新型电化学生物传感器的研制及其在生物样品检测中的应用研究

摘要

电化学生物传感器是利用酶、抗体、微生物等作为敏感元件探测器，将探测器上所产生的物理量、化学量的变化转换成电信号的一种装置。它起源于1962年Clark等人报道的酶电极，该酶电极用葡萄糖氧化酶与氧电极组合来检测葡萄糖。至今逐渐发展为一门生物、化学、物理、医学、电子技术等诸多学科综合交叉的技术--生物传感技术。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、所需仪器简易等优点，是当前科学研究中普遍使用的检测方法之一，在临床诊断、环境监测、药物分析、食品安全检测等方面得到了高度重视和广泛应用。纳米材料具有比表面积大、催化性能独特和生物兼容性好等特点。将纳米材料应用于生物传感器的制备，能够有效地增强传感器的电流响应、提高灵敏度、降低检测限，为生物传感器的研制提供了广阔的发展空间。
　　 本文充分利用生物传感技术和纳米技术的优点，通过对传感界面生物分子的固定和生物识别信号转换的研究，致力于研制超高灵敏度、超高选择性和稳定性的新型电化学生物传感器。同时，将制得的电化学生物传感器分别用于水体中大肠杆菌的检测、乙酰胆碱酯酶活性损伤的研究以及肿瘤细胞表面糖基化的测定，取得了较好的成果。通过对ZnO纳米棒、氧化硅纳米微球、碳纳米管等多种材料进行功能化修饰，将抗体、酶、细胞等生物分子固定于其表面，进而展开生物分子识别的研究。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜等手段表征传感器的形貌，以交流阻抗、循环伏安、示差脉冲等方法研究电活性物质在生物传感器表面的电化学性质及响应机理，从而实现了对不同生物样品的检测研究，为生命科学及其相关领域的研究提供新方法。具体内容如下：
　　 第一章：绪论。系统介绍了生物传感器的概念和工作原理，根据检测换能器的不同进行了分类比较，着重介绍了电化学生物传感器的特点。简述了纳米技术的发展及其在电化学生物传感器中的应用，介绍了电化学生物传感器在三种生物样品检测中的应用。最后阐述本论文的工作及意义。
　　 第二章：基于二茂铁修饰的ZnO纳米棒的电化学免疫传感器用于水体中大肠杆菌的检测。将检测抗体(dAb)和二茂铁(Fc)共同修饰于ZnO纳米棒表面合成了{dAb-ZnO-Fc｝生物复合物，并将其用于水体中大肠杆菌的电化学免疫检测。该生物复合物中，二茂铁作为电活性物质产生电信号，检测抗体用于免疫结合大肠杆菌。两者的含量分别采用BCA蛋白测定法(BCA protein assay)和电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定，并对其在ZnO纳米棒上的配比进行了优化。采用“三明治”夹心结构，首先将捕获抗体(cAb)固定在巯基乙酸修饰的金电极表面，接着通过免疫反应结合大肠杆菌，进而吸附{dAb-ZnO-Fc｝生物复合物，最后用示差脉冲伏安法检测电极表面的二茂铁信号。实验结果表明，该法具有良好的分析性能，线性范围为1.0×102～1.0×106 cfu/mL，检出限为50 cfu/mL。通过富集浓缩，利用该电化学检测方法可以检测到医院污水中5 cfu/10 mL的大肠杆菌。本方法具有操作简单、灵敏度高等特点，可广泛应用于其它生物样品的检测。
　　 第三章：基于三维有序大孔复合材料的新型电化学生物传感器用于乙酰胆碱酯酶活性损伤的研究。乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase，AChE)是一种丝氨酸水解酶，同时也是生物神经传导中的一种关键酶，在神经信号传导过程中起着重要作用。AChE活性的异常变化与中枢神经系统损伤性疾病密切相关。本章研制了一种新型的乙酰胆碱酯酶生物传感器，并将其应用于内源性神经毒素1(R)，2-二甲基-6，7-二羟基-1，2，3，4-四氢异喹啉[(R)-NMSal]对乙酰胆碱酯酶活性抑制的作用机理研究。以SiO2纳米微球修饰的玻碳电极作为模板，在离子液体(ionic liquid，IL)存在下电聚合聚苯胺(polyaniline，PANI)，然后用氢氟酸将SiO2模板溶解，形成IL-PANI膜。接着在该材料表面电镀纳米金(AuNPs)，得到三维有序的大孔AuNPs/IL-PANI复合材料。该复合材料形态多孔均匀，能够有效地固定乙酰胆碱酯酶，且保持其生物活性。实验结果表明，被固定的乙酰胆碱酯酶能高效地催化底物氯化硫代乙酰胆碱(ATCh)生成硫代胆碱(Th)，产生电化学响应。基于此，将该生物传感器应用于乙酰胆碱酯酶活性抑制的作用机理研究，取得了满意的结果。这为乙酰胆碱酯酶在神经退行性疾病的致病机理、药物筛选以及酶生物传感技术等方面提供重要的实验依据。
　　 第四章：凝集素电化学生物传感器用于活体肿瘤细胞表面多聚糖的检测研究。研制了一种高灵敏度和高选择性的凝集素电化学生物传感器，并将其用于检测甘露糖(mannose)和唾液酸(sialic acid)在人体肺、肝、前列腺组织中正常细胞和肿瘤细胞表面的表达水平。采用碳纳米管/纳米金复合材料修饰电极(MWNT/AuNP/GCE)固定凝集素，利用细胞表面的多聚糖和凝集素之间的特异性结合将细胞吸附在传感器表面，然后结合硫堇包被金纳米粒子标记的凝集素({lectin-Au-Th}生物复合物)构建“三明治”夹心结构，最后用示差脉冲伏安法定量检测硫堇，实现了对细胞表面多聚糖表达水平的测定。实验结果表明，甘露糖在正常细胞和肿瘤细胞表面的表达水平普遍较高；而唾液酸在肿瘤细胞表面的表达水平要明显高于其在正常细胞表面的表达。研究结果对于揭示肿瘤细胞的生物学行为具有一定的指导意义。同时，利用肿瘤细胞表面唾液酸与接骨木凝集素(SNA)的特异性结合，我们用该电化学生物传感器对人体肺、肝、前列腺组织中的肿瘤细胞和每个肿瘤细胞表面唾液酸的含量进行了检测，获得了满意的结果。本方法灵敏度高、选择性好，在肿瘤疾病的早期诊断中有良好的应用前景。