电化学发光传感器构建新策略及其在动物疾病检测中的应用

摘要

近年来，疯牛病、口蹄疫、猪链球菌病、猪高致病性蓝耳病、禽流感、狂犬病等动物疫病对全球畜牧业的沉重打击，以及由此带来的食品安全问题对人类健康和社会经济生活产生了巨大影响。动物疫病防控与食品安全受到了极大的关注。实现对动物疾病标志物的早期监测，对疾病的诊断和控制有至关重要的意义。传统的检测动物疾病的方法（病毒中和试验、乳胶凝集试验、酶联免疫吸附测定法、荧光分析法以及PCR技术）大多数为感官或光学检测手段。多数方法存在灵敏度低、准确性低、耗时且操作门槛高等缺点。因此，亟需发展一些简单、快速、费用合理、灵敏且可靠的新技术或新方法来检测动物疾病。
　　基于此，本文立足于开发新型的动物疾病检测技术，从提高检测技术的灵敏度和准确度角度入手，设计并筛选了特性功能的纳米材料构建了三种信号放大的电化学发光传感器，并将其用于超灵敏地检测重大动物疾病标志物。论文分三个部分，具体研究内容如下:
　　1.构建三重和多重信号放大的电化学发光免疫传感器实现了猪伪狂犬病毒抗体的超灵敏检测
　　制备了金-石墨烯（Au-GN）纳米复合材料和硅包联吡啶钌纳米粒子(Si@RuNPs)。以Au-GN纳米复合材料为电活性基质，以Si@Ru NPs为增强的电化学发光信号标签，利用生物素-链霉亲和素-生物素(B-SA-B)为桥梁，依据“抗原-抗体-二抗”特异性作用构建了三明治式的电化学发光免疫传感器。对PrV单克隆抗体、PrV多克隆抗体以及实际的血清样品，该传感器均表现出较好的分析性能。其对单克隆抗体的检测范围为50 ng mL-1～1 pg mL-1，检测限为0.40 pg mL-1。此方法的检测性能远远优于酶联免疫吸附测定和荧光测定技术。进一步，通过控制形成B-SA-B结构，继续构造了多重信号放大的生物传感器。当重复这个过程三次之后，多重信号放大的生物传感器信号放大程度到最高，电化学发光信号是三重信号的放大生物传感器的23.1倍。该可调谐的生物传感器表现出好的稳定性、可接受的再现性和准确性，在食品安全和临床诊断中有一定的应用价值。此外，提出了一种“铺展、装载、生长”的三步构建策略，为三重和多重电化学发光生物传感器的构建提供了思路。
　　2.信号放大的近红外电化学发光传感器用于高灵敏检测猪蓝耳病毒
　　通过调控反应时间合理制备近红外CdTe/CdS量子点。通过碲纳米线模版法制备多孔铂金异质结纳米管。利用导电性能优异的碳纳米管作为量子点的载体，利用多孔铂金纳米管的催化作用，并利用β-环糊精与金刚烷的主客体作用，通过“抗体-抗原-抗体”模式构建三明治式电化学发光传感器，实现对猪蓝耳病毒的高灵敏检测。在PRRSV稀释比为1∶103～1∶106（约为19 ng/mL～19 pg/mL）这一浓度范围内，电化学发光信号强度与PRRSV浓度呈线性相关，最低检出限为10.8 pg/mL，比之前的PCR方法和ELISA具有更高的灵敏度和更宽的线性检测范围。该方法将光学检测模式从可见光区拓展到近红外光区，避开了血液样品或组织的自发光干扰，对实现高灵敏且低干扰的动物疾病检测有一定的指导意义。
　　3.信号放大的比率型近红外电化学发光传感器用于凝血酶的超灵敏检测
　　以凝血酶这一通用模型来研究双适配体夹心模式检测猪流行性腹泻病毒。利用石墨烯、金棒、hemin、G-四链体成功制备四位一体的石墨烯-金棒-DNA酶复合材料，并以近红外CdTe/CdS量子点和鲁米诺分别作为负电位信号和正电位信号，依据双适配体夹心模式构建信号放大的近红外比率型电化学发光传感器。该传感器中引入的四位一体的中间媒介可以引发近红外量子点的电化学发光协同猝灭以及鲁米诺的电化学发光的协同增强。在检测前后，传感器的信号出现“此消彼长”式的变化。通过双信号强度的比值和凝血酶浓度之间的对应关系实现定量检测。在凝血酶的浓度为100 ng/mL-0.5 pg/mL时，该比率型电化学发光传感器所得的ECLluminol/ECLQDs值与凝血酶浓度呈线性相关，其最低检出限为4.2 fg/mL（信噪比为3∶1）。该方法不仅将比率型电化学发光的信号标签从可见光拓展到了近红外光，同时，首次在比率型电化学发光传感器的构建中引入了信号放大策略，这对设计高灵敏度且高准确度的比率型电化学发光提供了一种很好的方法参考。

目录

声明

摘要

缩略语表

第一章 前言

1．1 引言

1．2 生物传感器的研究进展

1．2．1 生物传感器

1．2．2 生物传感器的组成

1．2．3 生物传感器生物敏感元件的固定化技术研究进展

1．2．4 生物传感器的分类及发展

1．2．5 生物传感器的评价标准

1．2．6 生物传感器食品和生物医学的应用研究

1．3 电化学发光生物传感器的研究进展

1．3．1 电化学发光概述

1．3．2 电化学发光技术发展历程

1．3．3 电化学发光机理和体系的研究进展

1．3．4 电化学发光生物传感器的应用进展

1．4 信号放大纳米生物传感器研究现状及挑战

1．4．1 纳米材料信号放大技术概述

1．4．2 纳米材料信号放大

1．4．3 信号放大纳米生物传感器研究进展

1．4．4 信号放大纳米生物传感器的挑战

1．5 论文设计思想

第二章 多重放大电化学发光纳米传感器检测伪狂犬病病毒抗体

2．1 研究目的及意义

2．2 材料

2．2．1 试剂

2．2．1 仪器

2．3 实验方法

2．3．1 制备金纳米粒子

2．3．2 制备GN-PDDA

2．3．3 制备GN-PDDA-AuNPs复合物

2．3．6 构造Ag-Ab1-Ab2三明治生物传感器

2．3．7 ECL的测试过程

2．4 结果与分析

2．4．1 Au-GN和Ru@SNPs的表征

2．4．2 Ru@SNPs的表征

2．4．3 ECL免疫传感器的表征

2．4．4 PrV抗体的ECL检测

2．4．6 三重或多重ECL生物传感器放大效果

2．4．7 多重信号放大效果及机制研究

2．5 讨论

2．6 结论

第三章 信号放大的近红外电化学发光传感器用于高灵敏检测猪蓝耳病毒

3．1 研究目的及意义

3．2 材料

3．2．1 试剂

3．2．1 仪器

3．3 实验方法

3．3．1 制备金纳米粒子

3．3．2 制备近红外CdTe／CdS小核厚壳型量子点

3．3．3 制备碲纳米线

3．3．5 制备Ada-Ab

3．3．7 “三明治”式电化学发光传感器的构建

3．4 结果与分析

3．4．1 PtAu BNTs的表征

3．4．2 CNTs、Au NPs和CdTe／CdS QDs的表征

3．4．3 PtAu BNTs-CD@Ada-Ab2复合物的表征

3．4．4 近红外CdTe／CdS小核厚壳型-过氧化氢体系电化学发光研究

3．4．5 电化学发光生物传感器的CV和EIS表征

3．4．6 电化学发光生物传感器的SEM表征

3．4．7 探究纳米材料协同信号放大效果

3．4．8 探究信号放大的电化学发光传感器对PRRSV的检测效果

3．4．9 探究电化学发光生物传感器的特异性和稳定性

3．4．10 研究PRRSV在实际血清中的加标回收率

2．5 讨论

2．6 小结

第四章 近红外比率型电化学发光传感器检测凝血酶

4．1 研究目的与意义

4．2 实验材料

4．2．1 材料

4．2．1 仪器

4．3 实验方法

4．3．1 氧化石墨(Go)的合成

4．3．2 合成rGO-H和rGO-H-AuNRs

4．3．3 制备rGO-H-AuNRs-G4H复合物

4．3．4 利用TBA1-TB-TBA2模式构建三明治式适配体传感器

4．4 结果与分析

4．4．1 rGO-H-AuNRs相关纳米材料表征

4．4．3 研究rGO-H-AuNRs材料对量子点和鲁米诺光学性质影响

4．4．4 表征rGO-H-AuNRs-TBA2复合物

4．4．5 探究比率型电化学发光传感器的构建过程

4．4．6 研究比率型电化学发光传感器的电化学发光规律

4．4．7 探究rGO-H-AuNRs-G4H对电化学发光的信号放大效果

4．4．8 超灵敏比率型电化学发光传感器检测凝血酶

4．4．9 探究比率型电化学发光生物传感器的特异性、再现性和稳定性

4．4．10 凝血酶实际血清加标回收实验

4．5 讨论

4．6 结论

第五章 全文总结及展望

5．1 全文总结

5．2 展望

参考文献

作者简介

博士期间已发表或待发表的论文

会议论文

研究生期间参加的研究项目

致谢