纳米材料的合成及其在表面等离子体共振生物传感器中的应用

发布时间：2020-07-26 07:26

【摘要】：基于生物传感器的技术是一种由生物、化学、物理、电子等学科互相渗透而衍生出的新技术，具有分析速度快、灵敏度高、选择性好、在复杂体系中能在线连续监测等众多优点，因而受到极大关注且近几十年来发展十分迅速。生物传感器是指用来测定生物分子的传感器，它以生物成分为敏感元件，对生物分子十分敏感，通过换能器将其浓度转化为电信号用于分析检测，广泛应用于环境监测、食品工业、临床检验、军事医学等众多领域。生物传感器种类繁多，其中最为普遍的是光学生物传感器和电化学生物传感器。大多数生物传感器在样品分析前都需要对样品进行标记，比如酶标记、荧光标记等，不但标记过程复杂，而且还会干扰原始体系的性质，进而影响生物分子的活性。表面等离子体共振（SPR）生物传感器是一种典型的光学生物传感器，具有无需对样品进行标记、待测分析物无需纯化等优点，更能实时监测生物分子结合反应的动力学过程，提供高度精确的实验结果，被认为是研究生物分子间相互作用最为重要的工具之一。本论文主要研究了纳米材料在SPR生物传感器中的应用，讨论了其对传感器的性能和灵敏度的影响。论文首先详细地介绍了SPR生物传感器的检测原理、检测装置、特点、应用领域及其与其他技术的联用情况，同时系统介绍了纳米材料的研究背景、制备方法及其在生物传感器方面的应用。以Fe3O4纳米粒子为种子，采用种子生长法合成了Fe3O4-金纳米棒（Fe3O4-AuNR）纳米复合物，将其应用在SPR生物传感器中作为基底来固定抗体，实现了对羊IgM的检测。Fe3O4-AuNR纳米复合物既具有磁性又具有优异的光学特性，有利于抗体的固定和传感器灵敏度的提高。同时此方法简化了实验步骤，且形成的敏感膜容易再生。利用磁铁将Fe3O4-AuNR纳米复合物固定在SPR生物传感器金膜表面，然后在金纳米棒表面修饰上羧基，经过活化后即可用于连接抗体，进而研究抗体-抗原间的相互作用。基于Fe3O4-AuNR纳米复合物修饰的SPR生物传感器，对羊IgM的检测浓度范围是0.15-40.00μg mL-1。而没有纳米复合物修饰的传统的SPR生物传感器，对羊IgM的检测浓度范围是1.25-40.00μg mL-1。实验结果表明，Fe3O4-AuNR纳米复合物在SPR生物传感器上的应用可大大提高传感器的性能。充分结合金纳米棒（GNR）和磁纳米粒子的优点，合成了GNR-Fe3O4纳米复合物，并应用在SPR生物传感器中来检测鼠IgG。分别合成表面带正电荷的GNR和表面带负电荷的Fe3O4纳米粒子，通过漩涡混合将二者通过静电作用组装形成GNR-Fe3O4纳米复合物，再对其表面进行醛基化修饰。合成方法简单、快速且易操作。磁性纳米复合物通过外加磁铁的作用被吸附固定在SPR生物传感器金膜表面，抗体表面的氨基与纳米复合物表面的醛基直接发生希夫碱反应，便可完成抗体的固定，用于生物分析。与传统的在金膜表面抗体固定的过程相比，此方法省略了大量试剂的使用，极大地简化了固定过程，加快了生物分子的检测。基于GNR-Fe3O4纳米复合物修饰的SPR生物传感器测得的鼠IgG的最低检测浓度是0.15μg mL-1，比未经修饰的传统的SPR生物传感器测得的鼠IgG的最低浓度降低了约16倍。氧化石墨烯（GO）具有大的比表面积、平坦的表面、含氧功能团多且富含π共轭结构和良好的生物相容性，非常适合用作生物分子的载体，可通过静电吸附、共价、非共价等作用与生物分子结合。构建基于GO修饰的SPR生物传感器，利用GO来固定抗体，取代了传统的通过巯基丙酸固定抗体的方式。GO因富含羧基等含氧官能团而带负电荷，通过静电作用即可将其固定在预先修饰好带正电荷的金膜表面，将GO表面的羧基活化后即可用于抗体的固定。实验结果表明，GO固定的抗体数量更多，更有利于抗体的固定。为了进一步地提高检测的灵敏度，将抗原与金纳米棒形成偶联物后再注入流通池进行检测，放大了响应信号，降低了检测限，此时对人IgG的最低检测浓度为0.075μg mL-1。当石墨烯与聚合物、半导体和金属纳米粒子等结合在一起，形成复合材料时表现出更加多样化的性质，比如优良的催化性、导电性和独特的光学性质等。分别组装了基于金-石墨烯（Au-Gra）和银-石墨烯（Ag-Gra）纳米复合物修饰的SPR生物传感器，用于抗体-抗原免疫检测，该传感器无需标记，具有高灵敏度和高选择性。Au-Gra和Ag-Gra纳米复合物的合成方法简单快速，通过1,6-己二硫醇形成共价连接而固定在传感器金膜表面。抗体则利用巯基丙酸结合在纳米复合物表面。基于Au-Gra纳米复合物修饰的SPR生物传感器对鼠IgG的检测范围为0.30-40.00μg mL-1，基于Ag-Gra纳米复合物修饰的SPR生物传感器对鼠IgG的检测范围则为0.15-40.00μg mL-1。实验结果表明，Ag-Gra纳米复合物比Au-Gra纳米复合物更有利于提高传感器的灵敏度。将金纳米棒和氧化石墨烯修饰在SPR生物传感器金膜表面，用于检测牛IgG。金纳米棒具有横向和纵向两个表面等离子体吸收峰，且纵向吸收峰随着长径比的不同而变化，对周围环境介电性质的变化更加灵敏。金纳米棒通过1,6-己二硫醇固定在传感器表面，采用种子生长法合成的金纳米棒表面带正电荷，采用Hummers方法合成的氧化石墨烯带负电荷，通过静电作用氧化石墨烯就能结合在金纳米棒表面，用于抗体的固定，进行抗体-抗原免疫检测。基于GNRs/GO修饰的SPR生物传感器对牛IgG的响应范围是0.075-40.00μg mL-1，得到的最低检测浓度比基于巯基丙酸修饰的SPR生物传感器获得的降低了约32倍。金纳米棒和氧化石墨烯的应用大大提高了SPR生物传感器的灵敏度。比较了不同形貌的金纳米粒子对SPR生物传感器和电化学生物传感器用来研究生物分子间相互作用时的影响。采用种子生长法合成了金纳米棒和金纳米双锥。抗体通过共价键作用连接在各种金纳米粒子表面，形成金纳米粒子-抗体偶联物作为二级抗体，采用三明治夹心法来检测人IgG。实验结果表明，基于金纳米棒和金纳米双锥修饰的传感器比没有纳米粒子修饰的传感器对人IgG的最低检测浓度分别降低了16倍和64倍，金纳米双锥比金纳米棒都表现出更高的灵敏度。通过比较SPR生物传感器和电化学生物传感器的检测结果，相同条件下，利用电化学传感器能得到更低的检测限。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;TP212
【图文】：

所示，首先将其中

【参考文献】