直立有序碳纳米管和金电极在电化学生物传感器中的应用研究

摘要

近些年来，由于在基因疾病诊断、环境监控检测、现代战争、法医鉴定、药物研究等方面的需求，对特定DNA序列、蛋白、酶等进行快速、高效、高灵敏度、低检测限，高选择性的检测有着越来越重要的作用和影响。其中，电化学生物传感器，由于其低成本、较高的灵敏度、简便、能够与现代微电子技术联用等优点，在近期收到了广大研究者的重视，是当今研究医学以及生物学等领域的前沿性课题。作为多壁碳纳米管中的一种，直立碳纳米管具有良好的导电性和较大表面积等优势。因此，将直立碳纳米管作为一种理想的电极材料被广泛地应用到生物传感器之中，其较大的表面积有利于固定DNA和各种蛋白质等，并且功能化后的直立碳纳米管阵列可以通过键合作用与生物分子一起固定于电极表面，在电化学分析研究中有广泛的应用前景。电化学交流阻抗方法是一种研究电极界面的性质、电极过程的检测技术。可以提供电子传递技术和双电层电容等参数，可以用于对电极界面和电化学反应过程的研究。将此技术应用于构建的生物传感器中，可以检测反应前后电极表面的变化，具有无标记、快速、灵敏等优点。本文的新颖之处在于，将不同的电极材料、各种生物分子和电化学分子技术相结构，研制出高选择性的生物传感器，用于DNA和酶的分析检测。成功研制出直立碳纳米管阵列修饰的电极在均相溶液中，通过主客体识别对DNA进行检测，杂交效率高，对单碱基的检测更加灵敏和准确。此外，我们还成功研制出无标记型检测半胱天冬蛋白酶-3的生物传感器，方法简单、廉价、快速，为DNA、蛋白质和酶的检测提供了多种方法。本研究分为三个部分：
　　 第一章：绪论。介绍了电化学生物传感器的研究进展，着重介绍生物传感器的的构建目的、原理，方法等。接着介绍了直立碳纳米管、主客体识别的技术在生物传感器中的应用。最后简述了本论文的研究目的、意义、内容和新颖之处。
　　 第二章：β-环糊精衍生物重氮化修饰直立碳纳米管及其通过主客体识别在均相溶液的DNA杂交检测中的应用。在直立碳纳米管(ACNTs)上，通过重氮化反应修饰上β-环糊精的衍生物，然后制备好的β-CD/ACNTs电极可以在均相溶液中，通过主客体识别对DNA的杂交进行检测。在我们的实验方案中，为了实现同类性质的DNA杂交，我们设计了双修饰DNA探针(DLP)，实验中的DNA两端都进行了修饰，其中一端修饰上dabcyl，作为β-CD的客体分子，另一端修饰上CdS的纳米颗粒可以作为电化学信号，检测DNA杂交信号。如果没有目标DNA，双修饰DNA探针(DLP)可以在溶液中保持其发夹结构，探针就不可以被β-CD/ACNTs电极捕获。当有互补DNA链存在的时候，DLP就可以打开与目标链形成双链的DNA(dsDNA)，这样β-CD/ACNTs电极就可以通过β-CD和dabcyl的主客体识别捕获dsDNA。因此，杂交可以明显改变DLP的结构，dsDNA可以被捕获到β-CD/ACNTs电极上，就可以检测到CdS nanoparticles-dsDNA/β-CD/ACNTs的电化学信号，在最优条件下，该实验方法的检测限为5.0×10-13 M，且对DNA检测有良好的选择性。
　　 第三章：新型的无标记型使用电化学阻抗检测caspase-3的方法。使用一种新型的无标记型电化学阻抗方法检测caspase-3。首先，由于半胱氨酸C含有巯基，因此在金电极上，通过自组装的方法修饰上多肽GDGDEVDGC，因此会导致金电极表面的电子转移受阻，因此电极表面的电化学阻抗值较大。但是半胱氨酸蛋白酶-3(caspase-3)会特异性剪切多肽片段DEVD，因此当caspase-3剪切D之后，金电极表面的电子转移变好，阻抗值变小。由此我们可以通过电化学阻抗方法检测caspase-3，用循环伏安法进行表征。实验结果表明，当caspase-3的浓度在5×10-5和5×10-3μ g/mL范围之内，电化学阻抗值和caspase-3的浓度值呈线性关系，相关系数为0.999。