纳米仿生界面的构建及纳米电化学生物传感器在生物分子检测中的应用研究

摘要

生物传感技术能够捕捉生物体内的各种生物信息，为临床医学珍断、生物医学基础研究等提供人体生理、病理相关信息，因而它的研究已成为迫切需要发展的课题。发展新型功能化的生物医用传感器件将为全面推进人类健康科学的发展提供历史性的契机。纳米技术的出现为该领域的研究发展开辟一个全新的天地，巧夺天工的纳米仿生界面的构建则把生物医用传感的进一步发展推向新的高峰。纳米仿生界面的研究是纳米科技与生命科学的交叉领域，它可以在纳米尺度空间上从分子层次研究生物大分子及其复合体或细胞的结构与功能，解决纳米技术在生物医学领域应用中的基础问题，发展新技术和新方法。各国科研工作者已经在仿生纳米界面上构建了各种生物传感器，用于肝炎，白血病、艾滋病以及SARS等的检测。但是这些研究都还处于起步阶段，寻求方便、快捷的制备和组装纳米材料的方法，构建功能化的仿生纳米界面，发展新的生物传感技术将会成为材料学家、分析化学家以及医学家等共同努力的方向。 在本论文中，通过电化学沉积、电聚合、共价键合、吸附和表面滴涂等方法对导电聚合物、多壁碳纳米管(MCNTs)、金纳米粒子(AuNPs)、合金纳米粒子、纳米氧化物等材料进行组合组装，在玻碳电极(GCE)表而构建了用于研究DNA、酶的固定和约物小分子检测的新型纳米仿生界面。利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线粉体衍射仪(XRD)及紫外可见分光光度法(UV—vis)、循环伏安法(CV)、电化学交流阻抗谱技术(EIS)、微分脉冲伏安法(DPV)、计时电流法、计时库伦分析法等对仿生界面的性质以及DNA、酶和药物小分子在生物界面上的电化学行为进行了探讨，具体内容如下： (1)制备了Fe@Fe2O3核壳纳米项链、Fe@Fe2O3核壳纳米线及立方纳米Cu2O三种氧化物纳米材料，并通过SEM、TEM及XRD技术对合成的纳米材料进行了表征。利用合成的纳米材料、聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)、AuNPs和MCNTs在GCE电极表面构建了PDDA/Fe@Fe2O3—AuNPs/PDDA/GCE、PDDA/Fe@Fe2O3—MCNTs/PDDA/GCE和PDDA/nanoCu2O—AuNPs/PDDA/GCE三个用于DNA损伤的纳米仿生界面。用UV—vis法研究了三种界面的性能。以Ru(NH3)63+和Co(phen)33+为电化学探针，通过CV、DPV法研究了DNA在三种界面内的电化学损伤。试验发现DNA的损伤主要发生在阴极处理过程。在阴极处理过程中，界面内发生了Fenton或类Fenton反应，反应生成的活性氧粒子(ROS)进攻并损伤DNA，此反应历程与生物体内重金属损伤DNA的历程十分相像，可用于模拟重金属损伤DNA的活体路线。三个DNA电化学传感器均具有较高的灵敏度和良好的稳定性，有望成为快速检测现存及新化学物质基因毒性的工具。 (2)通过电化学聚合反应、共价键合、吸附和滴涂等方式将聚硫堇(PTn)、聚酪氨酸(PTyr)、AuNPs和纳米二氧化锆—聚苯胺复合材料(nanoZrO2-PAN)修饰于GCE电极表面，分别构建了AuNPs/PTn/GCE和nanoZrO2-PAN/PTyr/GCE两种用于DNA固定和杂交的仿生界面。利用CV、DPV和EIS法对生物界面的性能及DNA在界面上的固定和杂交进行了研究。通过EIS技术对转基因植物外源基因草丁膦乙酰转移酶基因(PAT基因)片段进行了免试剂检测。PAT基因片段在ss—DNA/AuNPs/PTn/GCE和ss—DNA/nanoZrO2-PAN/PTyr/GCE电极上的检测范围依次分别为1.0×10-10～1.0×10-6mol/L和1.0×10-13～1.0×10-6 mol/L，检测限依次分别为3.2×10-11mol/L和2.68×10-14mol/L(S/N=3)。将ss—DNA/AuNPs/PTn/GCE电极用于转基因大豆中提取的外源基因胭脂碱合成酶基因终止子(NOS)的聚合酶链式反应(PCR)扩增产物的检测，结果满意。用nanoZrO2-PAN制得的传感器与用其它ZrO2材料制得的传感器相比，具有更宽的线性范围和更低的检测限。两种传感器均具有长期的稳定性、良好的选择性和再生性。 (3)利用恒电位电化学沉积技术，在聚苯胺纳米管(nanoPAN)和壳聚糖(CS)复合膜修饰的GCE电极表面电化学合成了金—铂合金纳米粒子(Au—PtNPs)，构建了用于辣根过氧化物酶(HRP)固定的纳米生物界面。在该生物界面上获得了HRP的直接电子转移并据此构建了一种新型的H2O2生物传感器。通过CV和EIS法对界而的性能进行了研究。在最佳试验条件下，采用计时电流法，通过往连续搅拌的PBS缓冲溶液中加入等量的H2O2研究了传感器对H2O2的安培响应。将该传感器用于H2O2的测定，响应速度快(＜2s)，线性范围宽(1.0～2200μmol/L)且检测限低(0.5μmol/L)(S/N=3)。将该生物传感器应具有较高的灵敏度、良好的重现性和长期稳定性，可用于实际样品中H2O2含量的测定。 (4)通过CV、线性扫描伏安法、计时库伦分析法，分别研究了林可霉素在Au—PtNPs/nanoPAN/CS/GCE界面上和阿米卡星在nanoPAN/CS/GCE界面上的电化学行为。建立了快速测定两种抗生素的电化学方法。林可霉素在Au—PtNPs/nanoPAN/CS/GCE上和阿米卡星在nanoPAN/CS/GCE上的检测范围依次分别为3.0～100.0mg/L和10.0～80.0mg/L，检测限依次分别为1.0mg/L和8.0mg/L(S/N=3)。试验研究计算了林可霉素在电极界面上的电子转移数(n)、动力学参数(na)及标准速率常数(ks)以及参与电极反应的H+数目等。将两种方法分别用于实际样品中抗生素含量的检测均得到了较为理想的结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章文献综述

1.1纳米材料及纳米仿生界面的构建

1.1.1常见的纳米结构材料

1.1.2纳米仿生界面的构建

1.2电化学生物传感器生物信号的转换

1.2.1免标记法

1.2.2标记法

1.3纳米电化学生物传感器研究进展

1.3.1 DNA生物传感器研究进展

1.3.2 H2O2生物传感器

1.3.3抗生素等药物电化学生物传感器

1.4研究新型纳米电化学生物传感器的理论及现实意义

1.5博士论文研究的设想

参考文献

第二章 以Fe@Fe2O3核壳纳米项链与金纳米粒子为阴极原位电化学损伤DNA模拟金属毒性的电化学生物传感器

摘要

前言

2.1试验部分

2.1.1仪器

2.1.2试剂

2.1.3试验方法

2.2结果与讨论

2.2.1 Fe@Fe2O3核壳纳米项链及膜修饰电极的表征

2.2.2 DNA损伤的电化学检测

2.2.3阴极处理过程中生成的H2O2和铁离子浓度的测定及机理探讨

2.3小结

参考文献

第三章 基于Fe@Fe2O3核壳纳米线与MCNTs的电Fenton反应原位快速检测DNA损伤的电化学生物传感器

摘要

前言

3.1试验部分

3.1.1仪器

3.1.2试剂

3.1.3试验方法

3.2结果与讨论

3.2.1 FeFe@2O3核壳纳米线的形貌及膜修饰电极的表征

3.2.2 DNA损伤的电化学测定

3.2.3 Fenton反应中生成的H2O2和铁离子浓度的测定及机理探讨

3.3小结

参考文献

第四章　纳米立方体Cu2O与金纳米颗粒的类Fenton反应体系在DNA损伤电化学生物传感器中的应用

摘要

前言

4.1试验部分

4.1.1仪器与试剂

4.1.2试验方法

4.2结果与讨论

4.2.1纳米立方Cu3O的形貌

4.2.2 DNA损伤的电化学测定

4.2.3 E-Fenton反应中生成的H2O2和铁离子浓度的测定

4.3小结

参考文献

第五章DNA在纳米金/聚硫堇膜上的固定和杂交及PAT基因和NOS基因PCR扩增产物的高灵敏度测定

摘要

前言

5.1试验部分

5.1.1仪器与试剂

5.1.2试验方法

5.2结果与讨论

5.2.1 AuNPs/PTh/GCE电极的制备与表征

5.2.2 DNA在AuNPs/PTh/GCE电极上的固定与杂交

5.2.3 DNA传感器的再生性、重现性和稳定性

5.2.4 PAT基因片段的交流阻抗检测

5.2.5 NOS基因PCR扩增产物样品的交流阻抗检测

5.3小结

参考文献

第六章 DNA在纳米ZrO2-聚苯胺复合物/聚酪氨酸膜上的固定和杂交及PAT基因片段的电化学阻抗谱测定

摘要

前言

6.1试验部分

6.1.1仪器与试剂

6.1.2试验方法

6.2结果与讨论

6.2.1修饰电极的制备与表征

6.2.2 DNA在nanoZiO2-PAN/pTyr/GCE电极上固定与杂交

6.2.3 DNA固定和杂交条件的优化

6.2.4 PAT基因序列的检测

6.3小结

参考文献

第七章 基于金铂合金纳米粒子/聚苯胺纳米管/壳聚糖复合膜协同效应的新型过氧化氢生物传感器

摘要

前言

7.1试验部分

7.1.1试剂与仪器

7.1.2试验方法

7.2结果和讨论

7.2.1聚苯胺纳米管与壳聚糖配比的优化

7.2.2修饰电极的电化学表征

7.2.3 HRP的直接电化学性能

7.2.4分析条件的优化

7.2.5修饰电极对过氧化氢的电流响应

7.2.6生物传感器的重现性和稳定性

7.2.7干扰试验

7.2.8应用

7.3小结

参考文献

第八章 林可霉素在金铂合金/聚苯胺纳米管/壳聚糖纳米复合膜上的电化学行为及应用研究

摘要

前言

8.1试验部分

8.1.1试剂与仪器

8.1.2试验方法

8.2结果与讨论

8.2.1修饰电极的电化学表征

8.2.2林可霉素在修饰电极上的电化学行为

8.2.3电化学参数的计算

8.2.4分析应用

8.3小结

参考文献

第九章 阿米卡星在聚苯胺纳米管修饰的玻碳电极上的电化学行为研究及应用

摘要

前言

9.1试验部分

9.1.1仪器与试剂

9.1.2试验方法

9.2结果与讨论

9.2.1阿米卡星的在循环伏安行为

9.2.2阿米卡星测定条件的选择

9.2.3分析应用

9.3小结

参考文献

结论

致谢

攻读学位期间已发表和待发表的相关学位论文题录