表面电性可调微管马达的制备及其用于核酸分离的研究

摘要

核酸检测在生物医学、食品安全以及环境监测等领域应用广泛。为了提高核酸检测方法的灵敏度与选择性，首先需要将核酸从待测样品中分离出来。近年来，许多核酸分离的方法不断涌现。其中，微流控技术由于具备操作简易、消耗样品和试剂较少等优点，受到广大科研工作者的青睐。但是，这些方法需要借助蠕动泵驱动液体流动或者利用电机搅动溶液，整个操作系统较为复杂。相比于静态的微纳米材料，气泡驱动型管状微米马达无需外界器件的辅助，便能够在微量的溶液中自主运动并搅动溶液，因此有望简化基于微芯片的核酸分离方法。然而，目前发展的基于管状微米马达的核酸分离方法只能用于捕获特定的核酸序列并且无法将捕获的核酸从管状马达上释放下来，因此在实际应用中有很大的局限性。鉴于此，本论文利用电性可调的聚乙烯亚胺（PEI）以及管状微米马达，在核酸分离中做了以下工作： 首先，基于模板辅助的电化学沉积技术，制备得到了单锥型的PPy-COOH/PPy/Ni/Pt管状微米马达。研究了电化学沉积的电压和电镀液聚合物的单体浓度对管状微米马达形貌的影响，燃料浓度对其运动速率的影响规律以及外部磁场对其运动方向的控制。研究结果表明，电化学沉积聚合物PPy层时的优化条件为：在恒电压+0.806V下，电荷沉积量为0.5C和电镀液的单体浓度为74mmol/L。提高H2O2的体积分数可提高管状微米马达的运动速率。当燃料池中H2O2体积分数增加到4%时，马达的平均运动速率可增至485±38μm/s。此外，通过沉积磁性Ni层，可利用外部磁场实现对其运动方向的控制，这为马达的定向运输提供了可能。该工作中制备的马达可进一步表面功能化，有望作为一种廉价的功能器件应用于生物医学领域。 其次，在上述管状微米马达研究的基础上，基于PEI电性可调的特性，首次提出并制备出PEI修饰管状微米马达。研究了H2O2初始体积分数、溶液pH、反应时间、马达量对核酸捕获效率的影响规律；溶液pH对核酸释放的影响规律；该马达的循环使用性能、在含蛋白质和核酸模拟样品中核酸捕获效率以及在微流体芯片中运动性能等。研究结果表明，该马达在pH4.0的溶液中可实现高效捕获任意碱基序列的核酸，优化反应时间为50min，马达量为8μg。当捕获核酸后的马达被置于碱性介质时，核酸可从马达上释放下来；当溶液的pH为11.0时，释放效率可达80%。在模拟样品中，调节溶液pH可消除BSA对核酸捕获的影响。此外，该马达在捕获和释放核酸的过程中展示了良好的循环使用性，同时在微流体芯片中借助外部磁场展示了良好的运动性能。我们发展的PEI修饰管状微米马达极大地简化核酸分离的过程，进一步推动分子诊断的发展。 本论文不仅为核酸的分离提供了一种新途径，而且为微纳米马达的发展和应用提供新思路。

目录

声明

第1章 绪论

1.1引言

1.2管状微纳米马达的驱动机理

1.2.1化学能驱动型管状微纳米马达

1.2.2外场能驱动型管状微纳米马达

1.2.3运动微生物驱动型管状微纳米马达

1.3管状微纳米马达的制备方法

1.3.1卷曲法

1.3.2模板辅助法

1.4管状微纳米马达的实际应用

1.4.1污水治理

1.4.2传感

1.4.3药物运输

1.4.4微创手术

1.5聚乙烯亚胺及其性质

1.6核酸及其分离方法

1.7本论文研究目的及研究内容

第2章PPy-COOH/PPy/Ni/Pt管状微米马达的制备

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验试剂和仪器设备

2.2.2 PPy-COOH/PPy/Ni/Pt管状微米马达的制备

2.2.3 PPy-COOH/PPy/Ni/Pt管状微米马达外层存在羧基的验证

2.2.4样品的测试和表征

2.3结果与讨论

2.3.1 PPy-COOH/PPy/Ni/Pt管状微米马达的形貌和成分表征

2.3.2 PPy-COOH/PPy/Ni/Pt管状微米马达的化学基团表征

2.3.3 PPy-COOH/PPy/Ni/Pt管状微米马达聚合物外层的形貌优化

2.3.4 PPy-COOH/PPy/Ni/Pt多层管状微米马达的运动性能

2.3.5 PPy-COOH/PPy/Ni/Pt多层管状微米马达运动方向的控制

2.4本章小结

第3章 PPy-COOH/PPy/Ni/Pt管状微米马达的PEI修饰及其在核酸分离中的应用研究

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1实验试剂和仪器设备

3.2.2溶液的配置

3.2.3支链PEI修饰的PPy-COOH/PPy/Ni/Pt管状微米马达

3.2.4核酸捕获与释放的实验步骤

3.2.5样品测试及表征

3.3实验结果与讨论

3.3.1 PEI修饰PPy-COOH/PPy/Ni/Pt管状微米马达运动性能的表征

3.3.2 PEI修饰的管状微米马达捕获核酸的能力

3.3.3核酸捕获条件的优化

3.3.4核酸释放条件的优化

3.3.5马达的循环使用性能

3.3.6模拟样品中捕获核酸

3.3.7马达在微流体芯片中的应用

3.4本章小结

第4章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果