扫描电化学显微镜生物传感信号放大技术的研究

发布时间：2017-10-01 23:12

  本文关键词：扫描电化学显微镜生物传感信号放大技术的研究

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【摘要】：扫描电化学显微镜(SECM)是A. J. Bard教授提出并发展的一种电化学扫描成像检测技术。它是通过超微电极(探针)靠近基底或在靠近基底的区域内移动时产生的电化学信号来研究体系的电化学性质及基底形貌。现在也被应用于检测固定在基底上的生物分子,例如,基因、酶、多肽、抗原抗体等。与传统的电化学方法相比,SECM的产生/收集模式具有电化学信号检测与目标生物分子载体分离的特性,即电化学信号是通过SECM的探针电极获得,而目标生物分子和信号放大分子则是固定在基底上,所以基底上固定的生物分子或信号放大分子的导电性不会影响探针电极的电荷传递和电化学反应特性。本文,我们通过探索SECM特有的信号放大技术,来提高生物分析检测的灵敏度。主要包括以下两个方面：(1)借助DNA超级链这一在传统电化学方法中受限的信号放大技术,实现对目标DNA分子的高灵敏检测,并将这一信号放大技术用于DNA阵列芯片生物传感,实现了对多个目标DNA分子的同时高灵敏检测分析,为基因组测序及其它的高通量分析工作提供基础；(2)对SECM的探针电极进行修饰,使得探针电极不仅是简单获得电化学信号的界面,而且可进一步对目标生物分子的信号产生催化放大。本文共包括四章内容,具体如下：第一章绪论本章,我们简要介绍了扫描电化学显微镜,主要包括它的产生背景、基本构成、工作模式,以及它在DNA分析检测、免疫蛋白检测和化学修饰微探针电极三个方面的研究现状,最后阐述了本论文的主要研究内容及研究意义。第二章 基于DNA超级链信号放大的扫描电化学显微镜DNA生物传感技术我们首次以DNA超级链为信号放大元件用于基于SECM的DNA生物传感平台的构建。首先,固定在金基底上的修饰有巯基的捕获DNA(CP)先后与目标DNA (TD)和修饰有生物素(biotin)的指示DNA(SP)杂交,DNA超级链是通过将上述所得电极置于含有辅助DNA(AP)和biotin修饰的指示DNA(SP)的混合溶液中通过两者的交替杂交在电极上逐渐形成的。链霉亲和素-辣根过氧化物酶(streptavidin-HRP)可以通过biotin和streptavidin之间的相互作用链接到基底上。在H202的存在下,溶液中的对苯二酚(H2Q)在特异性杂交区域被HRP氧化成苯醌(BQ),产生的BQ在施加负电位的探针上被还原得到检测电流,从而实现目标DNA的定量测定。该方法检测限可达0.18 aM。第三章基于DNA超级链信号放大的扫描电化学显微镜DNA阵列芯片生物传感技术DNA超级链在基于SECM的生物传感器中具有明显的信号放大效果。本章,我们以DNA阵列芯片为基底,构建了基于DNA超级链信号放大的DNA阵列生物传感器。DNA阵列芯片是通过纳米机器人在玻璃基底表面点样氨基修饰的固定DNA探针而制得。DNA阵列生物传感平台的构建与上一章相似。在H202的存在下,特异性杂交位点处修饰的HRP将溶液中的对苯二酚(H2Q)氧化成苯醌(BQ),产生的BQ可以被探针电极收集检测,从而得到基底不同位点的扫描图像。我们以4种浓度为100 fM的目标DNA为模型分子,通过该信号放大方式,实现了多种DNA的平行检测分析,并表现出足够的灵敏度、较好的选择性和重复性。这项技术为高灵敏的基因组测序和其它高通量的分析检测提供了很好的实验基础。第四章普鲁士蓝修饰超微探针电极用于扫描电化学显微镜葡萄糖生物传感的信号放大本章,我们通过电沉积的方法在Pt超微电极探针上修饰了一层普鲁士蓝(PB)膜,并以葡萄糖氧化酶(GOD)为模型酶分子,构建了SECM葡萄糖生物传感器。实验过程中,PB膜修饰的探针电极表现出了较好的稳定性,对H202也表现出了较好的电催化活性,起到了信号放大的作用,使得所构建的葡萄糖生物传感器具有很高的检测灵敏度。这项技术有望应用于基于PB修饰超微探针电极的多种SECM生物传感器(如DNA、免疫蛋白等)检测灵敏度的提高。
【关键词】：扫描电化学显微镜 生物传感器 信号放大 DNA超级链 普鲁士蓝
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH742
【目录】：

• 摘要6-9
• Abstract9-14
• 第一章 绪论14-35
• 1 SECM的基本构成14-15
• 2 SECM的工作模式15-17
• 2.1 反馈模式15-16
• 2.2 产生/收集模式16-17
• 3 基于SECM的生物传感技术17-27
• 3.1 基于SECM的DNA生物传感技术17-21
• 3.2 基于SECM的免疫蛋白生物传感技术21-25
• 3.3 化学修饰探针电极在SECM生物传感技术中的应用25-27
• 4 本论文的主要研究内容及研究意义27-29
• 参考文献29-35
• 第二章 基于DNA超级链信号放大的扫描电化学显微镜DNA生物传感技术35-48
• 1 引言35-37
• 2 实验部分37-38
• 2.1 仪器和试剂37
• 2.2 CP在金基底表面的固定37-38
• 2.3 SECM生物传感平台的构建38
• 3 结果与讨论38-44
• 3.1 SECM生物传感器上的逼近曲线检测38-40
• 3.2 基于DNA超级链的信号放大40-43
• 3.3 目标分子的测定43-44
• 4 结论44-45
• 参考文献45-48
• 第三章 基于DNA超级链信号放大的扫描电化学显微镜DNA阵列芯片生物传感技术48-60
• 1 引言48-49
• 2 实验部分49-52
• 2.1 仪器和试剂49-51
• 2.2 DNA阵列芯片生物传感平台的构建51
• 2.3 基底的调平51-52
• 3 结果与讨论52-55
• 3.1 DNA阵列生物传感平台的SECM扫描表征52-53
• 3.2 DNA阵列生物传感平台的选择性检测53-54
• 3.3 DNA阵列生物传感平台的重现性检测54-55
• 4 结论55-57
• 参考文献57-60
• 第四章 普鲁士蓝修饰超微探针电极用于扫描电化学显微镜葡萄糖生物传感的信号放大60-71
• 1 引言60-61
• 2 实验部分61-62
• 2.1 仪器和试剂61-62
• 2.2 PB膜修饰超微探针电极的制备62
• 2.3 酶基底的制备62
• 2.4 SECM的检测62
• 3 结果与讨论62-67
• 3.1 PB膜修饰超微探针电极的电化学特性的研究62-64
• 3.2 pH值对PB膜修饰微探针电极稳定性的影响64-65
• 3.3 PB膜修饰的微探针电极对H_2O_2的响应65-66
• 3.4 基于PB膜信号放大的SECM葡萄糖传感器的响应性能66-67
• 4 结论67-69
• 参考文献69-71
• 附录：硕士在读期间的科研成果71-72
• 致谢72

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