电位选择可析光电化学生物传感器的构建及其应用研究

摘要

电流型光电化学（PEC) 传感定量检测是基于目标物和PEC活性底物（或探针）间的相互作用而引起的光电流变化，而影响光电流变化的环境因素会降低测定结果的准确度，因此开发能够降低干扰、提高检测可靠度的PEC传感器具有重要意义。本论文构建了一系列避免额外增加辅助设备、提供更可靠分析的、电位可析型PEC生物传感平台。主要研究工作如下： 1、分别将筛选出的两种具有不同临界电位的PEC活性材料BiPO4纳米粒子和 BiPO4-还原氧化石墨烯（BiPO4-rGO)固定在ITO电极相邻的两个区域，基于施加不同的外加电压时，BiPO4-rGO阴极和BiPO4阳极产生的光电流互相不干扰，构建了一种电位可析型比率PEC传感平台，该传感平台消除了光强、离子强度等环境因素的影响；以检测赭曲霉毒素A (OTA)为例，将OTA适配体进一步固定在BiPO4-rGO表面，基于OTA浓度增加，阴极光电流增大，而阳极光电流不受影响（作为评估环境因素的稳定参考），利用阴阳两极光电流比值与OT A浓度间关系，构建了一种检测OTA 的电位可析型比率PEC传感器，其检测范围为2 pg mL-1~50 ng.mL-1，检出限为0.67 pg mL-1 (S/N = 3)。该电位可析比率光电化学传感器构建技术，是一种可以拓展构建应用于检测其他目标物如大肠杆菌等的PEC传感平台的通用型技术。 2、进一步选择CdTe量子点与其氧化石墨烯复合物（CdTe-GO)为PEC活性材料，将其分别修饰在电极相邻的两个区域，以检测黄曲霉毒素B1 (AFB1)为例，将 AFB1适配体分别通过共价结合或物理吸附固定在两个区域表面。基于调节外加电压时，增加AFB1浓度，阴极光电流增大而阳极光电流减小获取双重浓度信息，构建了一种电位可析双通道自参比光电化学生物传感平台，从而获得阴极和阳极光电流所对应的两条线性曲线，AFB1的浓度均在10 pgmL-1?100 ngmL-1范围内呈线性关系，两条线性曲线可以相互校正。同时检测光照强度不同或不同阻值电极的光电流，利用两条线性校正曲线可算得不同光电流所对应的 浓度，辨析出光电流变化是来自目标物还是其他干扰因素，从而提高检测的可靠性和准确性。 3、将制备的CdTe-三维石墨烯水凝胶和CdTe-氮化碳分别固定在ITO电极相邻的两个区域，制得光阴极和阳极PEC活性界面，进一步将特异性识别miRNA141和miRNA21的probe DNA1和DNA2共价结合在这两个界面，依次分别将miRNA141和 miRNA21、cDNA1和cDNA2耦合的纳米金（AuNPs) 滴加在对应的传感界面，基于miRNA先与对应的probe DNA结合，剩余未结合的probe DNA与AuNPs结合的竞争性反应，利用AuNPs表面等离子体共振扩增光电流和相应的miRNA抑制阴极和阳极光电流，获得两条线性曲线，构建一种同时检测两种miRNA的电位可析PEC生物传感平台。该传感器对miRNA141和miRNA21的响应范围分别为1?104和1?105 fM，对应的检出限是0.29和0.31 fM (S/N=3)。该传感平台的构建技术是一种可以拓展构建应用于检测其他目标物如生物标记物等的PEC传感平台的通用型技术。

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1.1 光电化学生物传感器的概述

1.1.1光电化学生物传感器的原理

1.1.2光电化学生物传感器的分类

1.2.1 电位可析型比率电化学生物传感器的研究

1.2.2 电位可析型电化学生物传感器检测双目标物的研究

1.3波长可析和电位可析型光电化学生物传感器的研究进展

1.3.2波长可析和电位可析型光电化学生物传感器检测双目标物的研究

1.4 本论文的研究思路及主要研究内容

第二章 一种电位可析新型比率光电化学适配体传感器

2.1 实验部分

2.1.4 电极修饰的步骤

2.2 结果与讨论

2.2.2 SEM形貌表征

2.2.4 适配体参数优化

2.2.5 比率光电化学的优势

2.2.6 比率光电化学法检测OTA

2.2.7 选择性和重现性

2.2.8 OTA在实际样品中检测分析

第三章 一种电位可析双通道自参比光电化学生物传感器

3.1 实验部分

3.1.2 实验仪器和设备

3.1.5 电极的修饰步骤

3.2 结果与讨论

3.2.3 实验条件的优化

3.2.4 双通道自参比PEC生物传感器检测AFB1

3.2.5 双通道自参比PEC生物传感器的优势

3.2.6 选择性和稳定性

3.3 本章小结

第四章 一种通用的电位可析光电化学生物传感器对双目标物microRNAs的检测

4.1 实验部分

4.1.2 实验仪器和设备

4.1.4 CdTe-3DGH NCs和CdTe-C3N4 NCs的制备

4.1.6 检测机理

4.2 结果与讨论

4.2.2 CdTe-3DGH和CdTe-C3N4的XRD表征

4.2.3 cDNA和cDNA-coupled AuNPs的紫外可见吸收光谱表征

4.2.5 CdTe-3DGH和CdTe-C3N4的EMI表征

4.2.6 CdTe-3DGH和CdTe-C3N4的材料优化

4.2.8 适配体参数优化

4.2.9 PEC生物传感器检测双目标物miRNA141和miRNA21

4.2.10 选择性和稳定性

4.2.11 在人体血清中实样检测

4.3 本章小结

第五章 结论与展望

5.2展望

参考文献

致 谢

在学期间发表以及待发表的学术论文及其它科研成果