基于碳納米復(fù)合材料與信號放大技術(shù)構(gòu)建電化學(xué)生物傳感器的研究.pdf

1、電化學(xué)生物傳感器是一種將電化學(xué)分析方法與生物學(xué)技術(shù)相結(jié)合而發(fā)展起來的具有響應(yīng)快速、靈敏度高、選擇性好、操作簡單、成本低等優(yōu)點的生物傳感器。碳納米材料（如石墨烯、富勒烯）因具有比表面積大、表面活性位點高及生物相容性好等優(yōu)點被廣泛的應(yīng)用到生物傳感器領(lǐng)域。近年來，基于新型納米材料催化、酶催化以及生物學(xué)放大技術(shù)用于蛋白質(zhì)檢測的電化學(xué)生物傳感器的研究頗受關(guān)注。本文的研究目的是將碳納米復(fù)合材料、生物以及化學(xué)等多種放大技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)高靈敏的檢測。圍

2、繞本研究目的主要從功能化復(fù)合納米材料的制備、敏感界面的構(gòu)建以及新型信號放大技術(shù)的應(yīng)用等進行了探索和研究。研究工作分為以下幾個部分:
　　1.電化學(xué)催化放大技術(shù)用于神經(jīng)元特異性烯醇化酶的檢測
　　本文研制了基于金-石墨烯復(fù)合膜/鐵氰化鎳納米粒子/納米金修飾的電流型免疫傳感器用于神經(jīng)元特異性烯醇化酶(NSE)的檢測。值得注意的是:1）基于鐵氰化鎳納米粒子(NiHCFNPs)固有的電化學(xué)活性，NiHCFNPs修飾電極呈現(xiàn)出良好的氧

3、化還原活性，可以用來指示免疫反應(yīng)發(fā)生的進程，構(gòu)建了無試劑型電化學(xué)免疫傳感器。2）NiHCFNPs能夠有效的催化DA，顯著增強信號，避免了使用生物酶在標(biāo)記過程中易失活這一缺點。3）金和石墨烯復(fù)合納米材料(Au-Gra)具有比表面積大、吸附力強、生物相容性好等優(yōu)點，大大提高抗體分子的固載量。該方法基于簡單的直接法進行，不需要在測試溶液中加入其他的電活性物質(zhì)，只需將NiHCFNPs固載到電極表面即可，具有操作簡單、響應(yīng)快速的優(yōu)點。與傳統(tǒng)的直接

4、法相比，該傳感器有較高的靈敏度，線性范圍為0.001～100 ng mL-1，檢測下限為0.3 pg mL-1(S/N=3)。
　　2.基于多功能化洋蔥狀石墨烯層和雙重催化放大構(gòu)建電化學(xué)免疫傳感器用于兩種腫瘤標(biāo)志物同時檢測
　　為了提高傳感器的檢測通量，本研究以功能化洋蔥狀石墨烯層結(jié)合雙重催化放大技術(shù)構(gòu)建了一種夾心型電化學(xué)免疫傳感器，實現(xiàn)了基于同一敏感界面對于游離前列腺特異性抗原（fPSA）及前列腺特異性抗原(PSA)的同時

5、檢測。采用洋蔥狀石墨烯層為納米載體，通過靜電吸附作用在其表面修飾不同的電活性納米材料，隨后進一步固載親和素(SA)和生物素標(biāo)記的堿性磷酸酯酶(bio-AP)，形成多重標(biāo)記的洋蔥狀石墨烯納米復(fù)合材料。當(dāng)測試液中存在抗壞血酸酯(AA-P)時，bio-AP首先能夠催化AA-P水解生成抗壞血酸（AA），接著，生成的AA進一步被電活性納米材料(普魯士藍納米粒子:PBNPs或鐵氰化鎳納米粒子:NiNPs)催化產(chǎn)生DHA，實現(xiàn)雙重信號放大。實驗結(jié)果表

6、明PBNPs和NiNPs具有良好的氧化還原可逆性且氧化還原峰電位相互分離，結(jié)合雙重催化信號放大策略，完成了同時對兩種目標(biāo)蛋白質(zhì)高特異和高靈敏的檢測。該免疫傳感器對fPSA和PSA的檢測限分別達到6.7 pg mL-1和3.4 pg mL-1。
　　3.基于磁性石墨烯雜化微球構(gòu)建電化學(xué)免疫傳感器用于甲狀腺疾病標(biāo)志物的檢測
　　生物酶在標(biāo)記過程中可能會影響蛋白的特異性位點，致使生物活性喪失。本研究基于雜交鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(HCR)為模板

7、固載雙酶（細胞色素c氧化酶和葡萄糖氧化酶）能夠有效提高酶的固載量和很好的保持酶的生物活性。本文首先利用層層自組裝方法制備以SiO2為模板的磁性石墨烯雜化微球，該納米材料集電化學(xué)氧化還原活性、磁性于一體，構(gòu)建可再生的電化學(xué)免疫傳感器。將制備的磁性石墨烯雜化微球作為納米載體通過化學(xué)鍵合作用固載信標(biāo)抗體和引物鏈S1，通過生物催化放大技術(shù)和雙酶逐級催化有效的放大響應(yīng)信號?；趭A心免疫反應(yīng)，將該免疫傳感器用于檢測甲狀腺疾病標(biāo)志物，線性范圍為0.0

8、5 pg mL-1～5 ng mL-1，檢測限達15 fg mL-1。經(jīng)實驗研究證明該方法切實可行，為傳感器靈敏度的提高提供了新的思路。
　　4.基于多功能化的C60納米復(fù)合材料作為信號標(biāo)簽構(gòu)建電化學(xué)適體傳感器
　　隨著對碳材料性質(zhì)研究的進一步深入，C60作為一種生物傳感材料開始被應(yīng)用于電化學(xué)傳感器領(lǐng)域。C60易溶于苯、甲苯和二硫化碳等非極性有機溶劑，但不溶于水，而且導(dǎo)電性能不高。為了改善C60的水溶性，我們用帶有NH2活性

9、端基的苝四甲酸（PTC-NH2）功能化nano-C60，基于超分子化學(xué)得到了水溶性好的C60納米材料(FC60NPs)。接著通過化學(xué)鍵合作用在其表面修飾納米金包裹的普魯士藍納米粒子(Au@PBNPs)，繼而得到多功能化的C60納米復(fù)合材料(Au@PB/FC60)。為了提高傳感器的靈敏度，將堿性磷酸酯酶(AP)標(biāo)記到Au@PB/FC60表面，在底物抗壞血酸酯（AA-P）存在下，AP首先能夠催化AA-P水解生成抗壞血酸(AA)，接著，生成的

10、AA進一步被Au@PB/FC60催化產(chǎn)生DHA，實現(xiàn)雙重信號放大。將該適體傳感器用于檢測血小板源性生長因子(PDGF)，線性范圍為0.002～40 nmolmL-1，檢測限達0.6 pmol mL-1。實驗表明，該適體傳感器具有選擇性好、靈敏度高，有望應(yīng)用于臨床檢測中。
　　5.C60納米材料作為氧化還原納米探針構(gòu)建電化學(xué)免疫傳感器用于興奮劑的檢測
　　碳納米材料因具有比表面積大、導(dǎo)電性及生物相容性好等特點通常作為納米載體被

11、廣泛的應(yīng)用到生物傳感器領(lǐng)域，卻很少被用作氧化還原納米探針。C60除了具有上述碳納米材料的優(yōu)點外，還具有內(nèi)在的氧化還原特性，如強的接受電子能力容易形成相應(yīng)的陰離子。本文首先用聚酰胺-胺(PAMAM)功能化C60納米顆粒(PAMAM-C60NPs)，然后利用PAMAM-C60NPs表面大量的氨基可以吸附納米金，得到了C60氧化還原納米探針(Au-PAMAM-C60NPs)并用于標(biāo)記信標(biāo)抗體構(gòu)建了夾心型免疫傳感器。值得注意的是，當(dāng)修飾好的免疫