抗生物污垢纳米材料的制备及其在全血成分检测中的应用

摘要

全血直接检测中的传感器电极表面的生物污染是制约生物医学检测的关键科学问题之一。现有生物传感器在血液中直接应用时，因电极表面与血液直接接触时，容易发生生物污垢而导致传感器电化学响应严重受损，以至于不能满足医疗需求。本论文在分子水平和微纳米尺度上设计并可控合成特定的具有良好抗凝血性能的高分子微纳米材料;研究抗凝血高分子微纳米材料抑制血液成分在电极表面形成生物污垢的普适机制，以及其对所固定生物分子的生物相容性效应，并通过血液特定成分检测试验，对此类表面构建具有良好抗生物污垢性能的高分子微纳米材料的新型生物传感器在全血情况下的电化学性能进行系统的测试与分析。本论文以抗生物污垢高分子微纳米材料的设计与可控制备为主导，以可直接应用于全血样品成分检测的纳米电化学生物传感器的制备为目标，为进一步推动生物医学检测技术的发展进行基础理论研究。
　　主要内容如下:
　　1.通过一步相分离法合成了聚氨酯-Pluronic F127纳米粒子(PU-F127 NPs)，表征了纳米粒子的形貌、粒径以及组成。并对PU-F127 NPs的抗生物污垢性能和蛋白相容性分别作了评价，结果显示PU-F127 NPs具有良好的抗生物污垢性能，同时能很好地保持葡萄糖氧化酶(GOx)的活性。将制备的PU-F127 NPs修饰到GCE表面，再固定上GOx从而制备出一种新颖的GOx/(PU-F127)/GCE葡萄糖生物传感器，并对这种生物传感器的电化学性能进行研究。进一步将该生物传感器应用到全血中对血液中的葡萄糖进行检测，检测结果表明该生物传感器具有抗生物污垢性能，检测线性范围宽，检测灵敏度良好，同时具有很好的特异性、稳定性和准确性。
　　2.合成了聚吡咯-Pluronic F127纳米粒子(PPy-F127 NPs)，并对其进行表征。同时评价了PPy-F127NPs的抗生物污垢性能和蛋白相容性。实验结果显示PPy-F127 NPs具有良好的抗生物污垢性能。将制备好的PPy-F127 NPs修饰到GCE表面，再固定上GOx从而制备出一种新颖的GOx/(PPy-F127)/APTES/GCE葡萄糖生物传感器，并对这种生物传感器的电化学性能进行研究，同时将该生物传感器应用到全血中对血液中的葡萄糖进行检测，检测结果表明该生物传感器具有抗生物污垢性能，检测线性范围宽(0.2-20 mM)，检测灵敏度良好，同时具有很好的特异性、稳定性和准确性，这些结果均说明了GOx/(PPy-F127)/APTES/GCE生物传感器具有潜在的临床应用价值。
　　3.采用丁二酸酐对超支化聚酯(HBPE)的末端进行接枝改性，得到了羧基化超支化聚酯(HBPE-CA NPs)，使其从原来的脂溶性高分子变成了水溶性高分子。表征了HBPE-CA NPs的性质。由于HBPE-CA NPs具有活性官能团多，血液相容性良好以及较好的抗生物污垢性能，将其修饰到电极表面，并进一步和凝血酶适配体(TBA)进行结合构建了一种新型的电化学适体传感器。将该适体传感器应用到全血中进行凝血酶的检测，具有宽的线性范围（10 fM-100 nM）、较低的检测限(0.90 fM)、良好的重复性、稳定性、准确性，同时能够实现全血中的凝血酶的灵敏检测。
　　4.将羧基化超支化聚酯(HBPE-CA NPs)通过静电结合到电沉积了CS-Au的电极表面，并将其与全血孵化后评价其表面抗生物污垢性能。进一步在表面接枝了癌胚抗体（anti-CEA），构建了一种新型的电化学免疫传感器，对其电化学性能进行评价，同时将其应用到全血中进行癌胚抗原(CEA)的检测。检测结果表明该免疫传感器能应用于全血中CEA的检测，检测线性范围宽（1 fg·mL-1-107 fg·mL-1），检测限较低（0.251 fg·mL-1），同时具有很好的特异性、稳定性和准确性，这些均说明了该免疫传感器有潜在的临床应用价值。
　　5.合成了聚吡咯-Pluronic F127-金纳米粒子(PPy-F127-Au NPs)，对纳米粒子的形貌、粒径和组成进行了分析检测。并对PPy-F127-Au NPs的细胞毒性和抗生物污垢性能作了评价，结果显示PPy-F127-Au NPs具有良好的细胞相容性和抗生物污垢性能。将制备的PPy-F127-Au NPs修饰到GCE表面，再固定上KH1C12适体，发展了一种电化学细胞传感器用于白血病细胞(HL-60)的定量检测。该细胞传感器在复杂的血液环境中也能得到较宽的检测范围(1.0×102 to1.0×106 cells·mL-1)和较低的检测限(89cells· mL-1)，受环境干扰作用的影响很小。同时在修饰PPy-F127-Au NPs的电极表面固定不同的适体，能够特异性检测可与之特异性结合的其他细胞，该方法有望进一步发展成为新型的细胞检测技术，为监测肿瘤及其它疾病进程中的细胞提供了重要工具。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 血液及其成分检测

1．1．1 血液概述

1．1．2 血液成分检测的意义

1．1．3 血液成分检测的方法

1．2 纳米电化学生物传感器

1．2．1 纳米电化学生物传感器的定义及分类

1．2．2 纳米电化学生物传感器的研究进展

1．3 纳米生物医用材料

1．3．1 纳米生物医用材料的定义

1．3．2 纳米生物医用金属材料

1．3．3 纳米生物医用无机材料

1．3．4 纳米生物医用高分子材料

1．3．5 纳米生物医用复合材料

1．4 抗生物污垢技术

1．4．1 生物污垢的定义

1．4．2 材料或器械表面抗生物污垢技术

1．5 本论文的研究目的和主要研究内容

1．5．1 本论文的研究目的

1．5．2 本论文的主要研究内容

2 聚氨酯-Pluronic F127纳米粒子的制备及其在全血中的检测应用

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 仪器及试剂

2．2．2 纳米粒子的合成

2．2．3 纳米粒子的表征

2．2．4 抗生物污垢性能的评价

2．2．5 纳米粒子的生物传感器的构建、性能评价以及对全血中葡萄糖的检测

2．3 结果与讨论

2．3．1 PU-F127纳米粒子的表征

2．3．2 抗生物污垢性能评价

2．3．3 GOx／(PU-F127)／GCE生物传感器的条件优化实验

2．3．4 GOx／(PU-F127)／GCE生物传感器的的直接电化学

2．3．5 GOx／(PU-F127)／GCE生物传感器对葡萄糖的电催化

2．3．6 GOx／(PU-F127)／GCE生物传感器在全血中的线性

2．3．7 GOx／(PU-F127)／GCE生物传感器的稳定性和抗干扰性

2．3．8 实际样品检测

2．4 结论

3 聚吡咯-Pluronic F127纳米粒子的制备及其在全血检测中的应用

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 仪器及试剂

3．2．2 纳米粒子的合成

3．2．3 纳米粒子的表征

3．2．4 抗生物污垢性能的评价

3．2．5 生物传感器的构建、性能评价以及对全血中葡萄糖的检测

3．3 结果与讨论

3．3．1 PPy-F127 NPs的表征

3．3．2 抗生物污垢性能评价

3．3．3 GOx／(PPy-F127)／APTES／GCE生物传感器的直接电化学

3．3．4 GOx／(PPy-F127)／APTES／GCE生物传感器对葡萄糖的电催化

3．3．5 GOx／(PPy-F127)／APTES／GCE生物传感器的稳定性和抗干扰性

3．3．6 实际样品检测

3．4 结论

4 羧基化超支化聚酯纳米粒子的制备及其对全血中凝血酶的检测

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 仪器与试剂

4．2．2 HBPE-CA NPs的合成

4．2．3 HBPE-CA NPs的表征

4．2．4 抗生物污垢性能的评价

4．2．5 构建基于HBPE-CA NPs的适体传感器和凝血酶的检测

4．2．6 适体传感器的生物相容性评价

4．2．7 电化学检测

4．3 结果与讨论

4．3．1 HBPE-CA NPs的表征

4．3．2 抗生物污垢性能评价

4．3．3 TBA／(HBPE-CA)的表征

4．3．4 适体传感器的电化学表征

4．3．5 孵育时间的影响

4．3．6 Thrombin／TBA／(HBPE-CA)／ITO适体传感器的电化学研究

4．3．7 Thrombin／TBA／(HBPE-CA)／ITO适体传感器的特异性检测

4．3．8 适体传感器的稳定性和可重复使用性

4．3．9 实际样品分析

4．4 结论

5 羧基化超支化聚酯纳米粒子对全血中癌胚抗原的检测

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 仪器与试剂

5．2．2 CS-Au修饰的电极的制备

5．2．3 电化学免疫传感器的制备

5．2．4 电极表面抗生物污垢性能的评价

5．2．5 电化学检测

5．3 结果与讨论

5．3．1 HBPE-CA NPs的表征

5．3．2 抗生物污垢性能评价

5．3．3 免疫传感器的条件优化实验

5．3．4 扫速对(HBPE-CA)／CS-Au／GCE的影响

5．3．5 免疫传感器的电化学表征

5．3．6 免疫传感器的性能研究

5．3．7 免疫传感器的特异性检测

5．3．8 免疫传感器的稳定性和可重复性

5．3．9 实际样品分析

5．4 结论

6 聚吡咯-Pluronic F127-金纳米粒子对全血中癌细胞的检测

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 仪器与试剂

6．2．2 PPy-F127-Au纳米粒子的合成

6．2．3 纳米粒子的表征

6．2．4 抗生物污垢性能的评价

6．2．5 细胞培养和细胞处理

6．2．6 细胞传感器制备

6．3 结果与讨论

6．3．1 PPy-F127 NPs的表征

6．3．2 抗生物污垢性能评价

6．3．3 细胞毒性研究

6．3．4 水接触角数据分析

6．3．5 细胞传感器的孵化时间优化实验

6．3．6 免疫传感器的电化学表征

6．4 结论

7 结论

7．1 结论

7．2 论文的主要创新点

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和出版著作情况

攻读博士学位期间参加的科学研究情况