三维(3D)多孔纳米材料是指通过相互封闭或相互渗透的孔洞构成网状结构的一类材料。共价有机骨架材料(COFs)是由轻元素(B,C,N,O,Si)合成的新型多孔结晶材料。金属有机骨架材料(MOFs)也是三维多孔材料中的一种,由于该材料具有较大的比表面积、结构可扩展、孔隙结构丰富、热稳定性和化学稳定性好等优点,使其成为构建新型电化学传感器的一种有前途的新材料。本文合成了比表面积大、电子迁移率高、成本低廉的金纳米粒子-硫化钴/氧化石墨烯(Au NPs@CoS/GO)复合材料、Fe-MOFs(Fe-MIL-88 NH_2)材料、Au NPs@COF-LZU8纳米复合材料、四面体DNA纳米材料,并利用其开发了用于C-反应蛋白及单核苷酸多态性(SNP)检测的电化学生物传感器。(1)在第2章中,构建了一种基于多孔共价有机骨架材料和Au NPs@CoS/石墨烯氧化物(GO)纳米复合材料的超灵敏夹心型电化学免疫传感器用于C-反应蛋白(CRP)的测定。首先合成了Au NPs@CoS/GO纳米复合材料,因其具有高导电性可作为基质固定CRP抗体。采用金纳米颗粒修饰一种新的多孔共价有机骨架材料(COF-LZU8),并且吸附电活性物质硫堇(Thi)制备了纳米复合材料Thi/Au NPs@COF-LZU8作为标记物。利用高灵敏度的微分脉冲伏安法(DPV)可以直接在-0.2V检测Thi/Au NPs@COF-LZU8上Thi的还原峰信号。由于COF-LZU8具有较大的比表面积,可以吸附大量的Thi,从而放大信号。此外,由于Thi/Au NPs@COF-LZU8具有较好的生物亲和力,对CRP抗体有很强的吸附能力,可用于标记CRP抗体。CRP抗原浓度与标记物上Thi的还原电流成正比,实现了CRP的定量检测。在最优条件下,测定CRP的线性范围为0.05-150ng/mL,检出限为0.016 ng/mL。该免疫传感器为CRP的检测提供了一种更为有效、灵敏的方法(2)在第3章中,通过水热法合成了三维多孔纳米材料Fe-MOFs(Fe-MIL-88NH_2),并将Fe-MIL-88 NH_2作为基质材料研制了双信号比率型免疫传感器用于C-反应蛋白的检测。八面体结构的MOFs不仅提供了更大的有效表面积,用于增加固定生物分子的量并促进电子和离子的传输,而且还表现出良好的导电性。将Au NPs修饰到MOFs上可以进一步增加特定的表面积以捕获大量抗体以及提高电子转移能力。随着CRP浓度的增加,K_3Fe(CN)_6/K_4Fe(CN)_6的氧化还原峰电流减小,而MOFs中Fe~(3+)的还原峰电流相对恒定。采用K_3Fe(CN)_6/K_4Fe(CN)_6响应电流与MOFs的响应电流比值作为定量测定CRP的响应信号。由K_3Fe(CN)_6/K_4Fe(CN)_6作为信号探针(K_3Fe(CN)_6/K_4Fe(CN)_6-sP)和Au NPs修饰的Fe-MOFs作为内参比探针(MOFs-rP),这种比率探针将sP和rP整合到一个结构中,确保了完全相同的修饰条件以及sP和rP在一个传感界面上的相互依赖性。因此,这种比率型探针具有更强的消除环境变化干扰的能力。本文所提出的免疫传感器线性响应范围为1 ng/mL-200 ng/mL,检测下限为0.3 ng/mL(S/N=3)。该传感器具有良好的选择性,并且有望用于心血管疾病的早期筛查和诊断。该方法还为制备其它检测生物标志物的比率信号放大传感器奠定了基础。(3)在第4章的研究中,将Au NPs@Fe-MIL-88 NH_2作为标记CRP抗体的标记物,利用金标签银染(gold label silver stain,GLSS)技术,使用标记物上的金纳米粒子(Au NPs)还原银离子,构建了一种夹心型纸基免疫传感器,使用一个简单的Image J软件检测体系的灰度值,实现CRP的定量检测。利用MOFs材料的多孔结构吸附较多的金纳米粒子(Au NPs),以Au NPs作为成核位点,在还原剂存在下自动催化银离子化学还原为银金属,并且通过表面上金纳米颗粒的密度来确定银的增强效应。CRP浓度越高,标记物上的金纳米颗粒的密度越高,被还原的银离子也就越多,图像的灰度值越高,CRP浓度与灰度值成线性关系。在最优条件下,CRP浓度与灰度值在0.05 ng/mL-100 ng/mL范围内成线性关系,检测下限是0.017 ng/mL。该方法成本低廉,操作简便,快捷实用,具有实际意义。与Au NPs直接被标记在二抗(Ab2)上的常规GLSS方法相比,该方法具有更高的灵敏度。这是因为Fe-MIL-88 NH_2具有氨基、较大的比表面积和结合位点,可吸附更多的Au NPs并将其标记在Ab2上。因此,在染色期间暴露更多的Au NPs,并使更多的银离子被还原为银。(4)研究表明SNP与许多疾病有关,因此对SNP的检测具有重要意义。在第5章中,我们设计了一种基于DNA四面体纳米结构的电化学传感平台用于高灵敏的SNP检测。利用精心设计的四条单链DNA序列合成出DNA四面体纳米材料。在玻碳(GC)电极上修饰金纳米颗粒/氧化石墨烯(Au NPs@GO)作为电极的基底,通过DNA末端修饰的巯基(-SH)基团将DNA四面体纳米材料组装到电极表面。当目标DNA存在时,目标DNA的末端与DNA四面体纳米材料的DNA末端杂交。此时,标记了Au NPs@Fe-MOF材料的信号探针能够与目标DNA的另一末端杂交。通过检测Fe-MOF材料中的Fe~(3+)信号峰,达到检测SNP的目的。在0.5-500 nmol/L范围内,传感器峰电流值与target DNA浓度的对数具有良好的线性关系,线性相关系数R~2为0.9943,检测下限为0.166 nmol/L。用DNA自组装纳米技术合成的四面体DNA纳米材料,是一种最简单而且又最牢固的金字塔三维结构模型,可以提高体系的特异性。
【学位单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP212.3;TB383.1
【部分图文】：
第 1 章 绪论单，无标记和超灵敏的电化学免疫传感器。原理见图 1.1，Thi 分子吸附在纳米复合材料上仍然保留了电氧化还原活性。同时，纳米复合材料中的 Au 纳米颗粒（Au NPs）提供了用于固定生物分子的活性位点。基于 GO–Thi–Au NPs 的纳米复合材料的免疫传感器显示超低检测限为 0.05 fg/mL，线性范围为 0.1 fg/mL-109fg/mL。
图 1.2 （A）HRP 和 Pt-Pd-GS 标记的氧化还原探针分支抗体的制备方法（B）免疫传感器的逐步制造过程和抗体-抗原相互作用的示意图[72]Fig 1.2 Preparation procedure of HRP and Pt-Pd-GS labeled redox probe branched antibodies(A).Schematic illustration of the stepwise immunosensor fabrication process and interaction ofantibody–antigen(B)[72].2.1.3 三维多孔纳米材料的性能多孔（Nanoporous）材料是具有孔隙和纳米尺度特征的三维多孔固体[73]。纳多孔物质是多孔材料的重要组成成分，具有高比表面积和显著的表面效应[74]。照其孔径的大小将多孔材料分为：孔径小于 2 nm 的微孔材料，孔径在 2 nm-50m 的中孔材料和孔径大于 50 nm 的大孔材料。一旦物质达到纳米级别，在催化域、电光学领域、电磁和热力学等方面会显现特异性。三维多孔纳米材料具普通材料所不具备的独特性能[75, 76]：（1）表面与界面效应；因为纳米多孔材料的尺寸小,仅相当于几个原子大小，
其原理见图1.4，Au NPs/Cu-MOF 不仅用作固定发夹探针 3（HP3）的纳米载体，而且还作为信号报告的电活性材料。当葡萄糖存在于检测溶液中时，Au NPs/Cu-MOF 催化葡萄糖的氧化以实现无酶信号放大。该生物传感器具有较低的检测限（0.33fg/mL）和较宽的线性范围（1.0 fg/mL-100 ng/mL），并提供了一种基于氧化还原 MOF 构建具有强电流信号的的传感器的方法。
【参考文献】
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2891266
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