基于半导体纳米材料的光电化学生物传感器的研究

发布时间：2020-07-26 20:54

【摘要】：光电化学生物传感器是一种近年来迅速兴起并处于高速发展状态的新型传感器。这种新型传感技术是通过把光电化学反应过程和待测物质之间的特异性识别反应结合在一起而发展起来的。该种传感技术对待测物质的检测方式主要是:光生电子在外加光源照射下产生之后会在待测物质、电极材料及电极之间产生转移,通过该种氧化还原反应过程产生光电流响应。作为一种结合了光化学及电化学优点的新型传感技术,该种传感技术的检测背景信号较低、组装成本较低、灵敏度及特异性较高、所需仪器简单等。然而,尽管光电化学方法展现了诸多优点,并且近些年来关于光电化学生物传感器的报道已经很多,但是与传统电化学方法比较来说,光电化学分析检测方法仍然不够成熟,其检测模式单一且光电转换效率有待提高。因此,在构建光电化学生物传感器时,发现高光电转换效率、高光电吸收范围的光电活性材料并且开发新的信号检测模式是很有必要的。本论文主要利用了半导体纳米材料及其复合物作为光电活性材料构建了一系列具有高灵敏度的光电化学生物传感器,并对其在蛋白质、DNA、抗原检测方面进行了探讨。主要研究内容如下:1.基于TiO_2/CdS:Eu/CdS共敏化结构的信号放大型光电化学生物传感器对MUC1粘蛋白的检测本章构建了一种基于TiO_2/CdS:Eu/CdS共敏化结构的信号放大型光电化学生物传感器,并将其应用于MUC1粘蛋白的检测。将固定浓度的TiO_2悬浊液滴加在固定面积的FTO电极表面,自然晾干后在马弗炉中450℃空气氛下qF烧30min形成一层均匀的TiO_2薄膜,通过连续离子层吸附反应法,在TiO_2薄膜表面组装CdS:Eu纳米材料,形成TiO_2/CdS:Eu复合物修饰电极。将上述复合物修饰电极作为生物传感器的光电化学基底来层层组装目标检测物MUC1的适配体DNA(DNA2)及其互补DNA(DNA1),并将信号放大元件标记于DNA2末端,以此形成TiO_2/CdS:Eu/CdS共敏化结构,增强光电流强度。当检测目标物时,MUC1会与标记信号放大元件的DNA2产生特异性结合,从而离开电极表面,导致TiO_2/CdS:Eu/CdS共敏化效果减弱,即光电流强度降低。生物传感器的光电流强度与目标检测物MUC1的浓度对数成线性相关,并且具有较高的灵敏度,其线性范围为1nM-5μM,对目标物MUC1的最低检测浓度约为0.3nM。同时,在具有较低检测限的同时,传感器对目标物的检测也具备很好的特异性、重现性和稳定性。综上所述。所提出传感器对其它目标物质分析检测领域也具有潜在的应用价值。2.基于TiO_2/Au纳米复合材料的光电化学DNA传感器对特定DNA的检测将金纳米颗粒通过吸附与煅烧反应沉积在TiO_2电极表面以此形成TiO_2/Au纳米复合材料修饰电极,将其作为DNA传感器的光电化学基底材料固定发卡DNA探针。在探针DNA末端连接信号放大元件CdSe-COOH,当未检测目标物Ki-67时,处于发卡结构的DNA探针末端连接的信号放大元件CdSe靠近TiO_2/Au电极表面,形成敏化效应,使光电流强度大大增加。当目标DNA存在时,与发卡DNA探针形成直立的DNA双螺旋结构,此时,作为信号放大元件的CdSe量子点会远离TiO_2/Au纳米复合材料修饰电极表面,使敏化作用减弱,光电流强度明显降低。在实验条件保持最优的情况下,所提出的传感器光电流响应信号与待测DNA的浓度有间接性线性关系。实验中线性检测范围为0.1μM-10fM,最低检测浓度约为3 fM。与此同时,该传感器对待测目标物的检测也具有很好的稳定性及特异性。3.基于CdS功能化的g-C_3N_4纳米复合材料的无标记光电化学生物传感器对尿激酶型纤溶酶原激活剂的检测本章使用CdS功能化的g-C_3N_4纳米复合材料(CdS-g-C_3N_4)作为光电活性物质构建了一种无标记的光电化学生物传感器,并且应用于尿激酶型纤溶酶原激活剂(u-PA)的检测。将固定浓度的Au-g-C_3N_4纳米复合材料滴加到用PDDA处理过的FTO电极表面,自然晾干后作为生物传感器的光电化学基底固定u-PA抗体,当用不同浓度的u-PA抗原处理传感器电极时,光电化学电流产生明显降低。实验结果表明,生物传感器的光电化学电流强度与目标物u-PA抗原的浓度对数成线性相关,检测范围为1μg/mL-0.1pg/mL,最低检测限为33fg/mL。与此同时,所提出传感器对待测物质检测也有很高的灵敏度,特异性、重复性和稳定性也比较不错。4.基于钙锻矿型LaFeO_3纳米材料的光电化学免疫传感器对IL-6的检测本通过浸渍-提拉法及煅烧过程在FTO电极表面烧制了钙钛矿型的LaFeO_3纳米材料薄膜,构建了一种无标记的光电化学免疫传感器,并且应用于白介素-6(IL-6)的检测。通过XRD及SEM等方法验证所制备纳米材料修饰电极制备成功。将固定浓度的IL-6抗体滴加在上述LaFeO_3纳米材料薄膜电极表面,自然晾干,在电极表面接入不同浓度的IL-6抗原之后,光电化学电流产生明显降低。实验结果表明,所构建的免疫传感器对IL-6抗原有高灵敏度的检测,光电流强度与IL-6抗原的浓度对数成线性相关,线性检测范围为0.1 μg/mL-0.1 pg/mL,最低检测限达到33 fg/mL。同时,所提出传感器的特异性、重复性和稳定性也比较良好。
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O657.1
【图文】：

适配体,放大技术,光电化学,纳米复合物

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光电化学,传感器应用,纳米复合材料,免疫传感器

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【参考文献】