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基于新型刺激响应聚合物电化学检测生物分子认领

被引量： 1

作者：

丁姝姝

学位授予单位：

华东师范大学

摘要：

研究表明,阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)的发病机制与多种生物分子密切相关。然而脑源性生物分子浓度低,生理环境复杂,设计具有高灵敏度、高选择性,并且能够实现多个生物分子共同检测的传感方法有利于理解生物分子在AD病理过程中的作用和相互关系,便于疾病诊断与治疗。本论文基于“识别-介导-功能”(Recognition-Mediating-Function,“RMF”)设计理念,设计合成了多种新型刺激响应聚合物。与小分子有机探针相比,该三单元刺激响应聚合物具有识别作用强、信号转导效率高的优点。此外,基于聚合物功能集成效应,我们可将多种刺激响应性单元引入到同一聚合物中,实现多种AD相关生物分子的共同检测。考虑到电化学方法在分析化学检测领域的优良特性,我们将合成的刺激响应聚合物修饰于丝网印刷电极表面,基于生物分子识别诱导聚合物构象和浸润性发生转变,促进信号分子和目标物的传输与富集的原理,实现目标分子的信号放大检测。与传统的电化学传感器相比,纳米孔技术将生物分子的相互作用从溶液发展到限域空间,孔道内微小的物理/化学性质变化即会影响离子传输,从而实现生物分子的超灵敏检测。此外,与生物纳米孔相比,人工制备的玻璃锥形纳米孔具有制备简单、成本低、尺寸可调、理化性质稳定及表面易修饰等优点。因此本文还将新型刺激响应聚合物与玻璃锥形纳米孔相结合,基于聚合物构象转变或孔壁电荷变化影响孔道内离子电流传输实现目标分子的检测。为了研究不同生物分子在AD病理过程中的作用,我们设计了双重刺激响应聚合物,在同一平台上,实现了两种生物分子的检测。此外,通过与微渗析活体取样技术相结合,我们利用以上方法实现了AD小鼠不同脑区相关目标分子的测定。具体来说,本论文包括以下五个方面的工作:第一章绪论本章主要介绍了AD相关分子的研究背景和检测方法、刺激响应聚合物的性质、分类、合成方法及应用,着重介绍了基于“RMF”设计理念的刺激响应聚合物的制备与性质以及刺激响应聚合物在电化学传感领域的应用,最后提出了论文构思。第二章基于刺激响应聚合物/石墨烯复合材料电化学信号放大检测单糖对映异构体在本工作中,我们首次设计并构建了一种基于新型刺激响应聚合物/石墨烯复合材料的电化学传感器,并实现了对单糖分子的信号放大检测与手性区分。一方面,当聚合物与单糖分子通过多重氢键结合后,聚合物链舒张,电极活性面积增大,电活性探针易于接近电极表面发生氧化还原反应,从而实现单糖分子的电化学检测。另一方面,聚合物链的构象变化诱导其浸润性发生改变,电活性探针及单糖分子易于富集在电极表面,电化学检测信号显著增强。本工作中葡萄糖的检测限可达1 n M。基于聚合物中二肽功能单元的手性识别作用,该方法还可用于不同单糖对映异构体的手性区分。此外,该传感器具有良好的选择性。最后,我们将其应用于癌细胞对葡萄糖对映异构体的选择性摄取监测并探讨葡萄糖在细胞膜表面的传输机制。基于该传感器优异的分析性能以及“RMF”模块化刺激响应聚合物的设计理念,该工作为AD相关生物分子的电化学信号放大检测提供了理论基础和方法指导。第三章基于硼酸共聚物修饰电极-微渗析活体取样联用技术对阿尔茨海默症鼠脑内唾液酸的识别研究作为细胞膜的重要组成部分,唾液酸(SA)与AD的发生及病情发展密切相关。开发具有高灵敏度、高选择性的唾液酸活体检测方法对深入了解唾液酸在AD中的作用具有重要意义。在本工作中,基于“RMF”设计理念,我们首次设计合成了以苯硼酸为识别单元的三单元刺激响应聚合物,发展了一种对唾液酸具有高灵敏度、高选择性的刺激响应聚合物功能化电化学传感器。基于唾液酸与聚合物功能单元间的多重氢键作用,聚合物链构象和浸润性发生转变,电活性探针及目标分子易于接近并富集于电极表面,从而实现了唾液酸的高灵敏检测,最低检测限可达到0.4 p M。此外,由于分子间氢键具有立体选择性;同时,生理条件下,苯硼酸与唾液酸之间能够形成极稳定的三角络合物。因此,该传感器表现出良好的选择性,可排除脑部其它生物分子的干扰。通过与微渗析活体取样技术相结合,我们利用该电化学传感器首次实现了AD小鼠不同脑区唾液酸含量的精确、动态监测。该工作不仅利于深入研究唾液酸在AD病理过程的作用,同时也为实现AD小鼠脑组织液中生物分子的高灵敏、高选择性直接检测提供了方法学指导。第四章基于唾液酸共聚物修饰的玻璃锥形纳米孔对β-淀粉样蛋白(Aβ1–40/1–42)的超灵敏检测发展一种具有高灵敏度的Aβ单体检测方法不仅利于AD的早期诊断而且还有助于追踪AD的病情发展,为患者的个性化治疗提供方法学指导。作为AD的主要病理特征,Aβ聚集沉积易受细胞膜表面化学组成的影响。其中,位于细胞膜末端的唾液酸会特异性吸附Aβ单体,促进其聚集。基于此,利用可逆加成-断裂链转移聚合(RAFT)反应,我们设计合成了以唾液酸为识别单元的三单元刺激响应聚合物,通过共价结合的方式将聚合物修饰于单个玻璃锥形纳米孔内壁,构建了一种操作简单、成本低廉、对Aβ(1–40/1–42)具有超高灵敏响应的生物传感平台。当Aβ与孔壁上的聚合物发生特异性识别时,聚合物链由收缩转变为舒张状态,纳米孔的有效孔径减小,从而致使通过纳米孔的离子电流减小。利用限域空间内玻璃锥形纳米孔的信号放大优势,实现了Aβ(1–40/1–42)单体的超灵敏检测,检测限可达3.2 f M。此外,该纳米孔传感器具有良好的选择性,通过与微渗析活体取样技术相结合,实现了对AD小鼠不同脑区组织液中Aβ(1–40/1–42)单体的浓度的直接测定。本工作不仅为研究AD病理过程中Aβ的浓度变化及生理作用提供了新的检测方法,同时也为构建刺激响应聚合物功能化玻璃锥形纳米孔传感平台并用于多种AD相关生物分子的检测奠定了基础。第五章基于双响应共聚物修饰的玻璃锥形纳米孔对锌离子和β-淀粉样蛋白(Aβ1–40/1–42)的双检测实现多种生物分子的共同定量检测对研究不同生物分子在AD病理过程中的相互影响以及作用具有重要意义。本工作中,我们以唾液酸和喹啉衍生物(AQZ)为识别功能单元,设计合成了具有双重生物分子响应的刺激响应聚合物。通过与玻璃锥形纳米孔相结合,成功实现了在同一平台上Zn2+和Aβ(1–40/1–42)单体的共同检测。在Zn2+的检测过程中,Zn2+与AQZ单元结合后,纳米孔表面负电荷减少,不利于溶液中阳离子与孔壁作用,负电压下离子电流减小。当Aβ(1–40/1–42)单体与唾液酸特异性识别后,孔内聚合物链舒张,纳米孔有效孔径减小,孔内离子传输减小,从而实现Aβ(1–40/1–42)单体的检测。此外,AQZ作为荧光基团,在聚合物与目标分子作用后,管壁的荧光强度也随之发生变化。基于此,该工作不仅可实现同一平台上两种生物分子的检测,拓宽了玻璃锥形纳米孔平台的传感应用,同时也为设计构建具有双信号响应的纳米孔传感平台提供了新思路。

摘要译文

关键词：

阿尔茨海默病; 刺激响应聚合物; 电化学; 玻璃锥形纳米孔; 生物传感

学位年度：

2018

学位类型：

博士

学科专业：

分析化学

导师：

施国跃

中图分类号：

O657.1[电化学分析法⑨];R749.1[脑器质性精神障碍⑨]

学科分类号：

070302[分析化学];081704[应用化学];081706[分子化工];100211[精神医学]