聚合物超细纤维结合聚集诱导发光效应的生物传感体系

摘要

生物传感器具有传统检测方法不可比拟的优势，在生物医学研究、环境检测、食品安全和发酵工程等领域已得到广泛的应用。随着材料科学的发展和加工技术的进步，对生物传感器的要求除了降低检测极限、增强检测特异性外，正朝着微型化、简约化和方便化的方向发展。静电纺丝制备的超细纤维具有较大的比表面积，有利于功能基团的接枝和检测物捕获，其三维多孔结构有利于检测介质和对象的渗透，可增加检测的灵敏性和响应速度。具有聚集诱导发光(AIE)效应的荧光分子可克服普通荧光分子的聚集促使猝灭(ACQ)效应，同时其量子产率是普通荧光分子的数倍。据此，本论文合成了一系列具有AIE效应的新型荧光分子，并且针对不同的检测对象对其进行结构修饰，将修饰后的AIE分子接枝于静电纺丝纤维表面构建了不同的荧光生物传感器。基于AIE的发光机理，制备了检测细菌的荧光纤维膜;针对“turn on”或“turn off”检测易受外界干扰的问题，制备了比率型荧光纤维膜检测疾病标志物;为了进一步降低检测极限和响应时间，制备了自放大的荧光检测纤维膜和自驱动的双面短纤维分别检测过氧化氢(H2O2)和细菌。
　　合成了带有三聚氰氯的四苯基乙烯(TPE)衍生物，验证了此TPE衍生物具有AIE效应，并将其接枝在聚（苯乙烯-马来酸酐）(PSMA)纤维上，进一步进行甘露糖修饰得到纤维膜检测载体。纤维表面的甘露糖和大肠杆菌(E.coli)菌毛蛋白特异性结合，导致纤维膜上的TPE聚集发光。通过实验筛选得出PSMA含量达到90％时，纤维捕获细菌达到饱和。通过优化纤维表面接枝密度，与不同浓度的细菌作用后制备纤维膜色带，根据纤维膜发光强度可裸眼判断细菌的浓度，细菌浓度检测范围是102-105CFU/ml。
　　采用羟基化TPE和头孢菌素类似物为原料合成了带有头孢菌素的TPE探针，并证实了其对β内酰胺酶具有特异性荧光响应。在PSMA纤维表面接枝E.coli相关菌种（耐药菌E.coli JM109/pUC19和非耐药菌E.coli JM109）的特异性核酸适配体，结果表明可特异性捕获细菌，核酸适配体接枝密度影响纤维膜对细菌的捕获能力。耐药菌内的β内酰胺酶催化断裂作用诱导TPE发光，可对捕获在纤维表面上的耐药菌进行显色，荧光响应的裸眼检测极限为102CFU/ml。同时光照实验结果表明，TPE探针产生活性氧(ROS)可以有效杀死耐药细菌。
　　聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维表面胺化后修饰磷酸化的荧光素分子，再吸附带有季铵盐的TPE衍生物实现了荧光素的猝灭和TPE的AIE效应。碱性磷酸酶(ALP)脱去磷酸根后荧光素发光，同时TPE的AIE效应减弱，根据二者荧光强度的比率可确定ALP浓度。结果表明表面氨基密度为30nmol/mg时，纤维对ALP具有最佳的比率型荧光响应，检测极限为1.5mU/ml，检测范围为0-100mU/ml。当ALP的浓度低于80mU/ml时，纤维色带的颜色随着ALP浓度增加而改变，可通过裸眼判断血清样品中的ALP含量。
　　制备了带有醛基和磺酸基的TPE衍生物，并将其和荧光桃红B(PhB)同时共价接枝在PSMA纤维表面。纤维膜吸附鱼精蛋白后PhB发生静态淬灭，TPE产生AIE效应发射青色荧光。用肝素置换、或胰蛋白酶水解吸附鱼精蛋白后，AIE和静态淬灭效应均逐渐减弱，PhB开始发射黄色荧光，基于青光和黄光强度比率的变化可确定肝素和胰蛋白酶的浓度。通过优化TPE衍生物和PhB的接枝密度以达到最佳的检测效果。通过计算得到肝素的检测极限为0.02U/ml，并且可通过纤维色带的颜色转变裸眼判断0-0.8U/ml的肝素和0-8μg/ml的胰蛋白酶，并适用于血清和尿液样品的直接检测。
　　为了进一步提高检测的灵敏度，将自放大反应构筑于纤维膜上用于H2O2的检测。PET纤维上固定含硼酸的胆碱自放大分子并基于静电相互作用吸附TPE衍生物，PSMA纤维表面固定胆碱氧化酶(ChOX)，两种纤维的复合膜用于了H2O2的检测。PET纤维膜吸附TPE衍生物因AIE效应发蓝光，H2O2氧化PET纤维膜上的硼酸基团后自放大分子发生重排，吸附的TPE衍生物和胆碱分子从PET纤维膜上脱落，纤维膜上的荧光减弱;同时脱落的自由胆碱被PSMA纤维上的ChOX氧化产生H2O2并参与反应，直至纤维膜上的TPE衍生物全部脱落，根据纤维膜完全褪色的时间可以定量检测痕量的H2O2。结果表明TPE的吸附量显著影响检测效果，吸附密度为23nmol/mg时检测效果最佳;和没有放大反应的检测效果相比，基于放大反应在检测极限和检测时间方面具有很大优势，对H2O2的检测极限达到了0.5μM，且可以根据褪色时间定量检测0.5-8.0μM的胆碱。
　　为了增加荧光探针和分析物的相互作用，采用自驱动的短纤维作为检测载体。采用并列双针头制备双面短纤维，一侧聚合物为PSMA，另一侧为单氨基保护己二胺修饰的PMSA，将过氧化氢酶(CAT)和TPE衍生物分别修饰在双面短纤维两侧。CAT催化H2O2反应生成氧气推动短纤维运动，捕获细菌后因聚集作用TPE发光，构筑了对E.coli特异性响应的自驱动微马达。通过系统地研究不同长度的短纤维运动情况，表明长度为10μm的双面短纤维均方位移(MSD)最大，荧光响应效果最好。通过研究H2O2浓度对检测效果的影响，确定了3.5％的H2O2为最佳的燃料浓度。检测结果表明，自驱动双面短纤维在1分钟内的检测极限为65CFU/ml，检测范围为65-105CFU/ml。
　　综上所述，本论文基于静电纺超细纤维和AIE效应的优势构筑了一系列方便、快捷和高效的生物传感器。制备的新型纤维色带可裸眼判断被检物的浓度范围，无需复杂的实验设备，为实时、在线的检测提供了新的手段。同时，该体系也可通过荧光检测定量表征被检物的浓度，基于AIE效应、荧光强度比率分析、信号放大反应和自驱动载体等手段可提升检测灵敏度和响应速度，为拓展静电纺纤维作为生物传感载体的研究及应用提供了新的思路。

目录

声明

论文说明

摘要

第1章 绪论

1．1 生物传感器的分类与应用

1．1．1 生物传感器的结构

1．1．2 生物传感器的分类

1．1．3 生物传感器的应用

1．2 聚集诱导发光

1．2．1 聚集促使猝灭和聚集诱导发光

1．2．2 聚集诱导发光机理

1．2．3 AIE效应在生物传感器方面的应用

1．3 静电纺丝在生物传感器领域的应用

1．3．1 静电纺丝的原理和特点

1．3．2 静电纺丝在生物传感器领域的应用

1．4 课题的立题意义和研究内容

1．4．1 本论文的研究目的和意义

1．4．2 本论文的研究内容

1．4．3 本论文的创新点

第2章 基于AIE效应检测细菌的荧光纤维膜

2．1 实验部分

2．1．1 实验材料

2．1．2 三聚氰氯修饰TPE(TPEC)的制备

2．1．3 TPEC的AIE效应表征

2．1．4 表面功能化电纺纤维的制备

2．1．5 表面功能化电纺纤维的表征

2．1．6 细菌培养

2．1．7 PSMA-PEG-TPEC-Man纤维膜检测细菌

2．1．8 统计学分析

2．2 结果与讨论

2．2．1 TPEC的表征

2．2．2 PSMA-PEG-TPEC-Man纤维膜的表征

2．2．3 PSMA-PEG-TPEC-Man纤维膜检测细菌

2．2．4 接枝手臂对纤维膜荧光性质的影响

2．2．5 甘露糖密度对PSMA-PEG-TPEC-Man荧光性质的影响

2．2．6 PSMA-PEG-TPEC-Man纤维膜的抗干扰能力

2．3 本章小结

第3章 TPE探针用于耐药细菌的检测

3．1 实验部分

3．1．1 实验材料

3．1．2 TPE探针的合成

3．1．3 TPE衍生物的表征

3．1．4 TPE探针对β-内酰胺酶的荧光响应

3．1．5 适配体修饰PSMA／PS纤维膜的制备

3．1．6 PSMA／PS-A纤维膜的表征

3．1．7 细菌培养

3．1．8 细菌捕获和荧光检测

3．1．9 探针产生ROS和细菌杀灭

3．1．10 统计学分析

3．2 结果与讨论

3．2．1 TPE衍生物和探针的表征

3．2．2 TPE探针对β-内酰胺酶的荧光响应

3．2．3 PSMA／PS-A纤维膜的表征

3．2．4 适配体接枝密度对纤维膜捕获细菌效率的影响

3．2．5 TPE探针对捕获细菌的耐药性检测

3．2．6 TPE探针定量耐药细菌

3．2．7 ROS的产生和细菌杀灭

3．2．8 PSMA／PS-A纤维膜的重复使用

3．3 本章小结

第4章 比率型荧光纤维膜用于ALP的检测

4．1 实验部分

4．1．1 实验材料

4．1．2 TPE-2N+的合成

4．1．3 醛基荧光素的合成

4．1．4 胺化PET纤维膜的制备

4．1．5 PET纤维膜的表面修饰

4．1．6 纤维膜的表征

4．1．7 比率法检测ALP

4．1．8 比率法检测真实样品中的ALP

4．1．9 统计学分析

4．2 结果与讨论

4．2．1 纤维膜的表征

4．2．2 氨基密度对纤维膜荧光强度的影响

4．2．3 PET-Flu-PO4／TPE纤维膜对ALP的荧光响应

4．2．4 荧光比率法检测定量ALP

4．2．5 氨基密度对ALP检测的影响

4．2．6 PET-Flu-PO4纤维检测ALP

4．2．7 PET-Flu-PO4／TPE纤维膜的抗干扰能力

4．2．8 检测血清样品中的ALP

4．3 本章小结

第5章 比率型荧光纤维用于肝素和胰蛋白酶的检测

5．1 实验部分

5．1．1 实验材料

5．1．2 TPE衍生物的合成

5．1．3 TPE衍生物的表征

5．1．5 PSMA-PhB+TPE／Pro纤维膜的表征

5．1．6 功能化的纤维膜检测肝素

5．1．7 PSMA-PhB+TPE／Pro纤维膜的特异性和重复使用性

5．1．8 胰蛋白酶的检测

5．1．9 纤维膜检测真实样品中的肝素和胰蛋白酶

5．1．10 统计学分析

5．2 结果与讨论

5．2．1 TPE衍生物的合成和表征

5．2．2 PSMA-PhB+TPE／Pro纤维膜的表征

5．2．3 PhB和TPE衍生物5的接枝密度对荧光性能的影响

5．2．4 PSMA-PhB+TPE／Pro纤维对肝素的荧光响应

5．2．5 比率荧光检测肝素

5．2．6 PhB和TPE衍生物5的接枝密度对肝素检测的影响

5．2．7 PSMA-PhB／Pro纤维对肝素的荧光响应

5．2．8 PSMA-PhB+TPE／Pro纤维的特异性、稳定性和重复使用性

5．2．9 PSMA-PhB+TPE／Pro纤维膜对胰蛋白酶的荧光响应

5．2．10 PSMA-PhB+TPE／Pro纤维检测实际样品

5．3 本章小结

第6章 基于放大反应机制对过氧化氢的检测

6．1 实验部分

6．1．1 实验材料

6．1．3 PET纤维的制备及功能化

6．1．4 PSMA的制备及ChOX的固定

6．1．5 功能化纤维膜的表征

6．1．6 纤维膜检测H2O2和胆碱

6．1．7 统计学分析

6．2 结果和讨论

6．2．1 PET-Ch／TPE纤维的表征

6．2．2 PSMA-ChOX纤维的表征

6．2．3 TPE-SO3的吸附量对纤维荧光的影响

6．2．4 PSMA-ChOX对自由胆碱和Ch／TPE-SO3复合物的催化作用

6．2．5 PET-Ch／TPE纤维和PET-Ch／TPE+PSMA-ChOX复合纤维对H2O2的荧光响应

6．2．6 PET-Ch／TPE+PSMA-ChOX复合纤维的特异性和重复使用性

6．2．7 PET-Ch／TPE+PSMA-ChOX复合纤维定量检测胆碱

6．3 本章小结

第7章 自驱动双面短纤维对细菌的检测

7．1 实验部分

7．1．1 实验材料

7．1．2 双面短纤维的制备

7．1．3 双面短纤维的表面修饰

7．1．4 双面短纤维的表征

7．1．5 CAT固定化表征

7．1．6 双面短纤维的运动表征

7．1．7 双面短纤维对细菌的荧光响应

7．2 结果与讨论

7．2．1 双面短纤维的结构和形貌

7．2．2 固定化酶的最适条件

7．2．3 双面短纤维的运动轨迹

7．2．4 双面短纤维对细菌的荧光响应

7．2．5 双面短纤维对细菌的定量检测

7．3 本章小结

全文总结

致谢

参考文献

附录

攻读博士期间发表的论文