基于纳米材料新型生物传感器的制备及其在生物样品分析中的应用研究

摘要

随着生命科学的飞速发展，人们对生物代谢过程中相关物质的分析检测要求越来越高。为了获得准确、全面的生物信息，急需发展一些具有高灵敏度、高选择性的分析检测方法。生物传感器是一种由生物、化学、物理、医学及微电子技术等多学科交叉渗透发展起来的检测技术，具有操作简便、灵敏度高、选择性好、分析速度快等特点，受到了人们的高度重视，在生物分析领域具有广泛的应用前景。纳米材料具有介于宏观和微观之间的纳米尺寸结构，呈现出独特的物理化学性能，如：比表面积大、催化活性高、生物兼容性能强等。随着纳米技术的广泛应用，生物传感器的发展迎来了新的机遇。纳米技术的引入能够有效地提高生物传感器的灵敏度、稳定性等性能，极大地促进了生物传感器的发展。另外，随着光电技术的发展，将光电催化反应和电化学生物传感器相结合，构建光电化学生物传感器，能够充分融合两者的优点，实现较高灵敏度的分析检测。本文将纳米技术、电化学、光电化学和生物化学相结合，制备了多种新型生物传感器，并将其应用于几种常见老年病的相关代谢物质的检测。具体内容如下：
　　 第一章：绪论。介绍了生物传感器的原理及其发展应用，着重介绍了电化学酶生物传感器和免疫传感器；介绍了纳米材料及其在生物传感器中的应用；简述了光电化学的作用机理；介绍了几种常见的老年病及其发病机制；最后提出了本论文的研究目的和意义。
　　 第二章：双酶传感器同时检测大鼠血清与腹腔巨噬细胞内葡萄糖与胆固醇的应用研究。制备了一种以聚硫堇为电子媒介体的双酶传感器，并将其应用于大鼠血清与腹腔巨噬细胞内葡萄糖与胆固醇的同时检测，为研究糖尿病引发动脉粥样硬化的发病机制提供有效的实验依据。电极表面的聚硫堇能够作为电子媒介体在酶活性中心和电极之间传递电子，使双电极上产生的电子直接转移至电极表面，为双电极的同时检测提供了较高的选择性和抗干扰能力。修饰在PTH表面的金纳米粒子，能够增加酶的负载量，维持酶的生物活性，从而提高传感器的灵敏度和稳定性。结果表明，制备的双酶传感器选择性好、灵敏度高、稳定性好，对葡萄糖和胆固醇具有很好的电流响应。研究发现，糖尿病大鼠血清内的葡萄糖浓度较对照组偏高，胆固醇浓度无明显差异；其腹腔巨噬细胞内胆固醇和葡萄糖的浓度均明显增加。已有研究表明，巨噬细胞内胆固醇的大量积累是动脉粥样硬化的主要病因。因此我们推测，由糖尿病引起的高浓度的葡萄糖可能是通过提高巨噬细胞内胆固醇的浓度，从而引发动脉粥样硬化的产生。
　　 第三章：光电化学免疫传感器的制备及其对α-突触核蛋白的检测。α-突触核蛋白(α-SYN)是一种与帕金森氏病密切相关的神经蛋白。本章制备了一种基于Au-TiO2纳米管的光电化学免疫传感器，并将其应用于α-SYN的检测。首先，采用电化学阳极氧化技术在钛片上制备高序排列的TiO2纳米管阵列。随后，采用光电化学沉积法，将Au纳米粒子沉积到TiO2纳米管内部，在沉积有Au的TiO2纳米管上固定单克隆抗体。同时，将多克隆抗体和葡萄糖氧化酶连接在Au纳米粒子上制备纳米材料修饰的免疫复合物。实验结果表明，制备的TiO2-Au-Ab1-α-SYN-{Ab2-Au-GOx)免疫传感器灵敏度高，重现性好，稳定性高，用于α-SYN的检测取得了满意的结果。
　　 第四章：基于N/F-Ag-TiO2的光电化学酶生物传感器的制备及其对乙酰胆碱醑酶活性抑制的应用研究。乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase，AChE)是一种在胆碱能系统内神经信号传导过程中起着关键作用的丝氨酸水解酶，其活性的异常变化和帕金森氏病密切相关。本文利用电化学阳极氧化技术制备了N/F掺杂的复合TiO2纳米管，并通过微波加热法将Ag纳米粒子负载在N/F-TiO2上，利用交联法将AChE固定在纳米管表面，制得N/F-Ag-TiO2-AChE光电化学酶生物传感器。该传感器应用于研究内源性神经毒素(R)-salsolinol[(R)-Sal]和N-methyl-(R)-salsolinol[(R)-NMSal]对AChE活性抑制的作用。研究结果表明，(R)-Sal和(R)-NMSal对AChE活性抑制均表现为可逆的混合型抑制作用，这与帕金森氏病致病机理密切相关，也为AChE在帕金森氏病病理研究方面提供了重要的实验依据。