基于功能纳米材料的高性能生物传感器件及其生物分子检测

发布时间：2020-04-20 05:58

【摘要】：随着全世界疾病患者人数的不断增多以及晚期疾病诊断导致的死亡人数的不断增加,早期疾病的快速高灵敏检测受到人们越来越多的关注。而生物传感器由于具有快速、高效、灵敏等优势在医学检测领域展现出了巨大的应用潜力。目前,在医学领域,生物传感器可成功的用于监测糖尿病患者的血糖水平、痛风患者的尿酸水平。但是临床检测还主要依赖于实验室自动化的大型设备检测平台。因此,生物传感器的发展仍有一定的局限性,尤其是对于现场的快速即时检测(point-of-care testing,POCT)。另一方面,检测生物分子的生物传感器大都基于酶构建,而酶的价格比较昂贵、固定比较复杂、稳定性较差,且其活性易受pH和温度等条件的影响,导致传感器的成本较高、稳定性较差。纳米技术的产生为高性能生物传感器的发展提供了新的方向。纳米材料由于具有独特的光学、电化学、催化性能以及良好的生物相容性,已被广泛的应用于生物医学研究中并产生了一系列高灵敏度的检测方法。但目前已报道的基于纳米材料的生物传感器主要处于实验室阶段,对于进一步实现POCT仍有许多难题需要解决。因此,基于功能化纳米复合材料开发新型、便携式、低成本的生物传感器件,对于疾病的早期预防和对生理、病理等过程的研究都有着非常重要的意义。本论文针对目前生物传感器存在的一些问题,在先进纳米科学和工程技术的快速发展下,开发新型、具有普遍适用性的生物传感器件加工技术;更重要的是,构建了一系列基于功能纳米材料的高性能生物传感器件,并研究了它们高选择性和高灵敏度的传感增强机制。主要的研究内容如下:1.人体血清中的碱性磷酸酶(ALP)主要来自源于肝脏和骨骼,当这些器官出现病变时,血清中的ALP会明显增高。所以,对ALP的活性进行测定可为某些疾病的诊断提供辅助指标。针对市场上检测ALP活性的试纸较少且其检测过程较长、步骤较繁琐,本工作通过两步偶联法合成了AuNPs@半胱氨酸-磷酸酪氨酸(AuNPs@Cys-tyr-p),并基于AuNPs@Cys-tyr-p构建了一次性、便携式的ALP活性检测试纸。该试纸可在10 min内检测出线性范围为0.1-150 U/L的ALP,并能成功用于检测人血清中活性ALP的含量。研究结果表明,该试纸的检测机制主要是基于ALP的去磷酸化功能,ALP可对AuNPs@Cys-tyr-p上的磷酸根进行切除,从而不被测试区的抗磷酸酪氨酸抗体特异性捕获发生聚集。其中,AuNPs@Cys-tyr-p具有双功能性,不仅可以作为磷酸酪氨酸的载体与活性ALP发生特异性反应,而且可以通过它在测试区聚集产生的颜色变化进行信号的采集。该研究揭示,通过功能化纳米金与ALP之间的独特反应机制,可极大地提高检测的特异性和灵敏度,从而实现对ALP活性的快速精确测定。2.人血清中尿酸(UA)浓度的异常会导致痛风、高尿酸血症等疾病的产生,因此UA是一种重要的临床诊断标志物。现有的UA传感器大都是基于尿酸酶构建,而酶的存在导致这类传感器在日常应用中受到了限制。本工作通过在碳纳米管(CNTs)表面包覆一层锯齿状的聚苯胺(PANI)纳米阵列并碳化得到氮掺杂碳纳米管(N-doped CNTs),进一步将普鲁士蓝(PB)纳米颗粒嵌入式生长在N-doped CNTs的锯齿结构之间,制备PB/N-doped CNTs纳米复合材料。将PB/N-doped CNTs修饰在印刷电极上构建了高性能的无酶UA传感器件,并可用于检测人血清中的UA。通过分析实验结果并结合DFT模拟计算,发现UA的分子结构与PB晶格结构之间相互匹配,使得UA分子能够特异性的吸附在PB表面并快速的发生电化学反应,且N-doped CNTs的氮掺杂表面能够实现快速的界面电子转移,从而实现了对UA的特异性、高灵敏检测。此外,较负(-0.5 V)的检测电位很好的避开了其他共存物的干扰,进一步增强了该传感器件的特异性。PB纳米颗粒嵌入式生长锯齿结构之间增加了复合材料的化学和物理稳定性,从而大大提高了传感器件的稳定性。该研究结果表明,通过对基于分子匹配的传感机制的研究,证实了材料的界面特性对特异性检测生物分子的重要影响,为将来设计合成高效的纳米材料用于构建高性能生物传感器件提供理论指导依据。3.多巴胺(DA)水平的异常会导致如帕金森病、阿尔茨海默病等许多疾病的产生。因此,测定脑、血液、尿和组织中DA的含量水平对于生理功能和临床研究具有非常重大的现实意义。传统的DA传感器大都存在灵敏度不高、选择性差、成本高等缺陷。本研究通过在腐败希瓦氏菌表面包覆一层PANI后经高温碳化得到氮掺杂碳纳米棒(N-doped carbon nanorods,N-doped CNRs),并与AuNPs共同修饰印刷电极构建了高性能的DA传感器件,该传感器件可成功用于检测人血清中的DA含量。进一步分析AuNPs/N-doped CNRs_(900)对DA催化机制,由于N原子的存在,N-doped CNRs_(900)在中性溶液中带负电荷,可通过静电作用吸附带正电荷DA并排斥带负电荷的抗坏血酸(AA)和UA,成功避免了干扰,提高了对DA检测的选择性。N-doped CNRs_(900)对DA的吸附作用主要源自N-doped CNRs_(900)与DA的苯环之间的π-π相互作用以及N原子与DA中的-OH或-NH_2形成的氢键,而在900℃碳化得到的N-doped CNRs_(900)具有较大的比表面积和孔体积可以吸附大量的DA;此外,AuNPs的活性中心可以使DA快速失去电子,从而实现对DA的快速、高灵敏检测。该研究揭示,功能化纳米材料独特的表面性质和孔结构可以极大地提高检测的选择性和灵敏度,从而实现对DA的高效和特异性测定。4.细胞作为生命研究的基本功能单元,对细胞的生化分析可以为生物学和医疗问题提供关键的信息。目前基于细胞检测的主要依赖于2D的细胞培养体系,不能够对活细胞在生长过程中的功能和生理机能等进行实时监测。微加工虽然可以构建复杂的支架来进行细胞的3D培养,但是这些方法通常依赖于一些大型仪器。本研究通过将3D纸纤维与塑封膜相结合构建了一个电极与细胞培养体系一体式的纸基电化学传感器件。基于(Fe,Mn)_3(PO_4)_2/N-doped CNRs功能化纳米复合材料构建的纸基传感器件有较宽的线性检测范围和较低的检测限。通过将细胞直接生长在纸基传感器件上大大缩短了待测物与活性位点间的扩散距离,实现了对3D培养下细胞释放H_2O_2的高灵敏、实时原位检测。该研究通过有效调控纳米材料中(Fe,Mn)_3(PO_4)_2双组分的比例,显著提高了检测灵敏度。此外,N-doped CNRs作为传感材料的支撑材料具有较大的比表面积和孔体积可以负载大量的(Fe,Mn)_3(PO_4)_2纳米颗粒提供更多的反应活性位点,而氮掺杂可以有效的增强电荷的转移速率并缩短反应时间,从而实现对H_2O_2的高效催化。简而言之,功能基团修饰的纳米材料可以很好的提高对生物分子检测的灵敏度和高选择性,这主要是由于其独特的功能改性基团可以提高选择性,而其较大的比表面积和孔结构可以增加反应活性位点提高检测的高灵敏度,从而为设计高灵敏和高选择性的生物传感器提供了新的解决途径。
【图文】：

生物传感器,基本工作原理

西南大学博士学位论文元件得到了进一步的发展。信号转换器的作用主要是利用自动化微生的信号进行进一步加工，并将生物、化学、物理等信息通过光信号信号等形式表达出来。相比于传统的检测方法，生物传感器具有：响量少、操作简单、灵敏度高、易于实现自动化、便于进一步推广普及等

示意图,纸基,微流控芯片,图案化

图 1.2a（.1）石蜡打印机打印图案化纸基的示意图，（2）纸基微流控芯片实物图[26]；b完全相同的镂空金属夹具，（2）通过镂空金属夹具制得的六通道纸基微流控芯片[32（3）等离子处理技术先通过加热至熔点的烷基烯酮二聚体（Alkylketene Dimme，ADK）溶液行处理，使其与纸纤维中的羟基（-OH）发生化学反应形成共价键。将浸取出晾干，并在 100℃烘箱中加热 5min 使其完全疏水化。然后，将纸基完全一样的镂空金属夹具中，并进行固定。最后，对夹有纸基的金属夹具子处理，，使得被保护的部分仍具有疏水性，而被等离子处理的部分则变成（图 1.2 b）[32]。（4）喷墨打印技术Shen 等人[33]通过喷墨打印机将 ADK 溶液直接打印在纸基上形成疏水区印 ADK 溶液的区域则仍保持有亲水性。相比于等离子处理的方法，避免具的使用。（5）喷墨刻蚀打印技术与直接在纸基上打印疏水区不同，喷墨刻蚀打印技术先将纸基聚用苯乙
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.3;TB383.1

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