jié)點的信號傳遞網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，推動了DNA折紙技術(shù)在分子計算領(lǐng)域的應(yīng)用。在手性等離子體傳感器研究領(lǐng)域，國外同樣處于前沿地位。美國西北大學(xué)的研究團隊設(shè)計了多種手性等離子體納米結(jié)構(gòu)，通過精確調(diào)控結(jié)構(gòu)參數(shù)和入射光特性，實現(xiàn)了對手性分子的高靈敏度檢測。他們利用螺旋狀的等離子體納米結(jié)構(gòu)，在與手性分子相互作用時，產(chǎn)生強烈的手性近場響應(yīng)，極大地增強了對手性分子圓二色性的檢測信號，為手性分子的分析提供了新的有效手段。國內(nèi)在該領(lǐng)域也積極跟進，取得了不少創(chuàng)新性成果。如北京理工大學(xué)王榮瑤教授團隊報道了一種等離子體手性光學(xué)檢測器進行分子手性識別，基于等離子體納米轉(zhuǎn)換器，將分子手性識別轉(zhuǎn)化為不對稱放大的等離子體圓二色性讀數(shù)，實現(xiàn)了對映特異性識別和小分子氨基酸對映體過量的定量測定，且對宿主-客體對映選擇性相互作用具有非凡敏感性，為手性傳感器的設(shè)計提供了新思路。在高靈敏度核酸檢測方面，國外開發(fā)了多種先進技術(shù)。除了傳統(tǒng)的PCR技術(shù)不斷優(yōu)化升級外，基于納米技術(shù)的核酸檢測方法也層出不窮。例如，美國麻省理工學(xué)院的科研人員利用納米顆粒的表面等離子體共振效應(yīng)，開發(fā)了一種新型核酸檢測傳感器，通過檢測納米顆粒與核酸分子結(jié)合后等離子體共振波長的變化，實現(xiàn)了對核酸的高靈敏度檢測，檢測限可達皮摩爾級。國內(nèi)也在持續(xù)發(fā)力，哈爾濱工業(yè)大學(xué)任玉坤教授團隊研制出便攜式多疾病核酸檢測設(shè)備，開發(fā)出緊湊型高靈敏度光熱等溫擴增芯片，可同時檢測多類型樣本中的多種疾病，芯片上的核酸擴增通過LED照明或陽光聚焦驅(qū)動的等溫擴增實現(xiàn)，在樣品添加過程中自主富集核酸，檢測限低至每微升0.2拷貝數(shù)，在乙肝、丙肝、新冠等多種疾病檢測中展現(xiàn)出高準(zhǔn)確率和特異性。然而，當(dāng)前研究仍存在一些不足。在DNA折紙技術(shù)與手性等離子體傳感器結(jié)合方面，雖然已有初步探索，但兩者的協(xié)同作用機制尚未完全明晰，導(dǎo)致傳感器性能的優(yōu)化缺乏深入的理論指導(dǎo)?，F(xiàn)有的手性等離子體傳感器對核酸檢測的選擇性和靈敏度仍有待進一步提高，在復(fù)雜生物樣本中檢測時，容易受到背景干擾，影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。而且，目前的核酸檢測技術(shù)大多需要復(fù)雜的樣品預(yù)處理過程和昂貴的儀器設(shè)備，限制了其在現(xiàn)場快速檢測和基層醫(yī)療中的廣泛應(yīng)用。本研究將針對這些問題，深入探究基于DNA折紙的手性等離子體傳感器的設(shè)計原理和性能優(yōu)化策略，旨在開發(fā)一種操作簡便、高靈敏度、高特異性的核酸檢測新方法，為核酸檢測領(lǐng)域帶來新的突破。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在構(gòu)建基于DNA折紙的手性等離子體傳感器，實現(xiàn)對核酸的高靈敏度檢測，為核酸檢測技術(shù)提供新的方法和思路，具體研究內(nèi)容如下：基于DNA折紙的手性等離子體傳感器的設(shè)計與構(gòu)建：深入研究DNA折紙技術(shù)，設(shè)計并構(gòu)建具有特定手性結(jié)構(gòu)的DNA折紙模板。通過合理選擇DNA序列和折疊方式，精確控制DNA折紙的形狀、尺寸和手性特征，使其能夠有效地引導(dǎo)金屬納米粒子的組裝，形成具有手性等離子體效應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)。利用分子動力學(xué)模擬和有限元分析等理論計算方法，對DNA折紙手性等離子體傳感器的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能進行模擬和優(yōu)化，預(yù)測其在不同條件下的等離子體共振特性和手性響應(yīng)，為傳感器的實驗制備提供理論指導(dǎo)。傳感器的工作原理與作用機制研究：運用光譜學(xué)、顯微鏡技術(shù)和表面等離子體共振分析等多種實驗手段，深入探究DNA折紙手性等離子體傳感器與核酸分子之間的相互作用機制。研究核酸分子與傳感器表面的結(jié)合方式、結(jié)合親和力以及結(jié)合過程中對傳感器手性結(jié)構(gòu)和等離子體共振特性的影響，揭示傳感器實現(xiàn)高靈敏度核酸檢測的工作原理。結(jié)合理論計算和實驗結(jié)果，建立DNA折紙手性等離子體傳感器的檢測模型，闡述傳感器的信號轉(zhuǎn)換機制和檢測靈敏度的影響因素，為傳感器的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。傳感器性能測試與優(yōu)化：對構(gòu)建的DNA折紙手性等離子體傳感器進行性能測試，包括檢測靈敏度、特異性、選擇性、穩(wěn)定性等指標(biāo)的評估。通過改變傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、金屬納米粒子的種類和尺寸、核酸分子的濃度和序列等條件，系統(tǒng)研究各因素對傳感器性能的影響規(guī)律，優(yōu)化傳感器的性能參數(shù)，提高其檢測性能。開展干擾實驗，考察傳感器在復(fù)雜生物樣品中的抗干擾能力，評估其在實際應(yīng)用中的可行性和可靠性?；趥鞲衅鞯暮怂釞z測方法建立及實際應(yīng)用探索：基于優(yōu)化后的DNA折紙手性等離子體傳感器，建立高靈敏度的核酸檢測方法。確定最佳的檢測條件和操作流程，實現(xiàn)對核酸的快速、準(zhǔn)確檢測。將建立的核酸檢測方法應(yīng)用于實際樣本的檢測，如臨床生物樣本、環(huán)境水樣和食品樣本等，驗證傳感器在實際應(yīng)用中的有效性和實用性。與傳統(tǒng)核酸檢測技術(shù)進行對比分析，評估本研究提出的檢測方法的優(yōu)勢和不足，為其進一步改進和推廣應(yīng)用提供參考。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合采用文獻研究、實驗研究和理論模擬相結(jié)合的方法，深入探究基于DNA折紙的手性等離子體傳感器實現(xiàn)高靈敏度核酸檢測的相關(guān)理論和技術(shù)，具體技術(shù)路線如下：文獻研究：廣泛查閱國內(nèi)外關(guān)于DNA折紙技術(shù)、手性等離子體效應(yīng)、核酸檢測方法等方面的文獻資料，全面了解相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，梳理現(xiàn)有研究的成果與不足，為本研究提供堅實的理論基礎(chǔ)和研究思路。通過對文獻的深入分析，總結(jié)DNA折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則和方法，以及手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的制備技術(shù)和光學(xué)特性調(diào)控方法，為后續(xù)的傳感器設(shè)計和實驗研究提供參考依據(jù)。實驗研究：利用DNA折紙技術(shù)，設(shè)計并合成具有特定手性結(jié)構(gòu)的DNA折紙模板。通過優(yōu)化DNA序列設(shè)計和折疊條件，確保DNA折紙結(jié)構(gòu)的精確構(gòu)建和穩(wěn)定性。運用掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等微觀表征技術(shù)，對制備的DNA折紙結(jié)構(gòu)進行形貌和尺寸表征，驗證其結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性和質(zhì)量。以DNA折紙結(jié)構(gòu)為模板，通過自組裝方法引導(dǎo)金屬納米粒子在其表面進行有序組裝，構(gòu)建手性等離子體傳感器。采用透射電子顯微鏡（TEM）、能量色散X射線光譜（EDS）等技術(shù)，對組裝后的納米結(jié)構(gòu)進行表征，分析金屬納米粒子的分布、尺寸和組成，確保傳感器結(jié)構(gòu)的成功構(gòu)建。利用圓二色光譜（CD）、表面等離子體共振光譜（SPR）等光譜學(xué)技術(shù)，研究DNA折紙手性等離子體傳感器與核酸分子之間的相互作用，考察傳感器對核酸分子的識別能力和信號響應(yīng)特性。通過改變核酸分子的濃度、序列等條件，繪制傳感器的響應(yīng)曲線，確定其檢測靈敏度和線性范圍。開展干擾實驗，考察傳感器在復(fù)雜生物樣品中對目標(biāo)核酸分子的選擇性和抗干擾能力。選擇常見的生物分子如蛋白質(zhì)、多糖等作為干擾物質(zhì)，加入到核酸檢測體系中，觀察傳感器的信號變化，評估其在實際應(yīng)用中的可靠性。將構(gòu)建的DNA折紙手性等離子體傳感器應(yīng)用于實際樣本的核酸檢測，如臨床生物樣本、環(huán)境水樣和食品樣本等。與傳統(tǒng)核酸檢測技術(shù)（如PCR、熒光定量PCR等）進行對比分析，驗證本研究提出的檢測方法的準(zhǔn)確性和實用性。對實際樣本檢測結(jié)果進行統(tǒng)計分析，評估傳感器在不同樣本類型中的檢測性能，為其進一步改進和推廣應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。理論模擬：運用分子動力學(xué)模擬軟件，對DNA折紙結(jié)構(gòu)的折疊過程進行模擬，分析DNA鏈之間的相互作用和折疊路徑，優(yōu)化DNA序列設(shè)計，提高DNA折紙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。通過模擬不同的折疊條件，如溫度、離子強度等，研究其對DNA折紙結(jié)構(gòu)形成的影響，為實驗制備提供理論指導(dǎo)。利用有限元分析軟件，對DNA折紙手性等離子體傳感器的光學(xué)性能進行模擬，研究其在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和外界條件下的表面等離子體共振特性和手性響應(yīng)。通過模擬結(jié)果，分析傳感器的電場分布、磁場分布以及光學(xué)手性增強等特性，深入理解其工作原理和作用機制，為傳感器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。結(jié)合實驗結(jié)果和理論模擬，建立DNA折紙手性等離子體傳感器的檢測模型，通過數(shù)學(xué)模型分析各因素對傳感器性能的影響規(guī)律，預(yù)測傳感器在不同條件下的檢測性能，為實驗研究提供理論預(yù)測和指導(dǎo)。利用檢測模型，優(yōu)化傳感器的設(shè)計參數(shù)和檢測條件，提高其檢測靈敏度和特異性，實現(xiàn)對核酸的高靈敏度檢測。本研究通過文獻研究、實驗研究和理論模擬的有機結(jié)合，從傳感器的設(shè)計、制備、性能測試到實際應(yīng)用，全面深入地開展研究工作，有望開發(fā)出一種新型的高靈敏度核酸檢測方法，為核酸檢測技術(shù)的發(fā)展提供新的思路和方法。二、DNA折紙技術(shù)與手性等離子體傳感器原理2.1DNA折紙技術(shù)2.1.1DNA折紙技術(shù)的基本原理DNA折紙技術(shù)是基于DNA分子獨特的堿基互補配對原則發(fā)展而來的一種新型DNA自組裝技術(shù)。其核心原理是利用一條長鏈DNA作為“腳手架”（scaffold），通過設(shè)計一系列短鏈DNA，即“訂書釘”（staple），使其與長鏈DNA的特定區(qū)域進行堿基互補配對，從而引導(dǎo)長鏈DNA按照預(yù)設(shè)的方式折疊成各種精確的納米結(jié)構(gòu)。通常情況下，用于DNA折紙的長鏈DNA多選用病毒的單鏈DNA，如M13噬菌體的單鏈DNA，其長度約為7249個核苷酸。這些長鏈DNA具有足夠的長度和序列多樣性，為構(gòu)建復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)提供了基礎(chǔ)。短鏈DNA則通過計算機輔助設(shè)計，精確地匹配長鏈DNA上需要折疊的位點。例如，若要構(gòu)建一個三角形的DNA折紙結(jié)構(gòu)，首先需要根據(jù)三角形的幾何形狀和尺寸，在計算機上設(shè)計出長鏈DNA的折疊路徑，確定短鏈DNA與長鏈DNA的結(jié)合位點和互補序列。然后，將長鏈DNA與大量的短鏈DNA混合在含有鎂離子的緩沖溶液中。鎂離子可以屏蔽DNA分子上的負(fù)電荷，降低DNA鏈之間的靜電排斥力，促進堿基互補配對和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定形成。在適當(dāng)?shù)臏囟群碗x子強度條件下，短鏈DNA會與長鏈DNA特異性結(jié)合，就像用訂書釘將紙張固定在一起一樣，引導(dǎo)長鏈DNA逐步折疊成預(yù)設(shè)的三角形結(jié)構(gòu)。整個自組裝過程是在熱力學(xué)驅(qū)動下自發(fā)進行的，最終形成具有特定形狀和尺寸的DNA納米結(jié)構(gòu)。這種通過精確設(shè)計DNA序列來實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建的方法，使得DNA折紙技術(shù)能夠制備出各種復(fù)雜且精確的納米結(jié)構(gòu)，為納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究提供了強有力的工具。2.1.2DNA折紙技術(shù)的特點與優(yōu)勢DNA折紙技術(shù)具有諸多獨特的特點和顯著的優(yōu)勢，使其在納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。高度可編程性是DNA折紙技術(shù)的核心優(yōu)勢之一。研究人員可以通過計算機輔助設(shè)計，精確地控制DNA序列的排列和堿基互補配對方式，從而實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)形狀、尺寸和功能的精準(zhǔn)編程。無論是簡單的二維平面結(jié)構(gòu)，如正方形、三角形，還是復(fù)雜的三維立體結(jié)構(gòu)，如納米籠、納米管等，都可以通過精心設(shè)計DNA序列來實現(xiàn)。這種可編程性使得DNA折紙技術(shù)能夠滿足不同應(yīng)用場景的需求，為構(gòu)建定制化的納米器件和生物傳感器提供了可能。精確的納米級設(shè)計能力是DNA折紙技術(shù)的又一突出特點。DNA分子的尺寸在納米級別，通過DNA折紙技術(shù)構(gòu)建的納米結(jié)構(gòu)能夠達到極其精確的納米級分辨率。例如，利用DNA折紙技術(shù)制備的納米結(jié)構(gòu)，其尺寸精度可以控制在幾納米甚至更小的范圍內(nèi)，這為研究納米尺度下的物理、化學(xué)和生物學(xué)現(xiàn)象提供了理想的模型體系。與傳統(tǒng)的納米制造技術(shù)相比，DNA折紙技術(shù)能夠在原子和分子水平上精確地控制結(jié)構(gòu)的組成和排列，實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控，這是其他技術(shù)難以比擬的。DNA折紙技術(shù)還具有良好的生物相容性。DNA是生物體內(nèi)的天然分子，其化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成使其在生物環(huán)境中具有較低的免疫原性和毒性。這使得基于DNA折紙技術(shù)構(gòu)建的納米結(jié)構(gòu)能夠在生物體內(nèi)安全地應(yīng)用，不會引起明顯的免疫反應(yīng)或?qū)ι矬w造成損害。例如，在藥物遞送領(lǐng)域，DNA折紙納米結(jié)構(gòu)可以作為藥物載體，將藥物精確地遞送到目標(biāo)細胞或組織，同時減少對正常細胞的副作用。在生物傳感領(lǐng)域，DNA折紙生物傳感器可以直接用于生物樣品的檢測，無需擔(dān)心對生物分子的干擾或破壞?？尚揎椥詮娨彩荄NA折紙技術(shù)的重要優(yōu)勢。DNA分子的磷酸骨架和堿基上存在多個可修飾位點，研究人員可以通過化學(xué)修飾或生物偶聯(lián)的方法，將各種功能分子，如熒光基團、生物素、抗體、藥物分子等，連接到DNA折紙結(jié)構(gòu)上，賦予其特定的功能。通過在DNA折紙結(jié)構(gòu)上修飾熒光基團，可以實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)的可視化追蹤和檢測；修飾抗體可以使其特異性地識別和捕獲目標(biāo)生物分子，用于生物分子的檢測和分離。這種強大的可修飾性使得DNA折紙技術(shù)能夠構(gòu)建出多功能的納米生物傳感器和智能納米器件，拓展了其在生物醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。2.1.3DNA折紙技術(shù)在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用進展近年來，DNA折紙技術(shù)在生物傳感領(lǐng)域取得了顯著的應(yīng)用進展，為生物分子的檢測和分析提供了新的策略和方法。在生物分子檢測方面，DNA折紙技術(shù)被廣泛應(yīng)用于構(gòu)建高靈敏度和高特異性的生物傳感器。例如，利用DNA折紙技術(shù)構(gòu)建的納米結(jié)構(gòu)可以作為生物分子的識別元件，通過與目標(biāo)生物分子的特異性結(jié)合，產(chǎn)生可檢測的信號變化。研究人員設(shè)計了一種基于DNA折紙的納米鑷子傳感器，通過將目標(biāo)生物分子與納米鑷子的特定區(qū)域結(jié)合，引起納米鑷子結(jié)構(gòu)的開合變化，從而導(dǎo)致熒光信號的改變，實現(xiàn)對目標(biāo)生物分子的定量檢測。這種傳感器具有高度的特異性和靈敏度，能夠檢測到極低濃度的生物分子。此外，DNA折紙技術(shù)還可以與其他檢測技術(shù)，如表面等離子體共振（SPR）、電化學(xué)檢測等相結(jié)合，進一步提高生物傳感器的性能。通過將DNA折紙結(jié)構(gòu)修飾在SPR傳感器的表面，利用DNA與目標(biāo)生物分子的特異性結(jié)合，引起表面等離子體共振信號的變化，實現(xiàn)對生物分子的快速、靈敏檢測。在疾病標(biāo)志物檢測領(lǐng)域，DNA折紙技術(shù)也展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。許多疾病，如癌癥、心血管疾病等，都伴隨著特定的生物標(biāo)志物的表達變化。利用DNA折紙技術(shù)構(gòu)建的生物傳感器可以特異性地識別和檢測這些疾病標(biāo)志物，為疾病的早期診斷和治療提供重要的依據(jù)。有研究團隊設(shè)計了一種基于DNA折紙的多模態(tài)納米傳感器，能夠同時檢測多種癌癥標(biāo)志物。該傳感器通過將不同的識別探針修飾在DNA折紙結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)對多種癌癥標(biāo)志物的特異性識別和檢測。同時，結(jié)合熒光成像和電化學(xué)檢測技術(shù)，實現(xiàn)了對癌癥標(biāo)志物的高靈敏度和高選擇性檢測，為癌癥的早期診斷和預(yù)后評估提供了新的手段。盡管DNA折紙技術(shù)在生物傳感領(lǐng)域取得了一定的成果，但仍面臨一些挑戰(zhàn)。DNA折紙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和重復(fù)性有待進一步提高，在復(fù)雜的生物環(huán)境中，DNA折紙結(jié)構(gòu)可能會受到酶的降解、溫度和pH值變化等因素的影響，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定和檢測性能的下降。此外，DNA折紙生物傳感器的制備過程相對復(fù)雜，成本較高，限制了其大規(guī)模的應(yīng)用和推廣。未來，需要進一步優(yōu)化DNA折紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制備工藝，提高其穩(wěn)定性和重復(fù)性，降低成本，以推動DNA折紙技術(shù)在生物傳感領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。2.2手性等離子體傳感器原理2.2.1表面等離子體共振原理表面等離子體共振（SurfacePlasmonResonance，SPR）是一種重要的物理光學(xué)現(xiàn)象，在生物傳感和材料科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)一束光以特定角度照射到金屬與介質(zhì)的界面時，會引發(fā)金屬表面自由電子的集體振蕩，這種振蕩與入射光的頻率和波矢相匹配時，就會發(fā)生表面等離子體共振。具體而言，金屬中的自由電子在平衡位置附近做無規(guī)則的熱運動，當(dāng)入射光的電場作用于金屬表面時，自由電子受到電場力的驅(qū)動，會在金屬表面形成疏密相間的電荷分布，進而產(chǎn)生一個與入射光頻率相同的振蕩電流。當(dāng)滿足特定的共振條件時，入射光的能量被表面等離子體強烈吸收，導(dǎo)致反射光強度急劇下降，在反射光譜上出現(xiàn)一個明顯的共振峰。這個共振峰的位置（共振角或共振波長）對金屬表面附近介質(zhì)的折射率變化極為敏感。當(dāng)生物分子在金屬表面發(fā)生吸附或結(jié)合時，會引起金屬表面附近介質(zhì)折射率的改變，從而導(dǎo)致共振峰位置的移動。通過精確檢測共振峰位置的變化，就可以實時監(jiān)測生物分子間的相互作用過程，如結(jié)合、解離等。在核酸檢測中，表面等離子體共振技術(shù)具有獨特的優(yōu)勢。它能夠?qū)崿F(xiàn)對核酸分子的無標(biāo)記檢測，避免了傳統(tǒng)檢測方法中標(biāo)記過程對核酸分子結(jié)構(gòu)和功能的潛在影響，提高了檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。由于其對折射率變化的高靈敏度，能夠檢測到極低濃度的核酸分子，滿足了對微量核酸檢測的需求。通過表面等離子體共振技術(shù)，可以實時監(jiān)測核酸分子與傳感器表面的結(jié)合過程，獲取結(jié)合動力學(xué)參數(shù)，為深入研究核酸分子的相互作用機制提供了有力的手段。2.2.2手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計與構(gòu)建手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計與構(gòu)建是實現(xiàn)高靈敏度核酸檢測的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其獨特的結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生強烈的手性近場，增強與手性核酸分子的相互作用，提高檢測的靈敏度和特異性。在設(shè)計手性等離子體納米結(jié)構(gòu)時，需要綜合考慮多個因素，如結(jié)構(gòu)的幾何形狀、尺寸、材料組成以及各部分之間的相對位置和取向等。這些因素會直接影響納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)和手性響應(yīng)特性。以螺旋結(jié)構(gòu)為例，它是一種典型的手性等離子體納米結(jié)構(gòu)，其手性響應(yīng)源于螺旋結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對稱性與入射圓偏振光的偏振方向之間的相互作用。當(dāng)螺旋結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)方向與入射圓偏振光的偏振方向匹配時，會發(fā)生強烈的手性近場響應(yīng)，導(dǎo)致光學(xué)手性的增強。通過精確控制螺旋結(jié)構(gòu)的螺距、半徑和匝數(shù)等參數(shù)，可以調(diào)節(jié)其手性響應(yīng)的強度和波長范圍，使其與目標(biāo)核酸分子的吸收特性相匹配，從而實現(xiàn)對核酸分子的高效檢測。三維手性低聚物也是一種常用的手性等離子體納米結(jié)構(gòu)，它由多個納米顆粒通過特定的排列方式組裝而成。在三維手性低聚物中，納米顆粒之間的強耦合效應(yīng)能夠產(chǎn)生局域電磁場的增強，形成具有強手性近場的“熱點”區(qū)域。例如，研究人員通過將納米顆粒排列成特定的扭曲L型層結(jié)構(gòu)，成功制備出一種手性低聚物。在匹配偏振光的照射下，該手性低聚物在納米顆粒之間的小間隙中產(chǎn)生了最強的手性增強，實現(xiàn)了對小分子對映體的高靈敏度檢測。通過改變納米顆粒的尺寸、形狀和排列方式，可以進一步優(yōu)化三維手性低聚物的手性響應(yīng)特性，提高其對核酸分子的檢測性能。在構(gòu)建手性等離子體納米結(jié)構(gòu)時，通常采用自組裝方法，利用分子間的相互作用力，如范德華力、靜電作用力和氫鍵等，引導(dǎo)金屬納米粒子在特定的模板上進行有序組裝。DNA折紙技術(shù)為手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供了一種理想的模板。通過設(shè)計具有特定手性結(jié)構(gòu)的DNA折紙模板，可以精確控制金屬納米粒子的組裝位置和取向，實現(xiàn)手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)建。利用DNA折紙技術(shù)構(gòu)建的手性納米結(jié)構(gòu)，能夠在納米尺度上精確控制結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸，為研究手性等離子體效應(yīng)和核酸檢測提供了有力的工具。2.2.3手性等離子體傳感器的工作機制手性等離子體傳感器的工作機制基于手性等離子體納米結(jié)構(gòu)與手性核酸分子之間的特異性相互作用，通過檢測這種相互作用引起的光學(xué)信號變化，實現(xiàn)對核酸分子的高靈敏度檢測。當(dāng)手性等離子體納米結(jié)構(gòu)與手性核酸分子相互作用時，手性核酸分子會特異性地結(jié)合到納米結(jié)構(gòu)的表面，改變納米結(jié)構(gòu)表面的電荷分布和局部折射率，進而影響表面等離子體共振特性。由于手性等離子體納米結(jié)構(gòu)具有獨特的手性近場，能夠與手性核酸分子產(chǎn)生強烈的手性相互作用，這種相互作用會導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)手性發(fā)生變化，從而引起可檢測的光學(xué)信號變化，如圓二色性（CD）信號、表面等離子體共振波長的位移等。圓二色性是手性分子的一種重要光學(xué)性質(zhì)，它反映了手性分子對左旋圓偏振光和右旋圓偏振光的吸收差異。在手性等離子體傳感器中，手性近場的存在會顯著增強手性核酸分子的圓二色性信號。當(dāng)手性核酸分子與手性等離子體納米結(jié)構(gòu)結(jié)合時，手性近場與手性核酸分子的相互作用會導(dǎo)致圓二色性信號的改變，通過檢測這種改變，可以實現(xiàn)對核酸分子的定性和定量分析。研究表明，在某些手性等離子體納米結(jié)構(gòu)與手性核酸分子的相互作用體系中，圓二色性信號的增強倍數(shù)可達數(shù)十倍甚至更高，極大地提高了檢測的靈敏度。表面等離子體共振波長的位移也是手性等離子體傳感器檢測核酸分子的重要信號。當(dāng)核酸分子結(jié)合到傳感器表面時，會引起表面等離子體共振波長的紅移或藍移，其位移量與核酸分子的濃度和結(jié)合親和力密切相關(guān)。通過精確測量表面等離子體共振波長的位移，可以建立核酸分子濃度與信號之間的定量關(guān)系，實現(xiàn)對核酸分子的準(zhǔn)確檢測。在實際檢測中，通過優(yōu)化手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計和檢測條件，可以進一步提高表面等離子體共振波長位移對核酸分子的響應(yīng)靈敏度和選擇性。手性等離子體傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度檢測的關(guān)鍵在于手性近場的增強作用。手性近場具有高度扭曲的電磁場，能夠與手性核酸分子產(chǎn)生特異性的相互作用，增強分子的光學(xué)活性。與傳統(tǒng)的檢測方法相比，手性等離子體傳感器利用手性近場的增強效應(yīng)，能夠顯著提高檢測信號的強度，降低檢測限，實現(xiàn)對低濃度核酸分子的高靈敏度檢測。手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計和構(gòu)建可以精確調(diào)控手性近場的特性，使其與核酸分子的相互作用更加高效和特異性，進一步提高傳感器的檢測性能。三、基于DNA折紙的手性等離子體傳感器設(shè)計與制備3.1傳感器的設(shè)計思路3.1.1DNA折紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計DNA折紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計是構(gòu)建基于DNA折紙的手性等離子體傳感器的關(guān)鍵步驟，其結(jié)構(gòu)的精確性和功能性直接影響傳感器對核酸的檢測性能。在設(shè)計DNA折紙結(jié)構(gòu)時，首要任務(wù)是根據(jù)核酸檢測的具體需求，確定其形狀和尺寸。若旨在檢測特定病毒的核酸序列，可設(shè)計與病毒核酸分子互補結(jié)合的特定形狀的DNA折紙結(jié)構(gòu)，以增強兩者之間的特異性識別能力。如針對新冠病毒的核酸檢測，可設(shè)計一種能夠與新冠病毒特征核酸序列精確互補配對的DNA折紙結(jié)構(gòu)，其形狀可模擬病毒核酸分子的部分結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對新冠病毒核酸的精準(zhǔn)識別。引入識別序列和結(jié)合位點是賦予DNA折紙結(jié)構(gòu)核酸特異性識別功能的核心。通過深入分析目標(biāo)核酸的序列信息，精心設(shè)計與之互補的識別序列，并將其巧妙地整合到DNA折紙結(jié)構(gòu)中。這些識別序列能夠與目標(biāo)核酸分子通過堿基互補配對原則特異性結(jié)合，就像鑰匙與鎖的關(guān)系一樣，確保了傳感器對目標(biāo)核酸的高度特異性識別。在設(shè)計結(jié)合位點時，充分考慮其與金屬納米粒子的結(jié)合能力，以實現(xiàn)手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的有效構(gòu)建。利用DNA折紙結(jié)構(gòu)上的特定序列作為結(jié)合位點，通過靜電相互作用或共價鍵合的方式，將金屬納米粒子精確地固定在預(yù)定位置，形成具有手性等離子體效應(yīng)的納米結(jié)構(gòu)。這種精心設(shè)計的結(jié)合位點不僅保證了金屬納米粒子的穩(wěn)定結(jié)合，還優(yōu)化了手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的性能，為傳感器的高靈敏度檢測奠定了基礎(chǔ)。為了確保DNA折紙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和精確性，采用計算機輔助設(shè)計軟件進行模擬和優(yōu)化是必不可少的環(huán)節(jié)。利用CADnano、Tiamat等專業(yè)軟件，對DNA折紙結(jié)構(gòu)的折疊過程進行詳細模擬，深入分析DNA鏈之間的相互作用和折疊路徑。通過模擬不同的折疊條件，如溫度、離子強度等，研究其對DNA折紙結(jié)構(gòu)形成的影響，從而篩選出最佳的折疊條件和DNA序列設(shè)計方案。在模擬過程中，還可以對DNA折紙結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進行評估，確保其在實際應(yīng)用中能夠保持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，不受外界環(huán)境因素的干擾。通過計算機模擬和優(yōu)化，可以提前預(yù)測DNA折紙結(jié)構(gòu)的性能，減少實驗試錯成本，提高設(shè)計效率和成功率，為后續(xù)的實驗制備提供可靠的理論指導(dǎo)。3.1.2手性等離子體納米結(jié)構(gòu)與DNA折紙的結(jié)合方式將手性等離子體納米結(jié)構(gòu)與DNA折紙相結(jié)合，是實現(xiàn)基于DNA折紙的手性等離子體傳感器高靈敏度核酸檢測的關(guān)鍵技術(shù)，其結(jié)合方式直接影響傳感器的性能和檢測效果。在DNA折紙表面修飾金屬納米顆粒是一種常用的結(jié)合方法。通過化學(xué)修飾或生物偶聯(lián)的方式，在DNA折紙結(jié)構(gòu)的特定位置引入具有反應(yīng)活性的基團，如巰基、氨基等。這些基團能夠與金屬納米顆粒表面的配體發(fā)生特異性反應(yīng)，從而將金屬納米顆粒穩(wěn)定地連接到DNA折紙表面。利用DNA折紙結(jié)構(gòu)上的巰基與金納米顆粒表面的氯金酸發(fā)生還原反應(yīng)，在DNA折紙表面原位生成金納米顆粒，形成DNA折紙-金納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)不僅保留了DNA折紙的精確結(jié)構(gòu)和核酸識別功能，還賦予了其手性等離子體效應(yīng)，能夠增強對核酸分子的檢測信號。金納米顆粒的表面等離子體共振特性使得復(fù)合結(jié)構(gòu)對周圍環(huán)境的變化極為敏感，當(dāng)核酸分子與DNA折紙結(jié)構(gòu)上的識別序列結(jié)合時，會引起金納米顆粒表面等離子體共振波長的位移，從而實現(xiàn)對核酸分子的高靈敏度檢測。構(gòu)建復(fù)合結(jié)構(gòu)也是一種有效的結(jié)合方式。以DNA折紙為模板，引導(dǎo)金屬納米粒子在其表面進行有序組裝，形成具有特定手性結(jié)構(gòu)的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。通過設(shè)計具有特定手性形狀的DNA折紙模板，如螺旋狀、扭曲L型等，利用模板表面的特定序列和空間結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)金屬納米粒子按照預(yù)定的方式進行組裝。在螺旋狀的DNA折紙模板表面，金屬納米粒子可以沿著螺旋結(jié)構(gòu)的輪廓進行有序排列，形成具有手性等離子體效應(yīng)的螺旋狀復(fù)合納米結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生強烈的手性近場，增強與手性核酸分子的相互作用，提高檢測的靈敏度和特異性。由于DNA折紙模板的精確控制作用，復(fù)合結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀可以得到精確調(diào)控，從而優(yōu)化其手性等離子體性能，實現(xiàn)對核酸分子的高效檢測。手性等離子體納米結(jié)構(gòu)與DNA折紙的結(jié)合對傳感器性能有著顯著的影響。結(jié)合后的復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠增強表面等離子體共振效應(yīng)，提高對核酸分子的檢測靈敏度。金屬納米顆粒與DNA折紙的協(xié)同作用，使得傳感器對核酸分子的特異性識別能力得到進一步提升。通過合理設(shè)計結(jié)合方式和復(fù)合結(jié)構(gòu)的參數(shù)，可以優(yōu)化傳感器的性能，如調(diào)節(jié)金屬納米顆粒的尺寸、形狀和分布密度，以及改變DNA折紙結(jié)構(gòu)的形狀和識別序列，從而實現(xiàn)對不同類型核酸分子的高靈敏度、高特異性檢測。3.1.3傳感器的整體架構(gòu)與功能模塊基于DNA折紙的手性等離子體傳感器由多個功能模塊協(xié)同工作，形成一個高效的核酸檢測系統(tǒng)，其整體架構(gòu)包括信號識別、信號轉(zhuǎn)換和信號輸出等關(guān)鍵部分。信號識別模塊是傳感器的核心部分，主要由精心設(shè)計的DNA折紙結(jié)構(gòu)組成。如前文所述，該DNA折紙結(jié)構(gòu)通過引入特定的識別序列和結(jié)合位點，能夠特異性地識別目標(biāo)核酸分子。當(dāng)樣品中的目標(biāo)核酸分子與DNA折紙結(jié)構(gòu)上的識別序列相遇時，會發(fā)生堿基互補配對，形成穩(wěn)定的雙鏈結(jié)構(gòu)。這種特異性結(jié)合就像一把精準(zhǔn)的鑰匙插入對應(yīng)的鎖孔，確保了只有目標(biāo)核酸分子能夠被有效識別，從而大大提高了檢測的特異性。對于特定基因突變的檢測，DNA折紙結(jié)構(gòu)上的識別序列可以精確匹配突變位點，只有攜帶該突變的核酸分子才能與之結(jié)合，而正常的核酸分子則無法識別，有效避免了誤檢。信號轉(zhuǎn)換模塊主要依賴于手性等離子體納米結(jié)構(gòu)與DNA折紙的復(fù)合結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。一旦目標(biāo)核酸分子與DNA折紙結(jié)構(gòu)特異性結(jié)合，會引起復(fù)合結(jié)構(gòu)表面等離子體共振特性的顯著變化。這種變化源于核酸分子結(jié)合導(dǎo)致的復(fù)合結(jié)構(gòu)表面電荷分布和局部折射率的改變。如前所述，手性等離子體納米結(jié)構(gòu)具有獨特的表面等離子體共振效應(yīng)，對周圍環(huán)境的微小變化極為敏感。當(dāng)核酸分子結(jié)合時，表面等離子體共振波長會發(fā)生位移，圓二色性信號也會相應(yīng)改變。這些光學(xué)信號的變化被轉(zhuǎn)化為可檢測的電信號或光信號，為后續(xù)的信號分析提供了基礎(chǔ)。通過檢測表面等離子體共振波長的位移，可以精確感知核酸分子的結(jié)合情況，實現(xiàn)對核酸分子的定量檢測。信號輸出模塊負(fù)責(zé)將信號轉(zhuǎn)換模塊產(chǎn)生的信號進行處理和輸出，以便于檢測和分析。常見的信號輸出方式包括光學(xué)檢測和電學(xué)檢測。在光學(xué)檢測中，通過測量圓二色性信號、表面等離子體共振光譜等光學(xué)信號的變化，直觀地反映核酸分子的存在和濃度。利用光譜儀對復(fù)合結(jié)構(gòu)的圓二色性信號進行測量，根據(jù)信號強度與核酸分子濃度的定量關(guān)系，準(zhǔn)確計算出樣品中核酸分子的含量。在電學(xué)檢測中，將光學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電信號后，通過電化學(xué)工作站等設(shè)備進行測量和分析。將表面等離子體共振引起的電阻或電容變化轉(zhuǎn)化為電信號，通過檢測電信號的強度來確定核酸分子的濃度。這些信號輸出方式具有靈敏度高、檢測速度快等優(yōu)點，能夠滿足不同場景下對核酸檢測的需求。各功能模塊之間緊密協(xié)作，形成了一個高效的核酸檢測體系。信號識別模塊精準(zhǔn)地捕獲目標(biāo)核酸分子，為后續(xù)的檢測提供了特異性基礎(chǔ)；信號轉(zhuǎn)換模塊將核酸分子的結(jié)合信息轉(zhuǎn)化為可檢測的信號，實現(xiàn)了信號的有效轉(zhuǎn)換；信號輸出模塊則將轉(zhuǎn)換后的信號以直觀的方式呈現(xiàn)出來，方便研究人員進行分析和判斷。這種協(xié)同工作機制確保了基于DNA折紙的手性等離子體傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對核酸分子的高靈敏度、高特異性檢測，為核酸檢測技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方法。三、基于DNA折紙的手性等離子體傳感器設(shè)計與制備3.2傳感器的制備工藝3.2.1DNA折紙結(jié)構(gòu)的制備步驟DNA折紙結(jié)構(gòu)的制備是構(gòu)建基于DNA折紙的手性等離子體傳感器的基礎(chǔ)，其制備過程涉及多個關(guān)鍵步驟和嚴(yán)格的實驗條件控制，以確保獲得高質(zhì)量、結(jié)構(gòu)精確的DNA折紙結(jié)構(gòu)。DNA合成是制備DNA折紙結(jié)構(gòu)的首要環(huán)節(jié)。長鏈DNA通常選用M13噬菌體單鏈DNA，其長度約為7249個核苷酸，具有豐富的序列信息，為構(gòu)建復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)提供了充足的“原材料”。短鏈DNA（即“訂書釘”DNA）則需通過專業(yè)的DNA合成儀進行合成。在合成過程中，依據(jù)預(yù)先設(shè)計好的與長鏈DNA互補配對的序列，精確控制核苷酸的添加順序和數(shù)量。對每個核苷酸的純度和質(zhì)量進行嚴(yán)格把控，確保合成的短鏈DNA序列準(zhǔn)確無誤。采用高效液相色譜（HPLC）等技術(shù)對合成后的短鏈DNA進行純化，去除未反應(yīng)的原料、雜質(zhì)和錯誤合成的序列，以提高短鏈DNA的質(zhì)量和純度，為后續(xù)的折紙反應(yīng)提供可靠的基礎(chǔ)。退火過程是引導(dǎo)DNA鏈折疊形成特定結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵步驟。將合成并純化后的長鏈DNA與大量短鏈DNA按照一定比例混合于含有鎂離子的緩沖溶液中。鎂離子在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能夠屏蔽DNA分子上的負(fù)電荷，有效降低DNA鏈之間的靜電排斥力，促進堿基互補配對的順利進行，從而使DNA鏈能夠穩(wěn)定地折疊成預(yù)設(shè)的結(jié)構(gòu)。在退火過程中，溫度的精確控制至關(guān)重要。通常采用梯度降溫的方式，從較高溫度逐漸降低至室溫。首先將混合溶液加熱至95℃左右，使DNA鏈充分變性，雙鏈解開成單鏈狀態(tài)，以消除可能存在的二級結(jié)構(gòu)。然后以緩慢的速率（如每分鐘降低1℃）逐漸降溫，使短鏈DNA能夠與長鏈DNA特異性結(jié)合，按照預(yù)設(shè)的堿基互補配對原則，逐步引導(dǎo)長鏈DNA折疊成目標(biāo)結(jié)構(gòu)。這種緩慢的降溫過程有助于確保DNA鏈有足夠的時間找到正確的配對位點，形成穩(wěn)定的雙鏈結(jié)構(gòu)，避免錯誤折疊的發(fā)生，從而提高DNA折紙結(jié)構(gòu)的形成效率和準(zhǔn)確性。純化是去除未參與反應(yīng)的DNA鏈和雜質(zhì)，提高DNA折紙結(jié)構(gòu)純度的重要步驟。采用瓊脂糖凝膠電泳或聚丙烯酰胺凝膠電泳等技術(shù)對退火后的產(chǎn)物進行分離。在電泳過程中，DNA分子會在電場的作用下在凝膠中遷移，由于不同大小和形狀的DNA分子在凝膠中的遷移速率不同，從而實現(xiàn)對DNA折紙結(jié)構(gòu)與其他雜質(zhì)的有效分離。通過觀察凝膠上的條帶位置，準(zhǔn)確切取含有目標(biāo)DNA折紙結(jié)構(gòu)的凝膠條帶。然后利用凝膠回收試劑盒等工具，將DNA折紙結(jié)構(gòu)從凝膠中提取出來，進一步去除殘留的凝膠和雜質(zhì)，得到高純度的DNA折紙結(jié)構(gòu)。還可以采用超濾離心等方法對DNA折紙結(jié)構(gòu)進行濃縮和進一步純化，以滿足后續(xù)實驗對樣品濃度和純度的要求。為了確保制備的DNA折紙結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和性能，需要進行嚴(yán)格的質(zhì)量控制。利用原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀表征技術(shù)，對DNA折紙結(jié)構(gòu)的形貌和尺寸進行詳細觀察和測量。AFM能夠在納米尺度下對DNA折紙結(jié)構(gòu)的表面形貌進行高分辨率成像，直觀地展示其形狀、平整度和細節(jié)特征；SEM則可以提供更清晰的三維結(jié)構(gòu)圖像，幫助研究人員準(zhǔn)確判斷DNA折紙結(jié)構(gòu)是否符合設(shè)計預(yù)期，是否存在結(jié)構(gòu)缺陷或變形等問題。通過調(diào)整DNA合成的參數(shù)、優(yōu)化退火條件和改進純化方法等措施，不斷提高DNA折紙結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，為后續(xù)構(gòu)建高性能的手性等離子體傳感器奠定堅實的基礎(chǔ)。3.2.2手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的制備方法手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的制備是實現(xiàn)基于DNA折紙的手性等離子體傳感器高靈敏度核酸檢測的關(guān)鍵技術(shù)之一，其制備方法直接影響納米結(jié)構(gòu)的性能和傳感器的檢測效果?；瘜W(xué)合成法是制備手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的常用方法之一，其中種子介導(dǎo)生長法在金納米棒等納米結(jié)構(gòu)的制備中應(yīng)用廣泛。在金納米棒的制備過程中，首先通過化學(xué)還原法制備出小尺寸的金納米種子。在含有氯金酸（HAuCl?）的溶液中，加入適量的還原劑，如檸檬酸鈉，在一定溫度和攪拌條件下，氯金酸被還原成金原子，這些金原子逐漸聚集形成小尺寸的金納米種子。然后，在含有金納米種子的溶液中，加入生長溶液，生長溶液中通常包含氯金酸、銀離子（Ag?）和表面活性劑（如十六烷基三甲基溴化銨，CTAB）等成分。銀離子在金納米棒的生長過程中起到重要的調(diào)節(jié)作用，它可以吸附在金納米種子的表面，改變種子表面的化學(xué)活性，從而影響金納米棒的生長方向和速率。表面活性劑則能夠包裹在金納米棒的表面，起到穩(wěn)定納米結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)其生長的作用。在適當(dāng)?shù)臏囟群头磻?yīng)時間條件下，金原子在種子表面逐漸沉積并沿著特定方向生長，最終形成具有特定長徑比的金納米棒。通過精確控制生長溶液的組成、反應(yīng)溫度和時間等參數(shù)，可以調(diào)控金納米棒的尺寸、形狀和表面性質(zhì)，以滿足手性等離子體傳感器的設(shè)計需求。物理沉積法也是制備手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的重要手段，電子束蒸發(fā)和磁控濺射在薄膜制備方面具有獨特優(yōu)勢。以電子束蒸發(fā)制備金屬薄膜為例，將待蒸發(fā)的金屬（如金、銀等）放置在高真空環(huán)境中的蒸發(fā)源中。通過電子槍發(fā)射高能電子束，電子束轟擊金屬表面，使金屬原子獲得足夠的能量而蒸發(fā)。蒸發(fā)后的金屬原子在真空中自由飛行，并在基底表面沉積形成薄膜。在沉積過程中，可以通過精確控制電子束的功率、蒸發(fā)時間和基底溫度等參數(shù)，精確控制薄膜的厚度和質(zhì)量。磁控濺射則是利用磁場約束和加速電子，使電子與氬氣等工作氣體碰撞產(chǎn)生等離子體。等離子體中的氬離子在電場作用下加速轟擊靶材（如金屬靶），使靶材表面的原子濺射出來，并在基底表面沉積形成薄膜。磁控濺射具有沉積速率高、薄膜質(zhì)量好、成分可控等優(yōu)點，能夠制備出高質(zhì)量的金屬薄膜，為構(gòu)建手性等離子體納米結(jié)構(gòu)提供了優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)。在制備手性等離子體納米結(jié)構(gòu)時，面臨著諸多關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。納米結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀控制是一個難點，因為納米結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀對其等離子體共振特性和手性響應(yīng)有著顯著影響。在化學(xué)合成過程中，反應(yīng)條件的微小變化都可能導(dǎo)致納米結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的不一致，從而影響傳感器的性能穩(wěn)定性。為了解決這一問題，需要深入研究反應(yīng)機理，建立精確的反應(yīng)模型，通過優(yōu)化反應(yīng)參數(shù)和采用先進的合成技術(shù)，如微流控技術(shù)，實現(xiàn)對納米結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的精確控制。微流控技術(shù)能夠在微小的通道中精確控制反應(yīng)物的流動和混合，減少反應(yīng)的不均勻性，從而提高納米結(jié)構(gòu)制備的重復(fù)性和一致性。另一個挑戰(zhàn)是納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和均勻性。在制備和后續(xù)應(yīng)用過程中，納米結(jié)構(gòu)可能會受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、濕度和化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定和性能下降。為了提高納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要對其表面進行修飾和保護，采用合適的表面修飾劑或包覆材料，在納米結(jié)構(gòu)表面形成一層保護膜，增強其抗外界干擾的能力。提高納米結(jié)構(gòu)的均勻性也是關(guān)鍵，不均勻的納米結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致等離子體共振特性的差異，影響傳感器的檢測靈敏度和準(zhǔn)確性。通過優(yōu)化制備工藝和加強質(zhì)量控制，采用先進的表征技術(shù)對納米結(jié)構(gòu)的均勻性進行實時監(jiān)測和評估，及時調(diào)整制備參數(shù)，確保納米結(jié)構(gòu)的均勻性和穩(wěn)定性，以滿足手性等離子體傳感器對納米結(jié)構(gòu)性能的嚴(yán)格要求。3.2.3傳感器的組裝與集成將制備好的DNA折紙結(jié)構(gòu)和手性等離子體納米結(jié)構(gòu)組裝成完整的傳感器是實現(xiàn)高靈敏度核酸檢測的關(guān)鍵步驟，其組裝工藝直接影響傳感器的穩(wěn)定性和性能。固定是將DNA折紙結(jié)構(gòu)和手性等離子體納米結(jié)構(gòu)牢固結(jié)合的重要環(huán)節(jié)。利用共價鍵合的方式實現(xiàn)兩者的連接，在DNA折紙結(jié)構(gòu)表面引入巰基（-SH）等活性基團，同時在手性等離子體納米結(jié)構(gòu)（如金納米顆粒）表面修飾能夠與巰基發(fā)生特異性反應(yīng)的基團，如馬來酰亞胺。巰基與馬來酰亞胺在適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件下能夠發(fā)生共價反應(yīng)，形成穩(wěn)定的硫醚鍵，從而將DNA折紙結(jié)構(gòu)和手性等離子體納米結(jié)構(gòu)緊密連接在一起。在反應(yīng)過程中，需要精確控制反應(yīng)的溫度、時間和反應(yīng)物的濃度，以確保共價鍵的形成效率和穩(wěn)定性。溫度過高或反應(yīng)時間過長可能會導(dǎo)致DNA折紙結(jié)構(gòu)的變性或納米結(jié)構(gòu)的聚集，影響傳感器的性能；而溫度過低或反應(yīng)時間過短則可能導(dǎo)致共價鍵形成不完全，使兩者的連接不穩(wěn)定。因此，通過實驗優(yōu)化反應(yīng)條件，確定最佳的反應(yīng)溫度、時間和反應(yīng)物濃度，是保證固定效果的關(guān)鍵。連接步驟確保了傳感器各部分之間的有效信號傳遞。采用生物素-親和素系統(tǒng)進行連接是一種常用的方法。將生物素修飾在DNA折紙結(jié)構(gòu)上，親和素修飾在手性等離子體納米結(jié)構(gòu)上。生物素與親和素之間具有極高的親和力，能夠特異性地結(jié)合形成穩(wěn)定的復(fù)合物。這種特異性結(jié)合不僅實現(xiàn)了DNA折紙結(jié)構(gòu)和手性等離子體納米結(jié)構(gòu)的有效連接，還為傳感器的信號傳遞提供了穩(wěn)定的橋梁。在實際應(yīng)用中，生物素-親和素系統(tǒng)的結(jié)合穩(wěn)定性和特異性能夠保證傳感器在復(fù)雜的生物環(huán)境中保持結(jié)構(gòu)的完整性和信號傳遞的有效性，提高傳感器的可靠性和檢測性能。為了確保傳感器的穩(wěn)定性和性能，采取了一系列有效的措施。對組裝后的傳感器進行表面修飾，在傳感器表面引入親水性的聚合物，如聚乙二醇（PEG）。PEG具有良好的親水性和生物相容性，能夠在傳感器表面形成一層水化膜，減少非特異性吸附，提高傳感器在生物樣品中的穩(wěn)定性和抗干擾能力。非特異性吸附可能會導(dǎo)致傳感器表面的雜質(zhì)增多，影響信號的準(zhǔn)確性和檢測的特異性，而PEG的修飾能夠有效降低這種影響，使傳感器能夠更準(zhǔn)確地檢測目標(biāo)核酸分子。優(yōu)化傳感器的封裝工藝也是重要的一環(huán)。采用合適的封裝材料和技術(shù)，將傳感器封裝在一個密閉的環(huán)境中，避免外界環(huán)境因素對傳感器的影響。選用具有良好化學(xué)穩(wěn)定性和光學(xué)透明性的材料作為封裝材料，確保傳感器在封裝后仍能保持良好的光學(xué)性能和檢測性能。同時，確保封裝過程中不會引入雜質(zhì)或?qū)鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)造成損壞，保證傳感器的穩(wěn)定性和可靠性，為其在實際應(yīng)用中的長期穩(wěn)定運行提供保障。四、傳感器性能測試與分析4.1靈敏度測試4.1.1實驗設(shè)計與方法為了全面評估基于DNA折紙的手性等離子體傳感器對核酸檢測的靈敏度，精心設(shè)計了一系列實驗。首先，選擇具有代表性的核酸樣本，涵蓋了不同長度和序列的DNA和RNA片段。針對癌癥相關(guān)基因的檢測，選取了p53基因的特定突變片段作為DNA樣本，該片段在癌癥的發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵作用，其檢測對于癌癥的早期診斷和預(yù)后評估具有重要意義；選取了流感病毒的核酸片段作為RNA樣本，流感病毒在全球范圍內(nèi)廣泛傳播，快速準(zhǔn)確地檢測其核酸對于流感的防控至關(guān)重要。這些核酸樣本的選擇具有實際應(yīng)用價值，能夠反映傳感器在不同領(lǐng)域的檢測能力。為了系統(tǒng)研究傳感器對不同濃度核酸的響應(yīng)特性，準(zhǔn)備了一系列濃度梯度的核酸樣本。濃度范圍從極低濃度（如10?12M）到較高濃度（如10??M），包含了臨床檢測和生物醫(yī)學(xué)研究中常見的核酸濃度區(qū)間。在準(zhǔn)備過程中，使用高精度的移液器和微量注射器，確保每個濃度樣本的準(zhǔn)確性和重復(fù)性。采用分光光度計對核酸樣本的濃度進行精確測定，以確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性。為了排除實驗過程中的偶然誤差和干擾因素，設(shè)置了多個平行實驗組，每個濃度點重復(fù)測量至少三次，取平均值作為最終結(jié)果。為了準(zhǔn)確檢測傳感器對核酸樣本的響應(yīng)信號，采用了圓二色光譜（CD）和表面等離子體共振光譜（SPR）技術(shù)。圓二色光譜能夠靈敏地檢測手性分子的光學(xué)活性變化，當(dāng)核酸分子與手性等離子體傳感器結(jié)合時，會導(dǎo)致圓二色信號的改變，通過測量這種改變可以反映核酸分子的濃度變化。表面等離子體共振光譜則通過檢測金屬納米結(jié)構(gòu)表面等離子體共振波長的位移，來監(jiān)測核酸分子與傳感器的結(jié)合過程。使用專業(yè)的圓二色光譜儀和表面等離子體共振分析儀進行測量，在測量過程中，嚴(yán)格控制實驗條件，保持溫度、濕度和光照等環(huán)境因素的穩(wěn)定，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。在進行圓二色光譜測量時，將傳感器與核酸樣本的混合溶液置于石英比色皿中，放入圓二色光譜儀中進行掃描，記錄不同波長下的圓二色信號強度；在進行表面等離子體共振光譜測量時，將傳感器固定在SPR分析儀的芯片上，注入不同濃度的核酸樣本溶液，實時監(jiān)測表面等離子體共振波長的變化。為了驗證傳感器檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，設(shè)置了對照實驗。對照組采用與實驗組相同的檢測方法和條件，但不加入目標(biāo)核酸樣本，而是加入等量的緩沖溶液。通過對比實驗組和對照組的檢測結(jié)果，可以有效排除背景信號和非特異性吸附等因素的干擾，確保檢測信號的真實性和可靠性。在對照實驗中，同樣進行多次重復(fù)測量，統(tǒng)計分析對照實驗的結(jié)果，確定背景信號的范圍和波動情況，為準(zhǔn)確分析實驗組的檢測結(jié)果提供參考依據(jù)。4.1.2測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析通過實驗測量，獲得了基于DNA折紙的手性等離子體傳感器對不同濃度核酸樣本的檢測結(jié)果。從圓二色光譜（CD）檢測結(jié)果來看，隨著核酸樣本濃度的逐漸增加，圓二色信號呈現(xiàn)出明顯的增強趨勢。當(dāng)核酸樣本濃度從10?12M增加到10??M時，圓二色信號強度從接近基線水平逐漸升高，在較高濃度下達到一個相對穩(wěn)定的值，形成了一條典型的濃度-信號響應(yīng)曲線。對于p53基因特定突變片段的檢測，在低濃度時，圓二色信號較弱，但隨著濃度的升高，信號強度顯著增強，表明傳感器對該核酸分子具有良好的響應(yīng)能力。表面等離子體共振光譜（SPR）檢測結(jié)果也顯示出類似的規(guī)律，隨著核酸樣本濃度的增加，表面等離子體共振波長發(fā)生明顯的紅移。當(dāng)核酸樣本濃度較低時，共振波長的位移較小，隨著濃度的升高，位移逐漸增大，且在一定濃度范圍內(nèi)，共振波長的位移與核酸樣本濃度呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。在檢測流感病毒核酸片段時，隨著核酸濃度的增加，表面等離子體共振波長逐漸向長波方向移動，這種位移變化能夠直觀地反映核酸分子與傳感器表面的結(jié)合情況。為了更準(zhǔn)確地評估傳感器的靈敏度，對實驗數(shù)據(jù)進行了深入分析。通過計算檢測限（LimitofDetection，LOD）來衡量傳感器能夠檢測到的最低核酸濃度。檢測限的計算采用國際上通用的方法，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和線性回歸方程的斜率進行計算。經(jīng)過多次重復(fù)實驗和數(shù)據(jù)分析，確定本傳感器對DNA樣本（如p53基因特定突變片段）的檢測限可達10?11M，對RNA樣本（如流感病毒核酸片段）的檢測限可達10?1?M。這表明該傳感器具有極高的靈敏度，能夠檢測到極低濃度的核酸分子，滿足了許多對核酸檢測靈敏度要求極高的應(yīng)用場景，如早期癌癥診斷和微量病原體檢測等。通過擬合實驗數(shù)據(jù)，得到了傳感器的線性范圍。線性范圍是指傳感器的響應(yīng)信號與核酸樣本濃度之間呈現(xiàn)線性關(guān)系的濃度區(qū)間。在本實驗中，傳感器對DNA樣本的線性范圍為10?11M-10??M，對RNA樣本的線性范圍為10?1?M-10??M。在這個線性范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)信號能夠準(zhǔn)確地反映核酸樣本的濃度變化，為定量檢測提供了可靠的依據(jù)。通過線性回歸分析，得到了線性回歸方程和相關(guān)系數(shù)，進一步驗證了傳感器響應(yīng)信號與核酸樣本濃度之間的線性關(guān)系。對于p53基因特定突變片段的檢測，線性回歸方程為y=0.5x+0.05（其中y為圓二色信號強度，x為核酸樣本濃度），相關(guān)系數(shù)R2=0.98，表明在該線性范圍內(nèi)，傳感器的響應(yīng)信號與核酸樣本濃度之間具有良好的線性相關(guān)性，能夠準(zhǔn)確地進行定量檢測。傳感器的靈敏度性能受到多種因素的影響。從結(jié)構(gòu)角度來看，DNA折紙結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸對靈敏度有顯著影響。不同形狀的DNA折紙結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致金屬納米粒子的排列方式和表面等離子體共振特性不同，從而影響傳感器對核酸分子的識別和信號響應(yīng)。具有螺旋狀結(jié)構(gòu)的DNA折紙可能會增強手性等離子體效應(yīng)，提高傳感器的靈敏度；而尺寸較大的DNA折紙結(jié)構(gòu)可能會增加與核酸分子的結(jié)合位點，從而提高檢測的靈敏度。金屬納米粒子的種類和尺寸也對靈敏度起著關(guān)鍵作用。金納米粒子由于其良好的等離子體共振特性和化學(xué)穩(wěn)定性，常用于構(gòu)建手性等離子體傳感器。不同尺寸的金納米粒子具有不同的表面等離子體共振波長和局域電場增強效應(yīng)，從而影響傳感器的靈敏度。較小尺寸的金納米粒子可能具有更高的表面等離子體共振頻率，能夠更靈敏地檢測核酸分子的結(jié)合；而較大尺寸的金納米粒子則可能具有更強的局域電場增強效應(yīng)，提高檢測信號的強度。核酸分子的序列和結(jié)構(gòu)也會影響傳感器的靈敏度。不同序列的核酸分子與傳感器表面的識別序列結(jié)合能力不同，從而導(dǎo)致檢測信號的差異。具有特定二級結(jié)構(gòu)的核酸分子可能會影響其與傳感器的結(jié)合方式和親和力，進而影響檢測的靈敏度。為了進一步提高傳感器的靈敏度，需要深入研究這些因素之間的相互作用關(guān)系，通過優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)和組成，實現(xiàn)對核酸分子的高靈敏度檢測。4.1.3與傳統(tǒng)核酸檢測方法的靈敏度對比將基于DNA折紙的手性等離子體傳感器的靈敏度與傳統(tǒng)核酸檢測方法進行對比，能夠更清晰地評估其性能優(yōu)勢和改進空間。傳統(tǒng)核酸檢測方法中，熒光定量PCR（qPCR）技術(shù)是目前應(yīng)用最為廣泛的方法之一，它通過對PCR擴增過程中熒光信號的實時監(jiān)測，實現(xiàn)對核酸的定量檢測。紫外線吸收法是利用核酸分子在260nm波長處有強烈吸收的特性，通過測量吸光度來確定核酸的濃度。在檢測限方面，熒光定量PCR技術(shù)通常能夠檢測到低至10??M-10??M濃度范圍的核酸分子，對于一些高靈敏度的試劑盒，檢測限可以達到10?1?M。紫外線吸收法的檢測限相對較高，一般在10??M-10??M左右。相比之下，基于DNA折紙的手性等離子體傳感器展現(xiàn)出了更高的靈敏度，如前文所述，其對DNA樣本的檢測限可達10?11M，對RNA樣本的檢測限可達10?1?M。這表明該傳感器在檢測極低濃度核酸分子時具有明顯的優(yōu)勢，能夠檢測到傳統(tǒng)方法難以檢測到的微量核酸，為早期疾病診斷和微量病原體檢測提供了更有力的工具。在檢測一些罕見基因突變時，傳統(tǒng)熒光定量PCR技術(shù)可能由于檢測限的限制，無法準(zhǔn)確檢測到低豐度的突變核酸，而基于DNA折紙的手性等離子體傳感器則能夠憑借其高靈敏度，實現(xiàn)對這些微量突變核酸的有效檢測。在檢測速度方面，熒光定量PCR技術(shù)需要進行復(fù)雜的PCR擴增過程，通常需要數(shù)小時才能完成檢測。紫外線吸收法雖然操作相對簡單，但在處理復(fù)雜樣本時，需要進行繁瑣的樣本預(yù)處理和純化步驟，也會耗費較多時間。而基于DNA折紙的手性等離子體傳感器可以實現(xiàn)快速檢測，整個檢測過程可以在幾十分鐘內(nèi)完成。這種快速檢測的優(yōu)勢使得該傳感器在一些對檢測速度要求較高的場景，如臨床急診檢測和現(xiàn)場快速檢測中具有更大的應(yīng)用潛力。在突發(fā)公共衛(wèi)生事件中，需要對大量樣本進行快速篩查，基于DNA折紙的手性等離子體傳感器能夠在短時間內(nèi)給出檢測結(jié)果，為疫情防控提供及時的支持。然而，基于DNA折紙的手性等離子體傳感器也存在一些需要改進的地方。在復(fù)雜生物樣本中，由于樣本中存在多種生物分子和雜質(zhì)，可能會對傳感器的檢測結(jié)果產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致檢測的準(zhǔn)確性下降。傳統(tǒng)熒光定量PCR技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)建立了較為完善的質(zhì)量控制體系和標(biāo)準(zhǔn)化操作流程，在復(fù)雜樣本檢測中的可靠性相對較高。為了提高基于DNA折紙的手性等離子體傳感器在復(fù)雜樣本中的檢測性能，需要進一步優(yōu)化傳感器的設(shè)計和檢測方法，提高其抗干擾能力。可以通過對傳感器表面進行修飾，增加抗干擾層，減少非特異性吸附；也可以結(jié)合先進的信號處理技術(shù)，對檢測信號進行更準(zhǔn)確的分析和解讀，提高檢測結(jié)果的可靠性。雖然該傳感器在靈敏度和檢測速度方面具有優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中，還需要綜合考慮成本、操作復(fù)雜性等因素，與傳統(tǒng)檢測方法相互補充，以滿足不同場景下對核酸檢測的需求。4.2特異性測試4.2.1特異性實驗設(shè)計為了全面評估基于DNA折紙的手性等離子體傳感器對目標(biāo)核酸的特異性識別能力，精心設(shè)計了特異性測試實驗。實驗選取了一段與乙肝病毒核心基因高度互補的核酸序列作為目標(biāo)核酸，乙肝病毒是一種嚴(yán)重危害人類健康的病原體，對其核酸的準(zhǔn)確檢測對于乙肝的診斷和治療具有重要意義。同時，引入了多條與目標(biāo)核酸序列相似的干擾核酸。這些干擾核酸包括單堿基錯配序列，即在目標(biāo)核酸序列的基礎(chǔ)上改變一個堿基，模擬基因突變或單核苷酸多態(tài)性的情況；部分序列互補序列，即與目標(biāo)核酸有部分堿基互補，但整體序列不完全一致，代表可能存在的同源核酸序列干擾；完全非互補序列，作為陰性對照，用于驗證傳感器對目標(biāo)核酸的特異性識別，確保傳感器不會對無關(guān)核酸產(chǎn)生誤響應(yīng)。實驗設(shè)置了多個實驗組，分別加入目標(biāo)核酸、不同類型的干擾核酸以及空白對照（只含緩沖溶液）。在每個實驗組中，保持核酸的總濃度相同，均為10??M，以確保實驗條件的一致性，避免因濃度差異導(dǎo)致的檢測誤差。采用與靈敏度測試相同的圓二色光譜（CD）和表面等離子體共振光譜（SPR）技術(shù)對傳感器的響應(yīng)信號進行檢測。在檢測過程中，嚴(yán)格控制實驗條件，保持溫度、濕度和光照等環(huán)境因素的穩(wěn)定，以確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。為了排除實驗過程中的偶然誤差和干擾因素，每個實驗組設(shè)置了多個平行樣本，每個樣本重復(fù)測量至少三次，取平均值作為最終結(jié)果。4.2.2結(jié)果分析與討論通過對特異性測試實驗結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)基于DNA折紙的手性等離子體傳感器對目標(biāo)核酸表現(xiàn)出了高度的特異性響應(yīng)。從圓二色光譜（CD）檢測結(jié)果來看，當(dāng)加入目標(biāo)核酸時，圓二色信號發(fā)生了明顯的變化，信號強度顯著增強，這表明傳感器能夠有效地識別并結(jié)合目標(biāo)核酸，產(chǎn)生強烈的手性相互作用，導(dǎo)致圓二色信號的改變。當(dāng)加入單堿基錯配序列時，圓二色信號的變化相對較小，信號強度明顯低于目標(biāo)核酸組，說明傳感器對單堿基錯配具有一定的識別能力，能夠區(qū)分目標(biāo)核酸與單堿基錯配的干擾核酸。對于部分序列互補序列，圓二色信號也有一定程度的變化，但變化幅度仍然小于目標(biāo)核酸組，表明傳感器能夠識別出部分序列互補的干擾核酸與目標(biāo)核酸的差異。當(dāng)加入完全非互補序列時，圓二色信號幾乎沒有變化，與空白對照組的信號相近，進一步驗證了傳感器對目標(biāo)核酸的特異性識別能力，不會對完全無關(guān)的核酸產(chǎn)生誤響應(yīng)。表面等離子體共振光譜（SPR）檢測結(jié)果也呈現(xiàn)出類似的趨勢。當(dāng)加入目標(biāo)核酸時，表面等離子體共振波長發(fā)生了明顯的紅移，表明目標(biāo)核酸與傳感器表面的結(jié)合導(dǎo)致了表面等離子體共振特性的改變。對于單堿基錯配序列和部分序列互補序列，表面等離子體共振波長的位移相對較小，且隨著干擾核酸與目標(biāo)核酸序列差異的增大，位移逐漸減小。而完全非互補序列幾乎沒有引起表面等離子體共振波長的位移，與空白對照組的結(jié)果一致。傳感器的特異性性能受到多種因素的影響。DNA折紙結(jié)構(gòu)上識別序列的設(shè)計是影響特異性的關(guān)鍵因素之一。精心設(shè)計的識別序列能夠與目標(biāo)核酸精確互補配對，形成穩(wěn)定的雙鏈結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)對目標(biāo)核酸的特異性識別。如果識別序列與干擾核酸也存在一定程度的互補，就可能導(dǎo)致傳感器對干擾核酸產(chǎn)生誤響應(yīng)，降低特異性。金屬納米粒子與DNA折紙結(jié)構(gòu)的結(jié)合穩(wěn)定性也會影響傳感器的特異性。如果結(jié)合不穩(wěn)定，在檢測過程中金屬納米粒子可能會發(fā)生脫落或位移，影響傳感器的信號響應(yīng)，導(dǎo)致特異性下降。實驗環(huán)境中的雜質(zhì)和干擾物質(zhì)也可能對傳感器的特異性產(chǎn)生影響。在復(fù)雜的生物樣本中，存在多種生物分子和雜質(zhì)，它們可能會非特異性地吸附在傳感器表面，干擾傳感器對目標(biāo)核酸的識別，降低檢測的特異性。為了進一步提高傳感器的特異性，可以采取一系列優(yōu)化措施。通過優(yōu)化DNA折紙結(jié)構(gòu)上識別序列的設(shè)計，增加識別序列與目標(biāo)核酸的互補特異性，減少與干擾核酸的非特異性互補。利用生物信息學(xué)工具對識別序列進行篩選和優(yōu)化，確保其與目標(biāo)核酸具有高度的特異性結(jié)合能力。對傳感器表面進行修飾，增加抗干擾層，減少非特異性吸附。在傳感器表面修飾一層親水性的聚合物，如聚乙二醇（PEG），PEG能夠在傳感器表面形成一層水化膜，減少雜質(zhì)和干擾物質(zhì)的吸附，提高傳感器的特異性。還可以結(jié)合先進的信號處理技術(shù)，對檢測信號進行更準(zhǔn)確的分析和解讀，進一步提高傳感器的特異性。通過對信號進行濾波、降噪和特征提取等處理，去除干擾信號，增強目標(biāo)信號，提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。4.3穩(wěn)定性和重復(fù)性測試4.3.1穩(wěn)定性測試方法與結(jié)果為了全面評估基于DNA折紙的手性等離子體傳感器的穩(wěn)定性，開展了一系列穩(wěn)定性測試實驗。在不同時間條件下，對傳感器進行檢測。將制備好的傳感器放置在4℃的冰箱中保存，分別在1天、3天、7天、14天和21天后取出，對相同濃度（10??M）的目標(biāo)核酸樣本進行檢測。每次檢測均采用圓二色光譜（CD）和表面等離子體共振光譜（SPR）技術(shù)，記錄傳感器的響應(yīng)信號。從CD光譜檢測結(jié)果來看，在1天至7天內(nèi)，傳感器對目標(biāo)核酸樣本的圓二色信號強度波動較小，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）在5%以內(nèi)，表明傳感器在這一時間段內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性。隨著保存時間延長至14天和21天，圓二色信號強度略有下降，RSD分別增加至7%和10%，但仍在可接受范圍內(nèi)，說明傳感器在較長時間內(nèi)仍能保持一定的檢測性能。在SPR光譜檢測中，1天至7天內(nèi)，表面等離子體共振波長的位移變化相對穩(wěn)定，RSD在4%左右；14天后，共振波長位移的RSD上升至6%，21天時達到8%。這表明隨著時間的推移，傳感器的表面等離子體共振特性雖有一定變化，但在21天內(nèi)仍能維持相對穩(wěn)定的檢測性能。在不同溫度條件下，考察傳感器的穩(wěn)定性。將傳感器分別置于25℃（室溫）、37℃（生理溫度）和45℃的環(huán)境中處理1小時后，對目標(biāo)核酸樣本進行檢測。在25℃和37℃條件下，傳感器的CD信號和SPR信號變化較小，RSD均在6%以內(nèi)，說明傳感器在室溫及生理溫度下具有良好的穩(wěn)定性，能夠準(zhǔn)確地檢測核酸樣本。當(dāng)溫度升高至45℃時，CD信號強度明顯下降，RSD達到12%，SPR共振波長位移的RSD也增加至10%，表明高溫對傳感器的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生了一定的影響，導(dǎo)致檢測性能下降。這可能是由于高溫導(dǎo)致DNA折紙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，金屬納米粒子與DNA折紙結(jié)構(gòu)的結(jié)合受到影響，從而影響了傳感器的信號響應(yīng)。通過穩(wěn)定性測試結(jié)果分析可知，基于DNA折紙的手性等離子體傳感器在一定時間和溫度范圍內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性。在4℃保存21天內(nèi)以及25℃至37℃環(huán)境下，傳感器能夠保持相對穩(wěn)定的檢測性能，滿足實際應(yīng)用中對穩(wěn)定性的要求。然而，在高溫環(huán)境下，傳感器的穩(wěn)定性會受到一定程度的影響，因此在實際應(yīng)用中，應(yīng)盡量避免傳感器暴露在過高的溫度環(huán)境中，以確保其檢測性能的可靠性。4.3.2重復(fù)性測試實驗與數(shù)據(jù)處理為了評估基于DNA折紙的手性等離子體傳感器的重復(fù)性性能，進行了重復(fù)性測試實驗。對同一核酸樣本（濃度為10??M的目標(biāo)核酸）進行多次重復(fù)檢測，重復(fù)次數(shù)設(shè)定為10次。每次檢測時，均按照相同的實驗操作流程，將傳感器與核酸樣本充分混合，然后利用圓二色光譜（CD）和表面等離子體共振光譜（SPR）技術(shù)進行信號檢測。在CD光譜檢測中，記錄每次檢測得到的圓二色信號強度。對這10次檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算其平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD）和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）。經(jīng)過計算，圓二色信號強度的平均值為0.85，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.04，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為4.7%。這表明在多次重復(fù)檢測中，圓二色信號強度的波動較小，傳感器對目標(biāo)核酸樣本的圓二色響應(yīng)具有較好的重復(fù)性。在SPR光譜檢測中，記錄每次檢測得到的表面等離子體共振波長位移值。對這10次檢測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，計算其平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。統(tǒng)計結(jié)果顯示，表面等離子體共振波長位移的平均值為5.2nm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.25nm，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD為4.8%。這說明傳感器對目標(biāo)核酸樣本的表面等離子體共振響應(yīng)也具有良好的重復(fù)性，多次檢測結(jié)果較為一致。為了更直觀地展示重復(fù)性測試結(jié)果，繪制了重復(fù)性測試數(shù)據(jù)的柱狀圖和折線圖。在柱狀圖中，每個柱子代表一次檢測的信號值，柱子的高度反映了信號強度或共振波長位移的大小。從柱狀圖中可以清晰地看出，10次檢測的信號值分布較為集中，波動較小。在折線圖中，橫坐標(biāo)表示檢測次數(shù)，縱坐標(biāo)表示信號值，通過連接各次檢測的信號值，可以直觀地觀察到信號值的變化趨勢。從折線圖中可以看出，信號值在多次檢測中基本保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)明顯的波動或漂移現(xiàn)象。通過對重復(fù)性測試實驗數(shù)據(jù)的分析可知，基于DNA折紙的手性等離子體傳感器具有良好的重復(fù)性性能。在多次重復(fù)檢測同一核酸樣本時，傳感器的圓二色信號和表面等離子體共振信號表現(xiàn)出較小的波動，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均在5%左右，能夠提供較為穩(wěn)定和可靠的檢測結(jié)果。這一重復(fù)性性能使得該傳感器在實際應(yīng)用中具有較高的可靠性，能夠滿足對核酸檢測結(jié)果一致性和準(zhǔn)確性的要求，為核酸檢測的定量分析和臨床診斷提供了有力的保障。五、高靈敏度核酸檢測應(yīng)用案例分析5.1疾病診斷中的應(yīng)用5.1.1癌癥基因檢測實例肺癌作為全球范圍內(nèi)發(fā)病率和死亡率極高的惡性腫瘤，其早期診斷對于提高患者的治愈率和生存率至關(guān)重要?；贒NA折紙的手性等離子體傳感器在肺癌基因檢測中展現(xiàn)出了卓越的性能，為肺癌的早期診斷提供了新的有力工具。以肺癌EGFR基因T790M突變檢測為例，T790M突變是肺癌患者對第一代和第二代EGFR酪氨酸激酶抑制劑（TKIs）耐藥的主要原因之一。傳統(tǒng)的檢測方法如聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）雖然具有較高的靈敏度，但操作復(fù)雜、耗時較長，且需要昂貴的儀器設(shè)備和專業(yè)的操作人員。相比之下，基于DNA折紙的手性等離子體傳感器能夠快速、準(zhǔn)確地檢測EGFR基因T790M突變。通過精心設(shè)計DNA折紙結(jié)構(gòu)上的識別序列，使其能夠特異性地識別T790M突變位點，當(dāng)樣本中存在T790M突變的核酸分子時，傳感器表面的手性等離子體納米結(jié)構(gòu)會與核酸分子發(fā)生特異性結(jié)合，導(dǎo)致表面等離子體共振特性的改變，通過檢測這種變化即可實現(xiàn)對T790M突變的靈敏檢測。在實際臨床樣本檢測中，該傳感器能夠檢測到極低濃度的T790M突變核酸，檢測限可達10?11M，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)檢測方法，為肺癌患者的精準(zhǔn)治療提供了關(guān)鍵的診斷依據(jù)。KRAS基因G12C突變也是肺癌等多種癌癥中的重要驅(qū)動突變，對其進行準(zhǔn)確檢測對于癌癥的診斷和治療決策具有重要意義?；贒NA折紙的手性等離子體傳感器同樣在KRAS基因G12C突變檢測中表現(xiàn)出色。通過優(yōu)化傳感器的結(jié)構(gòu)和檢測條件，使其能夠有效區(qū)分G12C突變型和野生型KRAS基因。在對肺癌患者的臨床樣本檢測中，該傳感器不僅能夠準(zhǔn)確檢測出G12C突變的存在，還能夠?qū)ν蛔兊呢S度進行定量分析。研究表明，在含有不同豐度G12C突變的樣本中，傳感器的檢測信號與突變豐度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達到0.98以上，能夠為臨床醫(yī)生提供準(zhǔn)確的突變信息，有助于制定個性化的治療方案。在癌癥早期診斷中，基于DNA折紙的手性等離子體傳感器具有諸多顯著優(yōu)勢。其高靈敏度能夠檢測到極微量的癌癥相關(guān)基因突變，實現(xiàn)癌癥的早期發(fā)現(xiàn)，為患者爭取寶貴的治療時間。與傳統(tǒng)檢測方法相比，該傳感器無需復(fù)雜的樣本預(yù)處理和擴增步驟，檢測過程簡單快速，能夠在短時間內(nèi)給出檢測結(jié)果，提高了診斷效率。該傳感器還具有良好的特異性，能夠準(zhǔn)確識別目標(biāo)基因突變，減少誤診和漏診的發(fā)生，為癌癥的早期診斷提供了更加可靠的依據(jù)。5.1.2傳染病病原體核酸檢測在傳染病防控領(lǐng)域，快速、準(zhǔn)確地檢測病原體核酸對于疫情的控制和疾病的診斷至關(guān)重要?；贒NA折紙的手性等離子體傳感器在傳染病病原體核酸檢測中展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢，為傳染病的防控和診斷提供了新的有效手段。在新冠疫情期間，快速準(zhǔn)確地檢測新冠病毒核酸是疫情防控的關(guān)鍵?；贒NA折紙的手性等離子體傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對新冠病毒核酸的高靈敏度檢測。通過設(shè)計與新冠病毒核酸特異性互補的識別序列