基于氧化锌的光电化学方法的构建及应用于DNA和蛋白质的检测

摘要

作为一种重要的多功能半导体材料，氧化锌（ZnO）具有优良的光学和电学性能，以及相当丰富的形态学特性和化学稳定性。因此，本论文构建基于ZnO纳米花-棒结构（ZnO FRs）的光电化学检测方法，并应用于DNA和蛋白质的检测。
　　（1）基于纳米ZnO优良的光电化学特性和DNA树状结构的信号放大作用，构建一种新颖的光电化学检测方法，并应用于DNA检测。ZnO FRs上含有大量羟基，能与探针 DNA（Probe, P）上的磷酸基团形成化学键。当目标DNA（Trigger, T）及辅助DNA序列加入时，可以杂交形成树状DNA结构。由于DNA的空间位阻效应，光生电子迁移受到抑制，导致光电化学信号降低，从而实现对目标DNA的检测。树状DNA能够增强信号变化，实现信号放大。目标DNA浓度为10 fM~0.1μM时，DNA浓度的对数与光电流差值呈线性关系，其线性回归方程为ΔI（μA）=0.4206 logc（fM）－0.142（R2=0.994， S/N=3），检测限仅为3.37 fM。本方法利用ZnO FRs及树状DNA信号放大作用，实现对目标DNA的检测，有望为DNA的检测提供一种快捷、价廉的方法。
　　（2）利用金纳米颗粒（AuNPs）表面等离子体共振效应（SPR），改善ZnO FRs对可见光的吸收，构建基于AuNPs与ZnO纳米花-棒立体结构（Au-ZnO FRs）的光电化学免疫传感器，并用于甲胎蛋白（α-Fetoprotein, AFP）抗原（Antigen, Ag）的检测。在可见光照射下，AuNP因表面等离子共振效应，产生光生电流，增强ZnO光电信号。其次，由于良好的生物亲和性，AuNPs能与蛋白质分子共价结合。将甲胎蛋白抗体(Antibody, Ab)固定在Au-ZnO FRs表面后，Ag与Ab会相互发生特异性免疫反应，引起光电流变化，从而实现对甲胎蛋白抗原的检测。当目标浓度变化范围为0.005~50 ng·mL-1时，Ag浓度的对数与光电流差值呈较好的线性关系，其线性回归方程为ΔI（μA）=1.091 logc（pg·mL-1）+3.141（R2=0.993，S/N=3），检测限仅为0.56 ng·mL-1。该免疫传感器具有灵敏度高、易于搭建、简便快捷等优点，有望为癌症标记物的快速诊断提供平台。
　　（3）利用结合AuNPs的类石墨烯碳化氮（g-C3N4）复合物（AuNPs-g-C3N4）提高ZnO FRs对可见光吸收的作用，增强其可见光区的光电性能，构建基于AuNPs-g-C3N4/ZnO FRs的光电化学适配体传感器，并用于检测癌胚抗原（Carcinoembryonic antigen, CEA）。将氨基修饰的探针DNA（NH2-probe1）固定在 AuNPs-g-C3N4/ZnO FRs电极表面，其可以与癌胚抗原适配体（CEA aptamer）的一段序列互补配对。利用p型半导体CuS空穴载流子复合光生电子，降低光电流值，放大信号变化。因此，将 CuS与修饰氨基的探针序列（NH2-probe2）连接，并与癌胚抗原适配体（CEA aptamer）上的另一段序列互补配对，NH2-probe1、aptamer和NH2-probe2之间杂交形成类三明治结构，加速电子-空穴复合，光电信号衰减。当加入目标癌胚抗原（Ag）后，癌胚抗原与适配体结合，类三明治结构被局部破坏，电子-空穴复合速率减弱，信号增强，从而实现对目标的检测。当目标浓度变化范围为0.001~2.5 ng·mL-1时， Ag浓度与光电流差值呈线性关系，对应的线性回归方程为ΔI（μA）=0.375c（ng·mL-1）+0.025（R2=0.994，S/N=3），检测限仅为0.14 pg·mL-1。该方法有望应用于为癌症标记物的快速检测。

目录

声明

附录

第一章 基于ZnO纳米花-棒立体结构的DNA光电化学检测方法的研究

1 前言

2 实验部分

2.1主要仪器

2.2 主要试剂

2.3 实验方法

3 结果与讨论

3.1基于ZnO和树状DNA的光电化学生物检测方法的原理

3.2 ZnO FRs的结构分析

3.3基于ZnO和DNA的生物传感器的表征

3.4电化学表征

3.5光电流信号检测

3.6考察传感器的灵敏度

3.7传感器的稳定性和选择性

3.8回收率实验

4 结论

第二章 基于纳米金与ZnO纳米花-棒立体结构复合材料的光电化学检测方法的研究

1 前言

2 实验部分

2.1主要仪器

2.2主要试剂

2.3 实验方法

3 结果与讨论

3.1光电化学免疫传感器的反应机理

3.2 Au-ZnOFRs的结构分析

3.3 Au-ZnO FRs的光学性质分析

3.4电化学表征

3.5 抗体浓度优化

3.6光电化学信号检测

3.7 光电化学免疫传感器的灵敏度

3.8 光电化学免疫传感器的稳定性与选择性

3.9回收率实验

4结论

第三章 基于功能化ZnO纳米花-棒异质结构检测癌胚抗原的光电化学传感技术的研制

1 前言

2 实验部分

2.1主要仪器

2.2主要试剂

2.3 实验方法

3 结果和讨论

3.1 光电化学适配体传感器的原理

3.2 g-C3N4-AuNPs与CuS CNs的性质表征

3.3 交流阻抗表征

3.4 光电化学信号检测

3.5 适配体传感器的灵敏度

3.6 适配体传感器的稳定性与选择性

3.7回收率实验

4结论

参考文献

综述

致谢

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