基于石墨烯纳米复合材料的增敏效应构建高灵敏电化学适体传感器的研究

摘要

石墨烯是单原子厚度的二维碳原子晶体，具有独特的结构和性能，如大的比表面积，高导热性和优良的电子传递性质。将石墨烯与其他纳米材料复合，借助不同组分间的协同作用，可以拓展和增强石墨烯的电化学性能及生物兼容性。近年来，利用石墨烯纳米复合材料固定纳米生物探针（如酶、抗体、核酸适体）用于构建生物传感器已得到广泛的运用。核酸适体作为一种新型的纳米生物探针，因其具有诸多优于抗体的特点（如易体外合成、易标记、稳定性好），它的出现为生物分析方法和传感器的设计开辟了新思路。电化学检测技术因其具有选择性好、灵敏度高，以及快速、简单、测试费用低和易于微型化等优点而在适体传感器的发展中占有重要的地位。基于核酸适体的电化学传感器集成了适体和电化学传感两方面的优势成为近年来的研究热点，各种新颖的设计思路不断涌现。本文从利用新型石墨烯纳米复合材料作为组装核酸适体探针的活性界面，并用于构建信号放大的电化学生物适体传感器进行了研究和探索，主要研究内容如下:
　　 1.基于空心CoPt合金纳米球修饰石墨烯构建的多重放大的电化学适体传感器用于高灵敏凝血酶的检测
　　 该工作基于石墨烯和空心CoPt合金纳米球的放大技术构建了一种用于高灵敏检测凝血酶的电化学适体传感器。首先，采用一种高效的两步合成法合成高质量的空心CoPt合金纳米球负载的石墨烯(HCoPt-RGs)，并将这一复合物用于共价键合氧化还原探针硫董(Thi)，辣根过氧化物酶(HRP)以及标记凝血酶适体Ⅱ(AtpⅡ)作为检测探针，这样有利于提高电活性物质和生物分子的固载量。将CoPt复合物用壳聚糖交联后滴涂于玻碳电极表面，活化后可固定捕获探针适体Ⅰ(AtpⅠ)，这样可大大降低非特异性吸附。形成夹心型的适体传感器后，由于辣根过氧化物酶和空心CoPt纳米球对H2O2的催化作用能放大硫董的电化学信号，传感器的检测信号得到了进一步放大，因而该传感器的检测灵敏度显著提高。该传感器对凝血酶的检测范围为1.0×10-12～5.0×10-8 mol·L-1，同时也获得相对较低的检测限3.4×10-13 mol·L-1。此外，该传感器具选择性好、重现性和稳定性优良，这表明该传感器有望应用于临床医学研究中。
　　 2.基于功能化氧化石墨烯和纳米金层层组装的原位酶动力学银增强放大技术构建超灵敏凝血酶适体传感器
　　 该工作运用纳米金及碱性磷酸酯酶的层层自组装技术放大酶促银增强信号，从而设计了一种高效的原位信号放大策略用于超灵敏检测凝血酶。羧基功能化的石墨烯(FGO)作为纳米金和碱性磷酸酯酶层层自组装的载体，通过多次组装形成FGO-(ALP-Au)n复合物，并将这一复合物用于标记凝血酶适体探针。适体夹心反应后，捕获到适体传感器表面的碱性磷酸酯酶能催化抗坏血酸-2磷酸酯(AAP)原位产生还原剂抗坏血酸，而抗坏血酸能将溶液中的Ag+还原成纳米Ag沉积在传感器表面，运用线性扫描伏安法可以检测沉积到电极表面的纳米Ag的电化学信号。此外，我们研究发现，用乙醇胺作为封闭剂能大大减少非特异吸附，背景信号也得到了有效的降低，因而能大大增强传感器的灵敏度。基于以上信号放大的优点，该传感器实现了对凝血酶的超灵敏检测，检测下限为2.7 fmol·L-1，比常规酶促电化学适体传感器的灵敏度提高了2～3个数量级。
　　 3.基于绿色、原位、非模板法在氧化石墨烯上直接合成Pt@Ag纳米链及其在电化学生物传感器上的应用研究
　　 该工作首次成功构建了一种基于绿色、原位、非模板法在氧化石墨烯上直接合成Pt@Ag纳米链及其在电化学生物传感器上的应用研究。功能化的氧化石墨烯作为诱导剂，诱导原位酶动力学合成Ag纳米链。这样做有很多优点，如无环境污染、合成条件温和、稳定性好及产量大等。此外，我们研究发现，将石墨烯上生长的Ag纳米链上通过电化学沉积的方法包裹上一层纳米Pt，可以使得Ag纳米链具有更多优异的性能，如良好的导电性、较大的比表面积和优异的电化学氧化还原活性。基于这一点，我们将这种直接利用Pt@Ag纳米链的氧化还原信号作为电子媒介体，构建一种免标记型的电化学生物传感器。该传感器用于高灵敏检测血小板生长因子，检测的线性范围在6 pmol·L-1～40 nmol·L-1之间，检测下限达到1.97 pmol·L-1，比常规用于检测血小板生长因子的适体传感器的灵敏度提高了3个数量级。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 适体传感器概述

1．1．1 适体及适体生物传感器

1．1．2 适体用于生物传感器的优势

1．2 电化学适体传感器

1．2．1 电化学适体传感器的原理

1．2．2 电化学适体生物传感器的分类

1．2．3 电化学适体生物传感器的研究进展

1．3 纳米材料在电化学适体传感器领域的应用

1．3．1 纳米材料

1．3．2 纳米材料在电化学适体生物传感器中的应用

1．3．3 石墨烯及石墨烯纳米复合材料

1．3．4 石墨烯纳米复合材料在适体传感器中的研究进展

1．4 适体传感器在其他方面的应用前景

1．5 本文研究思路

第二章 基于空心CoPt合金纳米球修饰石墨烯构建的多重放大的电化学适体传感器用于高灵敏凝血酶的检测

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 仪器和试剂

2．2．2 空心CoPt合金纳米粒子修饰的石墨烯纳米复合材料的制备

2．2．3 硫堇(Thi)功能化HCoPt-RGs标记适体探针(Apt Ⅱ)的合成

2．2．4 夹心型电化学适体传感器的制备

2．2．5 实验测定方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 电极仿生界面组装过程的电化学特性

2．3．2 实验条件的优化

2．3．3 适体传感器的性能

2．4 结论

第三章 基于功能化氧化石墨烯和纳米金层层组装的原位酶动力学银增强放大技术构建超灵敏凝血酶适体传感器

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 仪器与试剂

3．2．2 ALP包裹的纳米金制备

3．2．3 功能化氧化石墨烯(FGO)的制备

3．2．4 FGO-(ALP-Au)n-TBAⅡ生物耦合物的制备

3．2．5 适体传感器的构建

3．2．6 测定步骤和检测机理

3．3 结果与讨论

3．3．1 FGO-(ALP-Au)n纳米复合材料的表征

3．3．2 传感器响应信号的增大及背景信号的减小

3．3．3 适体传感器检测条件的优化

3．3．4 适体传感器用于检测凝血酶时的响应性能

3．3．5 适体传感器的其他性能

3．4 结论

第四章 基于绿色、原位、非模板法在氧化石墨烯上直接合成Pt@Ag纳米链及其在电化学生物传感器上的应用研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 仪器与试剂

4．2．2 大量羧基功能化的还原石墨烯(CFG)的制备方法

4．2．3 CFG表面合成纳米Pt包裹Ag纳米链(Pt@AgNCs)的制备

4．2．4 Pt@AgNCs-CFG用于制备电化学适体传感器的方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 AgNCs及the Pt@AgNCs的SEM表征

4．3．2 AgNCs和Pt@AgNCs的循环伏安(CV)和X射线光电子能谱(XPS)表征

4．3．3 适体传感器层层组装过程的电化学性质表征

4．3．4 传感器的响应性能

4．3．5 传感器的选择性和重现性

4．3．6 传感器的初步应用

4．4 结论

参考文献

作者部分相关论文题录

致谢