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新型智能手机电化学生物传感平台及其对生物肿瘤标志物的即时检测认领

作者：

石珊珊

学位授予单位：

济南大学

摘要：

随着社会经济的发展和科技的进步,人们对健康问题的关注度不断提高。尽管现代医疗水平得到了显著提升,但是医院作为主要的医疗资源仍然存在一定限制。在日常生活中,人们对于健康管理需求更加多样化和个性化。即时检测（Point-of-Care Testing,POCT）技术的出现,为实现人们的日常家庭医疗检测提供了可能。如今,智能手机已经成为人们日常生活中不可或缺的工具之一,并且具有广泛普及率,在推动POCT发展方面也起到了重要作用。随着电化学生物传感技术与智能手机平台的结合,POCT检测技术迎来了新的发展机遇。基于智能手机的电化学生物传感平台是一种方便、快速、准确的现场检测工具,它将生物学、电化学和智能终端相结合,可以在短时间内提供准确的结果。本课题的重点是利用纳米材料对传感界面的调控及酶信号放大技术,同时利用印刷电极的多元分析能力,并结合电化学生物传感和智能手机自身的特点和优势,开发一种基于智能手机的便携式电化学生物传感即时检测平台,实现了对肿瘤标志物的高灵敏和高选择性检测。本论文的研究工作主要包括以下四部分: （1）基于Bi-Sb复合材料的免标记电化学传感器用于HER-2的即时检测。人表皮生长因子受体2（HER-2）作为乳腺癌的预后生物标志物,具有重要的诊断价值。本方法采用简单的等温技术合成了Bi-Sb AMs纳米复合材料,并将其滴在丝网印刷电极（SPE）上。由于Bi-Sb AMs具有高的电导率和大的比表面积,能够显著促进电子转移并为适配体探针提供更多的活性位点。随后,在壳聚糖和戊二醛的辅助下,将HER-2的适配体（Apt）固定在Bi-Sb AMs/SPE上。当HER-2存在时,Apt能够特异性地与HER-2结合形成Apt/HER-2复合物。由于HER-2具有较大的体积和较低的电导率,阻碍了[Fe（CN）6]3-/4-与工作电极表面之间的电子传递,从而导致[Fe（CN）6]3-/4-的氧化还原电流减小。基于加入HER-2前后[Fe（CN）6]3-/4-电流变化实现了对HER-2的检测。POCT装置由修饰的丝网印刷电极（SPE）(传感单元)、Sensit Smart USB电化学分析仪（信号传输单元）和智能手机（信号输出单元）组成。用Sensit Smart USB电化学分析仪和智能手机取代笨重的电化学站和计算机,这种便携式装置可以实现HER-2的即时检测。在乳腺癌的预防、诊断、治疗以及病人的预后实时监测中具有潜在的应用前景。（2）基于Zr6MOFs信号放大的智能手机电化学传感用于CEA的即时检测。癌胚抗原（CEA）是一种在癌细胞中高表达的生物标志物。CEA的高灵敏度、高选择性检测在恶性肿瘤的诊断、监测和疗效评价中具有重要的临床价值。本研究基于Zr6MOFs信号放大策略,开发了一种基于智能手机的电化学即时检测（POCT）平台,用于CEA的检测。将二茂铁标记的DNA链（Fc-DNA）固定在Zr6MOFs上,形成Fc-DNA/Zr6MOFs信号探针。通过Au-S键将捕获探针c DNA和CEA适配体形成的双链DNA（ds DNA）组装在丝网印刷电极上。当添加CEA时,适配体特异性地与CEA结合,导致c DNA暴露。然后,通过Fc-DNA与c DNA杂交,将Fc-DNA/Zr6MOFs信号探针引入电极表面。通过测定Fc的电化学响应,实现了对CEA的检测。由于Zr6MOFs表面可以结合大量Fc-DNA信号标签,可以显著增大Fc的电流强度,从而提高检测的灵敏度。该装置通过Sensit Smart U盘式电化学分析仪与智能手机连接可以对CEA进行即时检测。所构建的即时检测平台具有灵敏度高、线性范围宽和检出限低的特点。所开发的POCT平台已用于实际人血清样品中CEA的检测,结果满意,表明该平台在肿瘤的临床诊断和监测中具有一定的潜力。（3）基于双信号输出新策略的智能电化学感应平台用于CEA的即时检测。目前所发展的电化学方法大多是单信号响应,单信号检测很容易受到某些因素的干扰而出现假阳性或假阴性的结果。因此,在基于单信号的系统中,一些假阳性或假阴性结果不能轻易排除。相比之下,双信号策略可以相互确证,能够有效避免假阳性或假阴性结果的产生,可靠性和准确度更高。本研究基于二茂铁（Fc）和Pd Pt@Zr6MOFs双信号标记策略,开发了一种基于智能手机的双信号输出电化学适配体传感平台,用于癌胚抗原（CEA）的即时检测（POCT）。制备的Pd Pt@Zr6MOFs纳米复合材料具有类酶性质,对H2O2的电还原反应表现出很强的催化性能。二茂铁标记的DNA链（Fc-DNA）与P-Apt杂交形成P-ds DNA,然后通过Au-S键将P-ds DNA固定在纳米金修饰的电极上。磷酸基标记的适配体（P-Apt）可以通过Zr-O-P键捕获Pd Pt@Zr6MOFs形成Pd Pt@Zr6MOFs-P-ds DNA。当CEA存在时,由于P-Apt与CEA之间特定的亲和力,迫使Pd Pt@Zr6MOFs-P-Apt离开电极表面,导致H2O2的还原电流减小。同时Fc-DNA链由直链变为发夹结构,将Fc拉近电极表面,导致Fc的氧化电流增大。因此,可以通过H2O2还原电流的减小和Fc氧化电流的增大这两个信号准确地测定CEA,避免了假阳/阴性信号的产生。在最优条件下,所制备的传感器对CEA的检测范围为1 pg·m L-1～100ng·m L-1,以Fc和Pd Pt@Zr6MOFs为信号标记,检出限分别为0.98 pg·m L-1和0.27 pg·m L-1。本研究开发的电化学适配体传感平台已经成功地证明了其在人血清样品中检测CEA的能力。结果表明,该传感平台在临床肿瘤诊断和监测方面具有很大的潜力。（4）基于磁性FeCo@C空心纳米酶构建免固定比率型智能手机电化学传感平台用于CEA的即时检测。电化学生物传感器基本上需要将生物识别元件固定在电极表面。优异的生物传感性能通常需要精确控制固定条件,以有效调节生物识别元件的组装密度。此外,溶液和电极表面两相界面上的生物识别容易影响生物识别效率和信号放大。综上所述,基于固定化的电化学生物传感受到修饰过程繁琐、操作难度加大、重现性和稳定性差的限制。因此,制定一项消除上述限制的理想战略是极为重要的。考虑到材料磁性、催化性以及选择性等因素。在这项工作中,基于磁性FeCo@C空心纳米酶,构建了一种免固定比率型智能手机电化学传感平台,用于CEA的即时检测。首先,在FeCo-PBA材料表面覆盖聚多巴胺（FeCo-PBA@PDA）,然后一步煅烧FeCo-PBA@PDA,合成了具有独特中空纳米结构的碳保护FeCo双金属氧化物（FeCo@C HCs）。由于PDA的碳保护框架和FeCo双金属氧化物的协同作用,该纳米酶具有出色的类过氧化物酶活性,可以有效催化过氧化氢分解。根据酶的模拟活性受到特异性适配体的显著抑制,因此可以通过适配体-靶标识别来恢复酶活性的传感策略,建立一种简单的免固定比率型智能手机电化学传感平台,用于CEA的即时检测。在最优条件下,所制备的比率传感器平台对CEA的检测范围为1 pg·m L-1～10 ng·m L-1,以Fc和FeCo@C HCs为双信号标记,检出限为0.33 pg·m L-1。本研究开发的免固定比率型智能手机电化学传感平台已经成功地证明了其在人血清样品中检测CEA的能力。这些结果表明,该传感平台在临床肿瘤诊断和监测方面具有很大的潜力。

摘要译文

关键词：

智能手机; 即时检测; 生物标志物; 电化学生物传感器; U盘式分析仪

学位年度：

2024

学位类型：

博士

学科专业：

化学

导师：

王怀生赵怀庆

中图分类号：

O657.1[电化学分析法⑨];TP212.3[生物传感器、医学传感器⑨];R730.4[肿瘤诊断学]

学科分类号：

070302[分析化学];081704[应用化学];081706[分子化工];080403[科学仪器技术与工程];080404[生物医学仪器及技术];081102[检测技术与自动化装置];1002[临床医学]

D O I：

10.27166/d.cnki.gsdcc.2024.000010