新型化学传感器的构建及其在疾病标志物与金属离子检测中的应用研究

摘要

随着医学的发展，陆续出现了不同疾病的标志物分子。例如细胞表面的唾液酸是很多癌症的标志物；血液中的糖化血红蛋白（HbA1c）是糖尿病的标志物；脑脊液中的β淀粉样蛋白（Aβ）是阿尔兹海默病的标志物等。这些标志物浓度的变化将反映相关疾病的严重程度。因此，发展高灵敏与选择性的标志物检测手段对相关疾病的生理学、疾病诊断以及药物筛选与控制都具有重要意义。
　　自纳米材料出现以来，有关纳米材料的制备、表征及应用都取得了许多研究成果。目前，由于制备的纳米材料有良好的水溶性、无毒性、可吸收性与蓄积性，在光化学及电化学传感中的应用不断扩大。由于比色传感器设计简单、操作方便、检测快速、价格低廉等，在环境监测、药物分析、食品检测和临床医学等方面都得到了应用。另一方面，化学修饰电极的构筑有助于提高电化学生物传感器的灵敏度和选择性，在生物分子的检测方面已逐步显示出其优越性。
　　本论文简单论述了纳米金比色传感器、石墨烯电化学传感器以及硼酸识别作用的研究进展，并基于此开展以下研究内容：
　　（一）基于唾液酸与硼酸的相互作用，构建了一种用于唾液酸检测的新型电位型传感器。通过电化学还原氧化石墨烯的方法制备石墨烯（ERGO）界面，进一步利用电化学聚合得到聚氨基苯硼酸（PABA）膜，制得PABA/ERGO修饰的玻碳电极。该修饰电极 ERGO层可以明显提高传感的灵敏性，PABA作为响应敏感层，其硼酸基可以结合邻二醇，从而有效地识别唾液酸。考察了不同修饰电极、聚合圈数、缓冲体系及pH对唾液酸的开路电位响应。在最佳实验条件下，开路电位变化与唾液酸浓度呈现良好的线性关系，得到了较宽的线性范围（2.0?M~3.8 mM，相关系数0.998）和低的检测限（0.8??M，S/N=3）。此外，该传感器重现性好、稳定性高且具有可再生性和良好的选择性。并将该法用于血清中唾液酸的检测，得到了较高的准确度和好的回收率。因此，这将为临床上唾液酸的检测和了解唾液酸相关疾病的病理提供参考。
　　（二）基于唾液酸与硼酸的相互作用，我们还构建了一种高灵敏检测HbA1c的伏安法传感器。电化学沉积法制备得到石墨烯层后，通过电位循环修饰吡咯喹啉醌（PQQ）电化学活性层，进一步利用酰胺化反应修饰氨基苯硼酸（PBA），最终制备了PBA-PQQ/ERGO电化学传感界面。当加入HbA1c时，由于硼酸基与HbA1c糖化端的顺式二醇发生作用，从而引起 PQQ氧化峰电流的变化。通过优化缓冲溶液、pH、温度、作用时间等，在最佳实验条件下，对不同浓度的HbA1c进行检测。实验结果表明，PQQ氧化峰电流的变化量与 HbA1c的含量呈良好的线性关系，线性范围为9.4~65.8μg mL-1（相关系数0.991），检测限为1.25μg mL-1（S/N=3）。此外，制备的传感器也成功用于健康人体血液中HbA1c百分含量的测定。建立的方法将为临床上HbA1c的日常检测提供新的策略。
　　（三）基于4-巯基苯硼酸（MPBA）的自缩合性质和 Hg2+与巯基强的共价结合能力，设计了一种纳米金比色法快速检测Hg2+。实验结果表明，首先MPBA的巯基与AuNPs形成Au-S键从而结合到AuNPs表面。当无Hg2+时，由于MPBA硼酸基的自缩合作用，导致AuNPs聚集，溶液颜色由酒红色变为蓝色；当有Hg2+存在时，由于巯基与Hg2+结合更强，MPBA失去诱导AuNPs聚集的能力，并且随着Hg2+浓度的增加，AuNPs的颜色逐渐从蓝色变为酒红色。体系吸光度比值A520/A690与 Hg2+浓度成一定的线性关系，线性范围为0.01~5μM（相关系数0.998），检测限为8 nM（S/N=3）。此外，在同等实验条件下加入其他金属离子不能引起明显的颜色改变，并且对实际水样Hg2+的测定也取得了满意的结果。此比色传感体系为环境样品Hg2+检测提供了一种快速、简单的新方法。
　　（四）基于纳米金比色传感器的灵敏、简便的特点和 Cu2+与 Aβ的相互作用，设计了一种新颖的比色传感体系用于阿尔兹海默病的标志物Aβ的测定，实验结果表明，当无Cu2+时，Aβ通过静电作用吸附于AuNPs表面，AuNPs处于分散状态，溶液颜色呈酒红色；当存在Cu2+时，由于Cu2+与两个Aβ上的氨基酸位点发生配位作用，从而引起AuNPs聚集，溶液颜色由酒红色变为蓝色。在最佳实验条件下，AuNPs溶液颜色变化与 Aβ浓度呈正相关，并且吸光度比值A609/A520与 Aβ浓度在10.5~313.5 nM范围内呈现良好的线性关系（相关系数0.996，检测限0.6 nM，S/N=3）。此外，考察了比色传感器对不同形态及不同片段的Aβ的比色响应，结果表现出良好的选择性。以期对阿尔兹海默病的早期诊断提供一种快速、简单及灵敏的新方法。

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第1章 绪论

1.1 纳米材料简介

1.2 纳米金比色传感器

1.3 石墨烯电化学传感器

1.4 硼酸识别作用

1.5 实验设想和研究意义

参考文献

第2章 基于硼酸-二醇识别作用和石墨烯信号放大作用的电位型传感器对唾液酸检测

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

参考文献

第3章 硼酸基修饰的吡咯喹啉醌/石墨烯传感界面的构筑及对糖化血红蛋白的伏安法测定

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

参考文献

第4章 基于4-巯基苯硼酸自缩合和纳米金聚集的比色传感器对Hg2+的高灵敏检测

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

参考文献

第5章 在Cu2+存在下基于纳米金的聚集比色法检测β-淀粉样蛋白

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 本章小结

参考文献

第6章 结论

附录

个人简历

在校期间发表论文

在校期间参与研究课题

致谢