[发明专利]一种石墨烯诱导的能量转移量化生物分子的结构和动力学的方法和装置

说明书

本发明涉及生物分子的结构和活性测定，属于生物传感器应用领域。具体地，本发明通过开发双亲性涂层获得生物功能化的石墨烯层，由此制得作为对生物分子敏感的传感器，可以对蛋白质结构进行亚纳米精度的分析以及对核酸分子杂交进行灵敏检测。本发明用双亲性涂层获得的生物功能化石墨烯层、对生物分子的结构和活性的分析方法以及获得的传感装置在科学研究、医学诊断和药物筛选中具有广泛的应用。

技术领域

本发明整体涉及生物分子的结构和活性测定。更具体地，本发明涉及制造具有支撑层和在该支撑层上的生物功能化石墨烯层的装置的方法，以及此类装置用于测定生物分子尤其是核苷酸杂交、蛋白质和蛋白质复合物的结构和结构动力学的用途。本发明还涉及用于石墨烯生物功能化的新型化合物，尤其是用于石墨烯层的非共价表面涂覆的新型两亲性分子，以及它们在本发明的制造方法和装置中的用途。

背景技术

关于蛋白质和蛋白质复合物结构的知识对于了解它们的功能(尤其是在制药应用的背景下)至关重要。基于Foerster(荧光)共振能量转移(FRET)的荧光方法已经广泛用于蛋白质结构的探索。在不需要复杂仪器的情况下，FRET及其衍生的发光(或基于镧系元素)共振能量转移(LRET)方法报告了蛋白质在活细胞复杂生物环境中的结构动力学。

FRET的速率随着分子间距离r和Foerster半径R₀的(r/R₀)^-6相关性而急剧衰减。由于R₀通常为几纳米，因此FRET的有效范围在10nm内。然而，许多蛋白质都具有扩展超过该距离的流体动力学半径。由多个亚基组成的蛋白质复合物具有数十纳米的大尺寸也是相当常见的。因此，本领域亟需开发空间精度类似于FRET但灵敏度距离延长的方法。

石墨烯附近荧光发色团的荧光猝灭已经在生物传感中得到广泛应用。在靠近但未接触石墨烯的情况下，受激荧光发色团与石墨烯等离激元发生远距离无辐射电磁耦合。这种现象类似于金属诱导的能量转移(MIET)(Chizhik等人，2014年，Nature Photonics，第8卷，第124页)，并且在下文中称为石墨烯诱导的能量转移(GIET)。

石墨烯的原子厚度确保了高光学透明度和极高的等离激元约束。理论计算已经预测，GIET的能量转移速率与到石墨烯的垂直距离d的关系为d^-4(Swathi等人，2009年，TheJournal of Chemical Physics，第130卷第8期，第086-101页)。预测GIET的灵敏区域高达30nm，这对于结构生物学来说非常有吸引力。然而，对于GIET在蛋白质结构分析中的应用，石墨烯的表面生物功能化为关键的先决条件。必须避免石墨烯电子性质的恶化，同时应保持蛋白质和蛋白质复合物的结构完整性。常用的石墨烯氧化引入了对碳键的修饰。这些修饰可影响石墨烯等离激元(Dreyer等人，2010年，Chemical Society Reviews，第39卷第1期，第228页)，从而改变了GIET的距离相关性方式。由于这些原因，石墨烯的非共价生物功能化成为基本要求。此外，蛋白质在非共价修饰的石墨烯上的位点特异性固定有利于确保完整的蛋白质功能性和受控的蛋白质取向。

本领域需要使用GIET来定量检测大量生物分子的结构和动力学的新型方法以及开发用于石墨烯的非共价生物功能化的新型化合物。此类基于GIET的方法及其产品可以减少样品消耗并节省分析时间，同时可以通过将GIET装置与微流控系统、采样系统等集成来实现候选药物的自动大规模筛选。本发明通过本文所公开和要求保护的主题来解决本领域的需求。

发明内容

本发明提供了一种制造具有支撑层和在该支撑层上的生物功能化石墨烯层的装置的新型方法，以及此类装置用于杂交、测定生物分子尤其是核苷酸、蛋白质和蛋白质复合物的结构和动力学的用途。此外，本发明提供了用于石墨烯生物功能化的新型化合物，尤其是用于石墨烯层的非共价表面涂覆的新型两亲性分子，以及它们在本发明的制造方法和装置中的用途。