聚合物修饰表面的斜入射光反射差信号研究及其生化分析应用

发布时间：2020-08-09 16:58

【摘要】：斜入射光反射差(Oblique-incidence reflectivity difference,简写OIRD)技术是通过检测椭圆偏振反射光中s/p成分的变化,对各种表面变化和表面过程进行实时无损探测的一种光学技术。近十年来OIRD技术生物化学分析领域如免疫检测、生物芯片和生物分子相互作用研究等方面展示了巨大的应用潜力,具有无需标记、实时在线、高通量检测和适用于各种基底等突出优点。然而,目前的研究表明:OIRD技术生化检测时灵敏度较低,严重限制了其实际应用。为了拓展OIRD技术在固/液界面过程研究中的应用,提高其生化分析检测灵敏度,本论文围绕固体表面结构展开研究工作,通过不同聚合物薄膜修饰、调控表面结构,研究其对OIRD检测信号的影响;揭示了固体表面结构对OIRD检测灵敏度的巨大影响,在此基础上建立了一种通用的界面修饰方法,提高了OIRD技术的灵敏度,并在微阵列芯片检测、电活性薄膜分析等方面展示了其应用。具体工作如下:(1)以微阵列免疫芯片为对象,利用聚多巴胺(PDA)薄膜作为通用修饰层固定生物探针分子,构建免疫芯片,发展了探针固定密度一定而修饰层厚度可调的芯片构建方法,为定量研究聚合物厚度对OIRD检测信号创造条件。首先在标准玻片基底上生长了一系列不同厚度的PDA薄膜。然后通过接触式点样法在PDA薄膜修饰的基底表面点制荧光蛋白分子微阵列,利用荧光检测技术对点样缓冲溶液成分进行优化。优化后得到的PDA微阵列免疫芯片探针固定密度均匀、一致性好。(2)采用上述微阵列免疫芯片检测目标物,定量研究了聚合物修饰层厚度对OIRD检测信号的影响,揭示了厚度对检测信号的影响规律,在此基础上发展了高灵敏OIRD芯片。结果表明:聚合物修饰层厚度会对OIRD的检测信号产生巨大的影响。对同一浓度目标物,OIRD的检测信号会随着PDA修饰层厚度值变化。当PDA薄膜厚度从0增加到90.15 nm时,OIRD的检测信号会慢慢增加,但是从90.15增加到112.34 nm时,OIRD检测信号会降低,即90.15 nm的PDA微阵列免疫芯片具有最强的检测信号。而在这一最优微阵列免疫芯片上,对目标物anti-ZEN单克隆抗体进行检测,成功地检测到了线性范围在5.0-1000 ng mL~(-1)的anti-ZEN单克隆抗体,检测限为5.0 ng mL~(-1)。其灵敏度远优于厚度为24.55 nm的PDA微阵列免疫芯片(检测限为100 ng mL~(-1))和传统的GPTS免疫芯片(检测限500 ng mL~(-1))。(3)根据上述实验结果,建立了OIRD光学模型,并计算出了固/液界面上OIRD灵敏度(即检测信号)与聚合物修饰层厚度的数学关系式。理论计算显示:聚合物膜是作为一种光学干涉层可以增强光-物质的相互作用以提高OIRD灵敏度,并与膜厚度成周期性关系。建立了适用于本实验的光学四层模型,得出了由捕获的目标分子引起的OIRD检测灵敏度与聚合物厚度值的关系表达式。同样的,根据表达式模拟出的厚度-检测信号曲线图像,进一步证实了聚合物厚度会引起OIRD灵敏度变化的类似结论,并且理论计算出的OIRD最强灵敏度所对应聚合物厚度值也是在95 nm左右,和实验结果吻合。(4)在此基础上,通过对导电聚合物聚苯胺(PANI)薄膜厚度的调控,成功利用OIRD技术对聚苯胺薄膜的电化学可调性进行了研究,进一步展示了聚合物界面结构对OIRD检测灵敏度的影响。研究表明,在合适的PANI厚度下,OIRD技术可以对PANI电化学可调性进行空间分辨成像;基于此又利用过氧化氢对PANI膜氧化态的改变,构建了一种过氧化氢传感器,初步结果表明:这一技术能对过氧化氢进行高时空分辨检测。本论文较系统研究了聚合物修饰表面上OIRD检测信号规律,开发了适用于OIRD技术的高性能生物芯片,展示了OIRD技术在固/液界面过程检测方面的应用,可望为固/液界面上OIRD检测的光学机制提供了新的认识,促进OIRD技术在不同领域的实际应用。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O435.1;O657.3;TB302.5
【图文】：

示意图,示意图,偏振调制,椭偏仪

图 1.1 用于微阵列芯片检测的 OIRD 示意图Fig. 1.1 Schematic illustration of OIRD for microarray detection.OIRD 技术的基本原理和传统的偏振调制型椭偏仪相似，但由于 OIRD 技术引入了用于背底噪声调零的装置[14]（相移器、偏振分析器），相比于传统的偏振调制型椭偏仪，OIRD 技术拥有更高的灵敏度[15]。OIRD 技术的基本原理是通过测量斜

数据采集系统,光路系统,软件系统,扫描系统

图 1.2 OIRD 装置及软件系统：光路系统（a），数据采集系统（b），LabView 程序（c）和二扫描系统（d）Fig. 1.2 OIRD equipment and software system: optical path system (a), data recording system (b)LabView program (c) and two-dimensional scanning system (d).

示意图,玻片,聚合物,示意图

图 1.3 制备 POEGMA-co-GMA 聚合物玻片的示意图[41]Fig. 1.3 Schematic illustration of synthesis procedure of POEGMA-co-GMA brush[41前，使用较多的微阵列芯片的基底材料有玻片、金片、硅片、塑料其中在微阵列芯片领域中使用最广泛的基底是玻片，主要是因为玻殊的优点，如价格便宜、物理及化学性质相比其它材料更稳定，同

【相似文献】