基于新型纳米材料的朊蛋白电化学生物传感器

发布时间：2020-07-10 19:02

【摘要】：电化学生物传感器是把发生生物识别反应时产生的物理化学变化转换成电信号并输出的装置。与其他传感器相比,电化学生物传感器具有选择性好、检测灵敏、分析速度高且成本较低等优点,近年来在分析化学领域广受关注。另一方面,朊蛋白病是伴随着认知损伤、神经功能障碍和深度脑损伤等一系列症状的致命性神经退行性疾病,而朊蛋白是朊蛋白病的致病介导因子,体内正常的细胞型朊蛋白经错误折叠转变为对蛋白酶和热变性具有抗性的不溶性淀粉样蛋白导致朊蛋白病。朊蛋白病具有传染性,可以在人与不同动物物种之间传播,变性的朊蛋白在人体内沉积,导致神经系统组织发生变性,最终导致死亡,具有极高的致死率。朊蛋白在人体内的含量极低,因此,发展能够快速灵敏检测朊蛋白的传感方法对于朊蛋白病的防治是十分必要的。本文基于纳米材料具有比表面积大,活性位点多,易于修饰等特点,发展了基于新型纳米材料的朊蛋白电化学生物传感器,实现了朊蛋白的灵敏检测,具体工作内容如下:(1)基于钴-钴普鲁士蓝纳米材料,利用普鲁士蓝在碱溶液中的不稳定性制备了新型朊蛋白电化学免疫传感器。金纳米粒子修饰的钴-钴普鲁士蓝纳米复合材料在作为传感器信号源的同时也作为固定朊蛋白(PrP~C)二抗的载体。当PrP~C存在时,通过抗原抗体间的免疫反应把二抗-钴-钴普鲁士蓝-金纳米粒子引入传感平台,形成一抗/PrP~C/二抗-钴-钴普鲁士蓝-金纳米粒子的三明治结构。加入氢氧化钾后,钴-钴普鲁士蓝产生了明显的DPV响应电流,从而实现了朊蛋白的灵敏检测。该免疫传感器对PrP~C的检测线性范围为0.075 pg mL~(-1)-100 pg mL~(-1),检测限低至0.014 pg mL~(-1),同时,该传感器也具有良好的选择性与重现性。基于其简单的传感结构及良好的检测性能,替换相应的抗体,该传感器也可应用于致病型朊蛋白和其他蛋白的检测。(2)基于石墨烯独特的优良性质设计了新型朊蛋白电化学免疫传感器。利用GO与适配体之间的π-π堆积作用和GO与铜离子之间的化学键作用从而无需标记就把信号因子引入了传感平台,制备了一种基于GO-Cu~(2+)的PrP~C电化学生物传感器。通过在玻碳电极表面电沉积金纳米粒子捕获PrP~C一抗,当PrP~C存在时,固定在金纳米粒子上的一抗通过抗原抗体识别作用捕获抗原,再通过适配体与朊蛋白特异性结合反应以及GO与适配体之间的π-π堆积作用把GO-Cu~(2+)复合材料引入传感平台,产生相应的响应电流,实现了PrP~C的灵敏检测。所制备的传感器在对朊蛋白的检测线性范围为2.5 pg mL~(-1)-56.25 pg mL~(-1),检测限低至0.42 pg mL~(-1)。同时,所制备的传感器也具有良好的选择性与重现性。(3)基于CoOOH纳米片良好的催化性质设计了新型朊蛋白电化学免疫传感器。利用CoOOH纳米片与适配体间的π-π堆积作用把CoOOH-Thi复合材料引入传感平台,制备一种基于CoOOH-Thi复合材料的新型PrP~C电化学生物传感器。当PrP~C存在时,CoOOH-Thi复合材料被引入传感系统,形成一抗/PrP~C/适配体-CoOOH-Thi复合材料的三明治结构。CoOOH-Thi复合材料在作为传感器的信号源的同时也作为过氧化氢的催化剂促进了电子的转移,实现了信号的放大。所制备的传感器在对朊蛋白的检测线性范围为1.25 pg mL~(-1)-62.5 pg mL~(-1),检测限低至0.097 pg mL~(-1)。同时,所制备的传感器也具有良好的选择性与重现性。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O657.1;TB383.1
【图文】：

电化学生物传感器,工作原理

光学生物传感器、机械生物传感器、比色生物传感器、压电生物传感生物传感器等[2]。根据国际应用化学联合会的报告，目前的生物传感分为以下两类：（1）基于质量的电化学和光学生物传感的传感器[3-5]生物催化和吸附等生物元素的传感器[6, 7]。生物传感器的性能通过其限、线性范围、选择性、重复性、对干扰的响应等来体现[8]。电化学生物传感器1 电化学生物传感器概述电化学生物传感器是将生物识别元件紧密耦合到电极换能器(换能器生物识别作用产生的物理化学变化转换为有用的电信号)的分子传感原理如图 1.1 所示。电化学生物传感器一般为由两电极体系或三电极电化学电池的一部分。典型的三电极系统由工作电极，参比电极和对。在电化学传感器中，电极可以检测存在于主体内的材料，而不会对成任何损害，因此，与其他传感器相比，电化学传感器具有更显著的

示意图,构象,示意图,朊蛋白病

伴随着认知损伤、神经功能障碍和深度脑损伤疾病。目前，已有四种朊病毒病感染人类，分劳瑟-辛克尔综合征、致命性家族性失眠症和库毒疾病可以感染动物、真菌和植物[19, 20]。朊病[21]，经错误折叠后的朊蛋白是可以形成不同构我复制的方式进一步诱导天然朊蛋白的错误折PC和 PrPSc的构象结构如图 1.2 所示)。这些错为非常稳定的 β 折叠结构[22]，其是一种对蛋白样蛋白[23]。细胞型朊蛋白(PrPC)和不溶性淀粉叠的朊蛋白在中枢神经系统中扩散，导致朊病同的朊蛋白病株，这些朊蛋白病株会进一步增同的临床表现来确定朊病毒病的种类，这种现白病株会分别对特定的细胞和中枢神经系统区在不同部位沉积，导致不同的神经损伤，潜伏

技术原理,适配体

图 1.3 SELEX 技术原理图[54]SELEX(指数富集的配基系统进化技术)是提高适配体稳定性的最好办法，原理如图 1.3 所示[54]，通过 SELEX 可以筛选对复杂体系(如肿瘤细胞)具有高特性的适配体，目前，有很多适配体通过此方法已经成功筛选出来。1.4.2 适配体筛选方法的发展现状及发展趋势目前，限制核酸适配体的应用的原因主要有两点：首先，天然核酸不具备够高度匹配于靶分子的全部官能团和足够的构象空间。也因此，目前人类蛋白中只有 30%能够被成功匹配[55]。然而，但技术的进步使得通过化学方法在寡核酸链上引入特殊的官能团合成 DNA 成为可能，致使可用的各种适配体的数量著提高[56]。Gawande 等[57]人最近报道了这种有前景的方法的应用研究，该研究仅证明了寡核苷酸的化学修饰显著增加了它们对目标物的亲和力、稳定性和抑效力，而且还发现了具有缓慢解离速率的新型适体适体(SOMAmer)。其次SELEX 过程相关的效率较低也导致目前可用的适配体较少[58]。基于此，目前也[59-61]

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