基于多种信号放大策略构建检测疾病标志物的电化学生物传感器研究

摘要

电化学生物传感器是将电化学分析方法与生物传感器相结合发展而来，具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、成本低等优点，在生物分析、临床检测、环境监测等领域具有广泛应用。为了改善传感器各项分析性能，多种信号放大策略被用于电化学传感器的构建。其中，纳米材料由于具有比表面积大、导电性好以及电催化活性高等优点，为电化学生物传感器的发展提供了新思路。本论文将多种功能化纳米材料作为生物分子的固载基质，并将电化学传感技术与纳米材料放大、酶催化放大、杂交链式反应放大等放大技术相结合，以凝血酶（TB）、基质金属蛋白酶-2（MMP-2）为检测对象，构建了几种灵敏的电化学生物传感器。
　　1．基于纳米钯修饰的石墨烯-二硫化钼花状纳米复合物和酶催化放大的凝血酶电化学适体传感器研究
　　该体系在聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA）存在时，将二硫化钼（MoS2）原位还原在石墨烯纳米片上，制备出具有大比表面积、良好导电性和花状结构的功能化石墨烯/二硫化钼纳米复合物（PDDA-G-MoS2）；并用钯纳米进行修饰，得到的复合物（PdNPs/PDDA-G-MoS2）进一步固载卟啉铁/G-四链体、葡萄糖氧化酶（GOD）和氧化还原探针甲苯胺蓝（Tb），构建灵敏的夹心型TB电化学适体传感器。通过GOD有效催化葡萄糖的氧化，同时将溶解氧还原为H2O2；H2O2又被具有仿过氧化物模拟酶活性的PdNPs和卟啉铁/G-四链体催化分解，而实现电化学信号的逐级放大，提高传感器的灵敏度。适体传感器的线性范围为0.1pmol·L-1～40nmol·L-1，检测下限为0.062pmol·L-1。
　　2．基于卟啉铁/G-四链体作为信号标签和仿双酶活性的金包四氧化三铁作为纳米载体构建的凝血酶电化学适体传感器
　　该体系以具有仿双酶性质的金包四氧化三铁（Fe3O4-Au）作为纳米载体，卟啉铁/G-四链体作为信号标签，卟啉铁/G-四链体和Fe3O4-Au作为模拟酶催化放大响应信号为基础，构建一个无酶的电化学适体传感器用于检测TB。其中，Fe3O4-Au复合纳米材料不仅具有大的比表面积和良好的生物相容性能够固载大量的具有电化学活性的卟啉铁/G-四链体，它还具有优越的仿葡萄糖氧化酶和仿过氧化物模拟酶的仿双酶特性。基于仿葡萄糖氧化酶的活性，Fe3O4-Au复合纳米材料表面的金纳米颗粒（AuNPs）能够有效催化葡萄糖的氧化，并将溶解氧转化为 H2O2。接着，同时具有仿过氧化物模拟酶活性的Fe3O4-Au复合纳米材料的Fe3O4核和卟啉铁/G-四链体能够共同催化 H2O2的分解，从而促进卟啉铁的电子传递，实现响应信号的逐级催化放大，进而提高传感器的灵敏度。所构建的电化学适体传感器的线性范围为0.1pmol·L-1～20nmol·L-1，检测下限为0.013pmol·L-1。
　　3．基于目标物诱导多肽剪切的信号‘on-off’型的多肽传感器用于基质金属蛋白酶-2检测
　　本研究基于目标物诱导多肽剪切以及纳米材料和杂交链式反应(HCR)放大，构建信号‘on-off’型的检测 MMP-2的电化学多肽传感器。制备的单链DNA-多孔铂纳米-多肽生物偶合物（S1-pPtNPs-P1）用作纳米探针。其中生物素标记的多肽（P1）包含有目标物MMP-2的剪切位点，为构建‘on-off’型的电化学传感平台提供了可能。通过生物素与亲和素的特异性结合将S1-pPtNPs-P1固定在电极表面。引发HCR后，将电活性物质硫堇（Thi）嵌入双链DNA中。pPtNPs有效地催化H2O2的分解，能够大大增强Thi的电化学信号，此时为信号‘on’状态。目标物MMP-2存在时，多肽在特定位点被剪切，pPtNPs和电活性的Thi将离开电极表面，导致电化学信号明显降低，此时为信号‘off’状态。结合纳米材料催化、HCR放大、信号‘on-off’策略，构建的电化学多肽传感器具有较高的灵敏度和稳定性，其中检测范围为1pg·mL-1～10ng·mL-1，检测下限为0.32pg·mL-1。

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第一章 绪 论

1.1电化学生物传感器概述

1.2信号放大技术在电化学生物传感器中的应用

1.3本论文的选题依据及研究思路

第二章 基于纳米钯修饰的石墨烯-二硫化钼花状纳米复合物和酶催化放大的凝血酶电化学适体传感器研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4结论

第三章 基于卟啉铁/G-四链体作为信号标签和仿双酶活性的金包四氧化三铁作为纳米载体构建的凝血酶电化学适体传感器

3.1引言

3.2实验部分

3.3实验结果与讨论

3.4结论

第四章 基于目标物诱导多肽剪切的信号‘on-off’型的多肽传感器用于基质金属蛋白酶-2检测

4.1引言

4.2实验部分

4.3结果与讨论

4.4结论

参考文献

作者发表的部分相关论文题录

致谢