構建基于納米材料的電化學生物傳感器.pdf

1、自從微觀特別是納米尺度上材料誕生以來,對它們的研究及應用一直受到人們的高度關注,并且一直處在高速發(fā)展階段,各種具有特殊功能的新型納米材料層出不窮,而且對它們的研究和應用領域也在快速的擴展。電化學傳感技術由于具有靈敏性好、儀器簡單易于操作、可控性好、檢測成本低及易于微型化等特點,同樣受到廣泛關注。如今,人們研究發(fā)現(xiàn):將納米技術引入到電化學傳感領域后,在使得電化學傳感技術得到了革命性發(fā)展的同時,也促進了納米技術的變革?；诖?在本論文中,我

2、們研究了具有較高電催化和生物相容性的碳材料和貴金屬納米材料的制備及其在電分析傳感領域的應用。
　　 (1)在第2章中,我們研究發(fā)現(xiàn)雙螺旋DNA的磷酸骨架可以作為多價金屬離子或復合物的結合位點,并且在結合的過程中,這些多價離子會改變DNA的構象,形成壓縮結構。利用這一性質,我們首先讓氯金酸鹽與雙螺旋DNA通過靜電力作用形成Au(Ⅲ)-DNA網(wǎng)狀結構的復合物;然后,通過化學還原Au(Ⅲ)最終形成的Au-DNA網(wǎng)狀結構的納米復合物。該

3、雜交材料有較高的生物相容性以及電子傳導能力,有利于酶的固定。因此,我們將HRP固定在該復合材料上進行電化學研究,發(fā)現(xiàn)固載在該復合材料上的HRP表現(xiàn)出良好的直接電化學行為和電催化能力。
　　 (2)在第3章中,我們利用碳化技術,制備了具有生物形態(tài)的有序多孔碳(OPC),并且通過電沉積技術在OPC的表面和孔穴內沉積金屬Pt,形成OPC-Pt復合材料。詳細地研究了OPC及OPC-Pt的結構形貌等特征,并通過對其電化學行為的研究發(fā)現(xiàn),該

4、復合材料具有較高的電催化性能并對H2O2具有明顯的電催化活性,因此該復合材料可用于構建非酶傳感器。
　　 (3)在第4章中,同樣以加工好的椴木塊為原材料,通過碳化工藝,制備出了具有良好生物形態(tài)結構的椴木多孔碳(BBPC)。我們利用XRD、紅外光譜(FT-IR)、掃描電鏡(SEM)等研究手段對該材料的微觀三維形態(tài)結構進行了詳細的研究。同時在電化學實驗中,我們意外的發(fā)現(xiàn)該多孔碳材料具有良好的酶促催化性能,并可以促進電子傳遞。另外,動

5、力學研究發(fā)現(xiàn)該多孔碳材料對H2O2有良好的親和性,這也就進一步證明了BBPC構建非酶傳感器的可行性。因此,我們用BBPC代替HRP構建了一個檢測H2O2的非酶電化學生物傳感器。實驗結果表明,該非酶傳感器能夠對H2O2進行快速靈敏的檢測,同時具有較寬的線性范圍和較低的檢測限。
　　 (4)在第5章中,我們設計了利用電化學發(fā)光技術(ECL)來對蛋白激酶活性及其抑制劑進行高靈敏檢測的生物傳感器。在共反應劑巰基化三磷酸腺苷(ATP-γ-

6、s)的共在下,激酶催化磷酸化反應,然后以金納米粒子為標記,與磷酸化過程中巰基化的磷酸根特異結合。由于金納米粒子具有高的電導性、大的比表面積以及對魯米諾(luminol)氧化的高電催化活性,因此可以極大的催化魯米諾的電化學發(fā)光(ECL)信號增強,實現(xiàn)對激酶活性的高靈敏檢測。蛋白激酶A(PKA)在人體的諸多生理及新陳代謝過程中發(fā)揮著重要作用,因此該酶被作為本研究的模型激酶進行理論上的檢測分析。實驗結果表明,該ECL傳感器對PKA有較低的檢測

7、限(0.07 UmL-1),寬的線性檢測范圍(0.07-32 U mL-1)及良好的檢測穩(wěn)定性。除此之外,該ECL傳感器還可用于激酶抑制劑的量化分析檢測。在本實驗中,我們測定了PKA抑制劑鞣花酸的IC50,發(fā)現(xiàn)該值與用傳統(tǒng)分析技術所獲得的檢測結果相符。同時我們利用酪氨酸激酶抑制劑(Tyrphostin AG1478)重復上述檢測過程,發(fā)現(xiàn)ECL響應幾乎沒有變化,這些結果說明ECL傳感器可以用于對激酶抑制劑的篩選。
　　 (5)在

8、第6章中,通過研究我們首次發(fā)現(xiàn),石墨烯(graphene)可以誘導魯米諾在正電位(ca.0.05 V vs.Ag/AgCl)產(chǎn)生較強而穩(wěn)定的陰極ECL現(xiàn)象。同時,石墨烯修飾的玻碳電極是構建高性能生物傳感器的優(yōu)良平臺?；谝陨峡紤],我們利用石墨烯修飾的玻碳電極構建了低電位下陰極ECL檢測癌癥標識物的夾心型ECL免疫傳感器。葡萄糖氧化酶(Gox)和檢測抗體(Ab2)修飾的金納米棒(GNRs)作為該傳感器的生物探針。功能化的石墨烯能夠促進電極

9、表面的電子轉移;同時由于其大的比表面積,因此用于固載捕獲抗體(Ab1);功能化的GNRs不僅作為酶和抗體的固定載體,其自身對魯米諾的ECL也具有增強作用,另外固載其上的Gox在反應體系中含有葡萄糖和氧氣時,通過催化底物反應又可以進一步增強ECL信號。在以前列腺抗原(PSA)作為研究模型的條件下,我們所構建的低電位ECL免疫傳感器對PSA能夠進行高靈敏、專一性的檢測,獲得的線性檢測范圍為10 pgmL-1-8 ng mL-1,最低檢測限為