环境毒物及癌症标志物检测的新型电化学生物传感器研究

摘要

随着工农业的快速发展，大量污染物的排放造成严重的环境污染和生态资源破坏，使人类的生存环境和生命健康受到威胁。另一方面，随着人类生活水平的提高，人们的健康意识逐渐增强。疾病是人体健康的主要威胁之一。疾病的早期诊断可以大大缩短治疗时间，提高疾病的治愈率。环境污染和医疗水平与人体健康密切相关，成为了人们日常生活中关注的重中之重。那么，发展环境毒物与疾病标志物的无损、快速、高灵敏分析和检测技术越来越引起研究者的关注。
　　电化学生物传感器是当前生物传感器发展的热点之一，它采用固定化生物分子或生物体作为敏感元件，以电极为换能器，通过检测目标分析物与敏感元件反应引起的电信号的改变，实现对目标物的分析和检测。电化学生物传感器将电化学强大的分析功能与生物识别过程的特异性相结合，具有选择性好、灵敏度高、仪器便携、成本低等优点，现已广泛应用于环境监测、食品安全、生物医药和军事等领域。本论文着力于构建新型电化学生物传感器，并将其应用于环境毒物分析检测以及癌症标志物的检测。
　　本论文主要研究内容和创新性工作如下:
　　1.提出了一种无标记的实时高通量细胞阻抗传感器用于重金属毒性的检测方法
　　我们使用自行设计的高通量细胞阻抗传感器及检测仪器实时监测了重金属Hg2+、Cd2+、Pb2+的肝细胞毒性以及Zn2+对Cd2+的细胞毒性的抑制作用。实验结果揭示了Cd2+、Pb2+和Hg2+的肝细胞毒性大小、作用速度等信息。同时，实验结果表明Zn2+对Cd2+造成的细胞凋亡的拮抗程度是与Zn2+剂量有关的。一定剂量的Zn2+表现出对Cd2+造成的细胞毒性的抑制作用，然而高剂量的Zn2+会增强细胞毒性。Zn2+对细胞的保护作用可能是基于Zn2+的抗氧化特性和Zn2+占据了Cd2+在细胞上的结合位点。本文的结果可为Cd2+中毒的治疗提供一定的参考。综上所述，我们提供了一个高通量的化合物毒性初筛平台，在环境毒物毒性评估和药物筛选等领域有广阔的应用前景。
　　2.提出了一种基于T-Hg2+-T配位的电化学DNA传感器用于Hg2+检测方法
　　本文首先使用纳米金比色法对Hg2+进行检测，对T-Hg2+-T错配及其特异性进行验证，然后提出一种基于T-Hg2+-T配位的电化学DNA传感器检测汞离子的方法。首先将含有若干个胸腺嘧啶的探针DNA通过Au-S键固定在电极表面，利用汞(Ⅱ)离子介导的T-Hg2+-T配对使得固定在电极上的探针DNA与检测DNA发生伪杂交，从而将检测DNA标记的二茂铁引入电化学体系。通过检测DNA上二茂铁的电化学氧化电流，实现了对Hg2+的高灵敏电化学检测。应用该方法可检测到2.7nM的Hg2+，检测范围为5nM-200nM。实验结果还表明该传感器对Hg2+有较好的选择性。
　　3.研究了基于碳纳米管的电化学酶传感器用于软海绵酸毒素快速检测本文将碳纳米管以邻氨基苯酚电聚合的方法修饰在印刷电极表面，然后把蛋白磷酸酶PP2A固定在碳纳米管修饰电极上。利用贝类毒素软海绵酸对蛋白磷酸酶PP2A的抑制作用，以p-NPP为底物，通过检测软海绵酸对PP2A抑制作用引起的酶催化产物p-NP氧化电流的降低对软海绵酸进行分析测定。由于碳纳米管具有良好的理化特性，可以显著改善电极的电化学性能，增加电极对酶的负载量，从而得到高灵敏的检测结果。应用该方法可以检测到0.67μg/L的软海绵酸，比基于酶抑制的比色检测法的检测限低一个数量级，检测范围为1μg/L-300μg/L。此外，我们将此传感器用于加标样本的检测，得到了较高的回收率。
　　4.研究了基于磁珠的电化学免疫传感器用于软海绵酸毒素的高灵敏检测
　　选用羧基磁珠为载体，构建了基于竞争性免疫反应的电化学分析方法。修饰在磁珠表面的软海绵酸与待测溶液中软海绵酸竞争性地与HRP标记的软海绵酸抗体发生免疫反应。形成的磁珠复合物在磁铁作用下被捕获到丝网印刷电极的工作电极上。利用辣根氧化物酶(HRP)的催化作用，使用差分脉冲伏安法，对软海绵酸进行电化学测定。传感器对软海绵酸的检测范围为0.05μg/L-50μg/L，检测下限降低到0.039μg/L。磁珠的使用使实验操作的复杂性降低，检测时间缩短，也减少了样品中其它物质对检测的干扰。实际样品检测结果表明本方法有应用于软海绵酸现场检测的潜力。
　　5.研究了一种高灵敏直接型电化学免疫传感器用于癌胚抗原的检测利用纳米金和蛋白A作为固定抗体的双重放大基质。纳米金比表面积大、良好的生物相容性促使更多的蛋白A吸附在电极表面。蛋白A可与抗体的Fc段结合，使抗体定向固定在电极表面。癌胚抗原与电极上癌胚抗原抗体形成的免疫复合物阻碍了氧化还原对在电极表面的电子转移。使用循环伏安法和阻抗谱扫描法对癌胚抗原进行检测。其中阻抗谱扫描法更灵敏，检测范围为1 pg/mL～100ng/mL，检测限为0.1pg/mL。与文献中报道的同种类型的电化学免疫传感器相比，性能较好。此外，将该免疫传感器用于血清加标样品中癌胚抗原的检测，也得到了较高的回收率。表明本方法在癌胚抗原的临床检测中具有较好的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 电化学生物传感器的国内外研究进展

1．1．1 电化学DNA传感器

1．1．2 电化学酶传感器

1．1．3 电化学免疫传感器

1．1．4 细胞电化学传感器

1．2 微纳材料在电化学生物传感技术中的应用

1．2．1 碳纳米管

1．2．2 纳米金

1．2．3 磁珠

1．3 电化学生物传感器在环境毒物分析和癌症标志物检测中的应用

1．3．1 电化学生物传感器在环境毒物分析中的应用

1．3．2 电化学生物传感器在癌症标志物检测中的应用

1．4 论文主要内容

第二章 基于细胞阻抗传感器的重金属离子毒性检测

2．1 引言

2．2 细胞阻抗传感器的检测原理

2．2．1 细胞阻抗传感器的等效电路模型

2．2．2 细胞生长的检测原理

2．2．3 重金属离子毒性的检测原理

2．3 细胞阻抗传感器系统设计

2．3．1 细胞阻抗传感器芯片的设计与加工

2．3．2 细胞阻抗检测系统的设计

2．3 实验方法

2．3．1 细胞培养

2．3．2 重金属检测流程

2．4 结果与讨论

2．4．1 细胞贴附、伸展和增殖的实时监测

2．4．2 Hg2+，Cd2+，Pb2+引发的HepG2细胞毒性的动态监测

2．4．3 Cd2+对L-02的细胞毒性以及Zn2+对Cd2+毒性抑制作用的研究

2．4．3 重金属离子对芯片的影响

2．5 总结

第三章 基于电化学DNA传感器的重金属汞离子检测

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 试剂

3．2．2 仪器

3．2．3 纳米金的制备

3．2．4 比色法用于Hg2+检测

3．2．5 电极预处理

3．2．6 二茂铁电化学性能的表征

3．2．7 探针DNA在金电极表面的自组装固定

3．2．8 电化学传感器用于Hg2+检测

3．3 结果与讨论

3．3．1 基于纳米金的比色法用于Hg2+的检测

3．3．2 电化学DNA传感器用于Hg2+的检测

3．5 结论

第四章 基于碳纳米管的电化学酶传感器用于软海绵酸检测

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 仪器与试剂

4．2．2 碳纳米管的纯化与羧基化

4．2．3 丝网印刷电极的预处理与碳纳米管修饰

4．2．4 电化学酶传感器的构建

4．2．5 PoAP_CNTs／SPE的电化学表征

4．2．6 基于电化学酶传感器的OA检测实验

4．2．7 基于比色法检测的PP2A抑制实验

4．2．8 贝肉样品前处理与加标OA样本的制备

4．3 结果与讨论

4．3．1 碳纳米管修饰电极的扫描电镜表征

4．3．2 PoAP_CNTs／SPE的电化学性能表征

4．3．3 实验条件的优化

4．3．4 基于比色法检测的PP2A抑制实验对OA的测定

4．3．5 电化学酶传感器用于OA的测定

4．3．6 加标样本的回收率检测

4．4 本章小结

第五章 基于磁珠的电化学免疫传感器用于软海绵酸的检测

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 仪器与试剂

5．2．2 基于ELISA法的OA检测流程

5．2．3 基于磁珠的电化学免疫实验流程

5．3 结果与讨论

5．3．1．电化学免疫传感器用于软海绵酸检测的原理

5．3．2 实验条件的优化

5．3．3 ELISA用于软海绵酸的测定结果

5．3．4 电化学免疫传感器用于软海绵酸的测定结果

5．3．5 电化学免疫传感器的特异性检测结果

5．3．6 实际样品的检测结果

5．4 本章小结

第六章 基于纳米金和蛋白A的电化学免疫传感器用于癌胚抗原检测

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 仪器与试剂

6．2．2 纳米金制备

6．2．3 用于癌胚抗原的检测的电化学免疫传感器的构建

6．2．4 免疫反应和癌胚抗原检测

6．3 结果与讨论

6．3．1 金纳米颗粒的表征

6．3．2 电极修饰纳米金后的形态表征及电化学性能表征

6．3．3 免疫传感器构建的电化学表征

6．3．4．实验条件咐优化

6．3．5．免疫传感器用于癌胚抗原的测定

6．3．6．免疫传感器的特异性分析

6．3．7 加标样本的检测

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 论文存在的问题及工作展望

参考文献

作者简历

攻读学位期间发表的学术论文及成果

致谢