基于发光纳米材料构建的电致化学发光免疫传感器应用于心肌肌钙蛋白-I检测

摘要

随着纳米材料迅速的发展，在纳米材料表面富集大量电致化学发光（ECL）活性分子合成发光功能化纳米材料，以及研究具有ECL性质的自发光纳米材料，受到人们的广泛关注。我们将发光纳米材料作为信号探针，构建高选择性、高灵敏度、低背景的电致化学发光免疫传感器分析方法。
　　急性心肌梗塞（AMI）是临床常见的急性多发病，正确诊断及时救治对挽救濒死心肌，对改善和降低 AMI患病率和死亡率具有重要意义。心肌肌钙蛋白（cardiac troponin，cTn）是心肌肌肉收缩的调节蛋白。其中心肌肌钙蛋白I（cTnI）的分泌和心肌梗塞发病率密切相关，在医学检测中cTnI被认为是心肌梗塞检测的黄金标准心脏生物标记物。
　　我们将ECL免疫传感器的特性和纳米材料特有的优点结合用于实现在患病的早期阶段高效、低浓度、快速的cTnI测定。该方法不仅无需复杂繁琐的试剂加入过程，操作过程简单，还缩短了能量传递过程，减少能量损失成功地实现了目标分析物的高灵敏、低成本检测，成为生物分析领域一个新的发展趋势。
　　本论文主要从以下几个方面开展研究工作：
　　1.基于自增强钌(II)复合物的超灵敏电致化学发光免疫传感器用于检测cTnI
　　传统的ECL免疫传感器为了提升发光试剂的发光效率通常将共反应试剂加在检测底液中，但溶液中许多不利的微环境因素限制了ECL分析技术的检测灵敏性。在本工作中，我们将共反应试剂（L-cysteine）和发光试剂（Ru(dcbpy)32+）连接在一个分子上获得一种新颖的自增强 ECL发光试剂（L-cys@Ru(II)）。自增强钌(II)复合物的应用不仅避免了将共反应试剂和发光试剂添加于测试底液中，简化了测定过程、缩短了分析时间，同时实现分子内反应缩短了能量传递路径、减少了能量损失，有效的提高了ECL发光信号。随后，钌(II)复合物和二抗（anti-cTnI）通过Au-N或Au-S共价键被固载在金纳米棒（AuNRs）上，这不仅实现更多自增强钌(II)复合物的固载，还合成了稳定的Ab2生物复合物作为信号探针。最后，ECL免疫传感界面的构建是通过电化学沉积树枝状金纳米粒子（GNDs）在玻碳电极（GCE）表面来固载捕获抗体（anti-cTnI）。目标传感器展示出高的灵敏度和宽的线性范围，cTnI的检测线性范围为0.25pg/mL～0.1ng/mL，检出限为0.083pg/mL(S/N=3)。该方法具有制备简单、操作简便、灵敏度高等优点，为临床免疫测定法提供了新的参考。
　　2.基于胆碱氧化酶和鲁米诺还原的Pt@Au杂交纳米花的双重放大体系的超灵敏免疫分析
　　鲁米诺作为一种广泛研究的ECL发光试剂，具有，低氧化电位、高发光效率和强发光强度的优点。近年来，众多课题组一直在寻找合适的方式将鲁米诺固载在电极表面用于生物检测。本工作中，首先利用鲁米诺的还原性合成多功能的Pt和Au杂化的花状纳米复合物，同时在还原反应中发光基团鲁米诺连接在纳米复合物上形成纳米复合物（luminol-Pt@AuNF）；随后胆碱氧化酶（ChOx）通过Pt-N或Pt-S共价键被固载在纳米复合物的表面，从而构建了包括ChOx催化胆碱生成H2O2和H2O2被Pt@AuNFs模拟酶原位催化分解的双重模拟酶放大体系，形成的H2O2被Pt@AuNFs模拟酶催化分解为OH·和O2·?直接催化促进鲁米诺的ECL发光，显著的增强了传感器的灵敏度；最后，我们采用MnO2功能化的碳纳米管（MnO2@MWNTs）来固载Ab1修饰免疫传感界面。综上所述，目标免疫传感器对cTnI的线性范围宽（0.05pg mL-1～0.1ng mL-1）、检出限低（83fg mL-1）、选择性高、重现性好，对cTnI检测限达到fg mL-1级别，在免疫测定领域有潜在的应用价值。
　　3.基于银纳米晶和Ru(bpy)32+之间的双波长比率法共振能量转移电化学发光免疫传感器用于心肌肌钙蛋白I检测
　　本工作中，通过简易的电沉积法直接在电极表面合成银纳米簇（AgNCs），并首次观察到AgNCs在 nm波长有显著的阴极ECL发光。我们通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM），X射线衍射（XRD），以及荧光光谱（PL），表征了AgNCs的形态特征，并探讨了其光学性质。并采用过二硫酸离子（S2O82-）促进AgNCs的ECL发光，通过共反应试剂路径阐明AgNCs的ECL发光机制。相较于在溶液中传统的AgNCs，我们制备的AgNCs采用一个简单而快速的电沉积方法合成，并产生了高发光效率。但是AgNCs的ECL效率低于鲁米诺、联吡啶钌等传统的ECL试剂的发光效率，同时AgNCs的ECL激发电位过高，这限制了AgNCs的生物检测应用。我们设计了基于从AgNCs到联吡啶钌（Ru(bpy)32+）之间的双波长比率法电致化学发光能量转移（ECL-RET）免疫传感器用于cTnI的灵敏检测。AgNCs的ECL激发波长与Ru(bpy)32+的紫外-可见吸收峰显示了良好的光谱重叠，说明基于ECL信号在458nm处淬灭并在650nm处增强可实现双波长比率法ECL-RET。最后，羧基化多壁碳纳米管作为纳米载体固载Ru(bpy)32+合成纳米复合物（Ru(bpy)32+/MWCNTs）。通过测量ECL650nm/ECL458 nm的比例，我们可以更加准确的检测从1.0pg/mL到1.0ng/mL范围的cTnI浓度。这项工作提供了一个新颖的发光试剂AgNCs生物检测应用，也丰富了ECL-RET分析体系的检测方法。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第一章 绪言

1.1电致化学发光概述

1.2发光纳米材料

1.3生物传感器简介

1.4电致化学发光免疫传感器概述

1.5心肌肌钙蛋白简介

1.6本文研究思路

第二章 基于自增强Ru(II)复合物的超灵敏电致化学发光免疫传感器用于检测心肌肌钙蛋白I

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4结论

第三章 基于胆碱氧化酶和鲁米诺还原的Pt@Au杂交纳米花的双重放大体系的超灵敏免疫分析

3.1引言

3.2实验部分

3.3结果与讨论

3.4总结

第四章 基于银纳晶和联吡啶钌的双波长比率法电致化学发光能量转移免疫传感器

4.1引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4总结

参考文献

作者部分相关论文题录

致谢