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基于纳米材料信号增强的电化学生物传感器研究认领

被引量： 10

作者：

王永红

学位授予单位：

湖南大学

摘要：

电化学生物传感器由于灵敏度高、操作简便、免分离、选择性好、不需要样品预处理等优点而受到研究者们的广泛关注。目前对于它的研究和应用发展十分迅速,已广泛应用于工业过程控制、临床医学检测、环境监测、化学药品安全性评价以及食品、制药等诸多领域。功能化纳米材料有着优异的化学和物理性能,有着极高的比表面积,有利于增加敏感分子的吸附能力,并能提高生化反应的速度,将功能化纳米材料应用于电化学生物传感器可以显著提高传感器的性能。近年来,本研究小组结合纳米技术、分析技术、生物技术以及材料制备技术,开展了以纳米材料信号放大的生命分析方法为核心的研究工作。本论文在大量文献调研的基础上,拓展了基于纳米材料的信号增强作用在电化学生物传感中的研究,并主要开展了以下研究工作：一、基于核酸适体探针和纳米胶囊信号放大作用电化学检测凝血酶结合核酸适体探针识别特性和纳米胶囊信号放大效应发展了一种高灵敏、高特异性检测凝血酶的电化学方法。采用油水相界面自组装方法首次制备了包裹电活性物质巯基二茂铁的纳米胶囊。将能特异性识别凝血酶的两条核酸适体分别修饰在包裹巯基二茂铁的二氧化硅纳米胶囊和磁性微珠表面,当凝血酶存在时,纳米胶囊和磁性微珠表面的核酸适体与凝血酶结合形成三明治结构复合物,并在外加磁场的作用下实现三明治结构复合物的分离富集,利用碱溶解作用释放出巯基二茂铁信号分子,通过金-巯键作用吸附到电极表面,然后检测电极上二茂铁的电化学信号,从而实现对凝血酶的检测。该方法利用了核酸适体的高亲和性,包裹巯基二茂铁纳米胶囊的信号放大作用以及磁性微珠的快速分离富集作用,凝血酶检测的线性范围为0.1nmol/L～5nmol/L,检测限为0.06nmol/L。利用该方法能实现人血清白蛋白中凝血酶的检测。二、基于单壁碳纳米管信号放大作用电化学检测甲基化酶活性利用单壁碳纳米管的信号放大作用发展了一种高灵敏而又简便的测定甲基化酶活性的电化学方法。首先将含Dam MTase特异性识别序列和甲基化敏感的限制性内切酶位点的双链DNA修饰在金电极上,当Dam MTase和Dpn Ⅰ内切酶存在的时候,识别序列先后被甲基化以及切割成单链DNA,从而使单壁碳纳米管可控吸附到修饰电极上。而没有Dam MTase存在的时候,双链DNA因没有甲基化而不能被Dpn I切割,单壁碳纳米管不能沉积在电极上。而沉积在电极上的单壁碳纳米管可以加速电极和电活性物质之间高效率的电子转移,产生高的法拉第电流,电流大小与Dam MTase浓度相关。由于单壁碳纳米管的信号放大作用, Dam MTase的线性响应浓度范围为0.1U/mL至1.0U/mL,检测限为0.04U/mL。该方法简便,灵敏,为非放射性检测甲基化酶活性提供了一种新的方法,并且可以实现对甲基化酶抑制剂的筛选。三、基于二茂铁衍生物修饰的单壁碳纳米管电化学检测T4多聚核苷酸激酶利用钛离子的介导作用以及二茂铁修饰单壁碳纳米管的信号放大作用,发展了一种新型的用于检测T4多聚核苷酸激酶活性(PNK)以及抑制剂作用的电化学传感器。首先将作为T4PNK底物的3'-HS-DNA通过金-巯键作用自组装到金电极上,利用修饰有大量二茂铁的单壁碳纳米管产生和放大电化学信号。当ATP存在时,T4PNK将电极上底物DNA的5’端羟基磷酸化,产生的5’端磷酸基团在Ti4+的连接作用下,负载5'-PO4-DNA和二茂铁的单壁碳纳米管沉积到电极表面而产生强烈的电化学信号,其电流强度与T4PNK活性成正比,可检测到0.01UmL-1的T4PNK。该方法为研究蛋白质和核酸之间的相互作用及激酶活性测定提供了一个通用性平台。四、半支莲提取液生物合成金纳米颗粒及其在电化学上的初步应用采用半支莲提取液作为还原剂细胞外合成了金纳米颗粒,并实现在电化学上的初步应用。首先将金离子置于半支莲提取液溶液中,可以观察到金离子迅速被还原,在溶液中形成金纳米颗粒,通过紫外-可见吸收光谱表征合成的金纳米颗粒,发现在540nm处有明显的特征峰。透射电子显微镜(TEM)分析表明,合成的颗粒分散性良好,大小在5-30nm。在此基础上,将合成的金纳米颗粒用于修饰玻碳电极,结果表明以半支莲提取液作为还原剂合成的金纳米颗粒能够很好的提高对硝基酚和电极之间的电子传递速率。五、基于MCM-41负载联吡啶钌的电致化学发光传感器研究利用静电吸附作用将联吡啶钌[Ru(bpy)32+]负载到制备好的巯基化MCM-41型介孔二氧化硅纳米颗粒,通过金巯键修饰方法,将负载有Ru(bpy)32+的MCM-41成功固定在金电极表面,发展了一种基于MCM-41负载联吡啶钌的电致化学发光传感器。研究了基于MCM-41负载Ru(bpy)32+的电致化学发光传感器的电化学以及电致化学发光行为。基于三聚氰胺与增敏剂三正丙胺的氨基结构类似性,将MCM-41负载Ru(bpy)32+的电致化学发光传感器初步应用于三聚氰胺的检测,获得了良好的检测效果,为三聚氰胺的检测提供了一种快速、简便的方法。同时,该研究为Ru(bpy)32+在电极表面的固定化提供了新的思路。六、基于类分子信标DNA和连接酶高灵敏电化学检测ATP 结合连接酶和类分子信标DNA发展了一种高灵敏电化学检测ATP的方法。该方法在没有ATP的情况下,固定在电极表面的类分子信标DNA上5’端的生物素靠近电极表面,阻碍了溶液中电子的有效传递。当加入ATP之后,连接酶被激活,类分子信标DNA的茎环结构被打开,阻塞物远离电极表面,形成离子通道,电化学信号明显的增大。在最优实验条件下,ATP的线性检测范围为0.1-1000nM,最低检测限为0.05nM,而且该方法还具有很好的选择性,能够很好的区分ATP类似物UTP,CTP和GTP。除此之外,该方法也可以用于水样中大肠杆菌的检测,检测的响应范围为103-107cfu/mL。

摘要译文

关键词：

电化学传感; 核酸适体; 纳米材料; 纳米胶囊; 介孔纳米颗粒; 碳纳米管; 金纳米颗粒

学位年度：

2012

学位类型：

博士

学科专业：

分析化学

导师：

何晓晓王柯敏

中图分类号：

TB383.1;TB383[特种结构材料⑨]

学科分类号：

080501[材料学];1406[纳米科学与工程]

D O I：

10.7666/d.d201110