基于纳米复合材料及多种信号放大策略构建的电致化学发光适体传感器的研究

发布时间：2017-07-14 01:23

  本文关键词：基于纳米复合材料及多种信号放大策略构建的电致化学发光适体传感器的研究

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【摘要】：电致化学发光(ECL)适体传感器是一类将适体作为分子识别元件并和电致化学发光技术相结合发展而来的新型生物传感器,ECL适体传感器由于具有灵敏度高、选择性好、响应快速、操作简便、成本低等优点,在蛋白的检测及疾病的早期诊断中发挥着重要的作用。在ECL适体传感器的构建中,如何实现信号放大并提高对目标分子的检测灵敏度是关键。近几年来,纳米材料放大、共反应试剂放大、酶催化原位产生共反应试剂放大等多种信号放大策略被广泛应用于ECL适体传感器的研究中。因此,利用信号放大策略和ECL传感技术,研制可靠、有效、高灵敏的ECL适体传感器有着十分重要的现实意义。本论文主要从以下几个方面开展研究工作:1、基于仿双酶纳米复合物作为信号放大标签的电致化学发光适体传感器研究原位产生共反应试剂可有效增强电致化学发光强度,提高检测灵敏度。在该体系中,我们首先利用具有大的比表面积的空心纳米金(HAuNPs)为载体固载葡萄糖氧化酶纳米颗粒(GOxNPs)、铂纳米颗粒(PtNPs)和检测凝血酶适体(TBA 2)以增大其固载量并提高纳米复合材料的生物相容性。然后利用hemin与TBA 2之间的作用形成hemin/G-四分体结构,并与PtNPs协同作为辣根过氧化物酶(HRP)模拟酶催化H2O2分解产生O2。同时,具有高稳定性和大比表面积的C60纳米颗粒(nano-C60)被用来作为一种新颖、有效的敏感界面固载大量的巯基凝血酶适体(TBA 1)。最后基于夹心反应模式,GOxNPs,hemin/G-四分体和PtNPs形成了仿双酶逐级催化体系,在含有适量葡萄糖的过硫酸根(S2O82-)检测底液中,GOxNPs首先催化葡萄糖产生H2O2,进而H2O2继续被hemin/G-四分体和PtNPs协同催化原位产生高浓度的溶解氧作为S2O82-的共反应试剂从而实现ECL信号的进一步放大。该方法成功的克服了溶解氧作为S2O82-共反应试剂存在的标记困难、在检测底液中浓度较低的缺陷,实现了ECL响应信号的放大。实验表明,该适体传感器对凝血酶(TB)的检测展现出高的灵敏度,宽的线性范围,低的检测限和好的重现性,线性范围为1×10-6~10 nmol/L,最低检测限为0.3fmol/L。2、基于金纳米粒子修饰的3,4,9,10-傒四甲酸-氨基硫脲功能化的C60纳米复合物作为信号放大标签的电致化学发光适体传感器的研究C60独特的零维纳米结构和离域大π键使其可以作为构建多功能纳米材料的结构平台。更值得注意的是,研究者曾经发现C60可以增强S2O82-/O2体系的ECL响应信号。然而由于C60水溶性不好,因此本实验中,我们制备了一种多功能化的水溶性C60纳米颗粒(C60NPs)来显著增强S2O82-/O2体系的ECL信号强度。首先,我们利用具有平π电子体系的3,4,9,10-傒四甲酸(PTCA)通过π-π堆积作用与C60NPs反应来制得PTCA功能化的C60NPs增强S2O82-/O2体系的ECL信号强度。更重要的是,具有-NH2活性基团的氨基硫脲(TSC)被首次选用到S2O82-/O2的ECL体系中,其不仅可以用于吸附金纳米颗粒(AuNPs)来进一步固载TBA 2而且可以与PTCA功能化的C60NPs形成TSC-PTC/C60NPs纳米复合物。于此,TSC-PTC作为S2O82-的共反应试剂便进一步显著放大了S2O82-/O2体系的ECL信号,提高了检测灵敏度。最后,基于夹心反应模式,我们利用AuNPs/TSC-PTC/C60NPs纳米复合物作为ECL信号标签构建了高灵敏的ECL适体传感器用于TB的定量检测。该适体传感器对TB的测定表现出高的选择性、宽的线性范围,低的检测限和高的灵敏度,检测范围1×10-5~10 nmol/L,检测限为3.3 fmol/L。本体系也为S2O82-/O2ECL体系在生物分析中的应用提供了一个新的视角。3、基于氨基脲为共反应促进剂的新型信号放大策略高灵敏电致化学发光适体传感器的研究共反应促进剂是一种将它引入到含有发光试剂和共反应试剂的ECL体系中,它可以与共反应试剂而非发光试剂反应从而提高共反应试剂和发光试剂的ECL反应速率的物质,而且由此得到的ECL信号会明显高于只有发光试剂和共反应试剂存在的ECL信号。本体系首次提出通过引入共反应促进剂氨基脲(Sem)提高S2O82-和CdTe量子点(CdTe QDs)的ECL反应速率,从而放大ECL响应信号的新型信号放大策略。首先,我们利用空心金纳米笼(AuNCs)大的比表面积交替固载上大量的Sem和AuNPs以得到多层结构的纳米复合材料(AuNPs-Sem)n-AuNCs来固载TBA 2,从而得到TBA 2信号探针。值得注意的是,大量的共反应促进剂Sem被引入到TBA 2信号探针中,使得S2O82-和QDs的ECL反应速率增强,ECL响应信号显著放大。之后,利用TB作为实验模型构建了一种新型的ECL适体传感器。基于夹心反应模式,在S2O82-的检测底液中,TBA 2信号探针中的Sem加速S2O82-的还原产生更多的强氧化剂中间体SO4?-,进而显著增加单位时间内激发态CdTe QDs的生成量,放大响应信号。利用Sem作为共反应促进剂构建的ECL适体传感器对TB的检测具有超高的灵敏度,检测范围为1×10-7~1 nmol/L,检出限为0.03 fmol/L。实验表明共反应促进剂的引入为实现ECL响应信号的放大提供了一个简单、有效、低成本的方法,并为基于信号放大的ECL传感器的构建提供了一个新的方向。
【关键词】：电致化学发光适体传感器 信号放大 纳米复合材料 共反应试剂
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.1;TP212
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 电致化学发光适体传感器11-15
• 1.1.1 电致化学发光分析方法概述11-12
• 1.1.2 电致化学发光适体传感器概述12-13
• 1.1.3 电致化学发光体系在电致化学发光适体传感器中的应用13-15
• 1.2 信号放大策略在电致化学发光适体传感器中的应用15-23
• 1.2.1 纳米材料放大策略15-20
• 1.2.2 共反应试剂放大策略20-22
• 1.2.3 酶催化原位产生共反应试剂放大策略22-23
• 1.3 本文的研究思路23-25
• 第2章 基于仿双酶纳米复合物作为信号放大标签的电致化学发光适体传感器研究25-36
• 2.1 引言25-26
• 2.2 实验部分26-29
• 2.2.1 仪器与试剂26-27
• 2.2.2 nano-C_(60)的制备27
• 2.2.3 HAuNPs的制备27
• 2.2.4 GOxNPs的制备27
• 2.2.5 TBA2 纳米复合物的制备27-28
• 2.2.6 夹心结构ECL适体传感器的制备28
• 2.2.7 夹心结构ECL适体传感器的检测28-29
• 2.3 结果与讨论29-34
• 2.3.1 不同纳米材料的SEM表征29-30
• 2.3.2 适体传感器逐步修饰过程的ECL表征30
• 2.3.3 适体传感器逐步修饰过程的CV和EIS表征30-31
• 2.3.4 葡萄糖浓度的优化31
• 2.3.5 不同的TBA2 信号探针所测得的ECL信号对比及该信号放大策略可能的ECL机理31-33
• 2.3.6 ECL适体传感器的性能33-34
• 2.3.7 实际样品的检测34
• 2.4 结论34-36
• 第3章 基于金纳米粒子修饰的 3,4,9,10-傒四甲酸-氨基硫脲功能化的C_(60)纳米复合物作为信号放大标签的电致化学发光适体传感器的研究36-49
• 3.1 引言36-37
• 3.2 实验部分37-39
• 3.2.1 仪器与试剂37-38
• 3.2.2 PTCA/C60NPs的制备38
• 3.2.3 TBA2/AuNPs/TSC-PTC/C_(60)NPs信号探针的制备38
• 3.2.4 用于比较的不同TBA2 信号探针的制备38-39
• 3.2.5 夹心结构ECL适体传感器的制备39
• 3.2.6 夹心结构ECL适体传感器的检测39
• 3.3 结果与讨论39-48
• 3.3.1 不同纳米材料的表征39-40
• 3.3.2 适体传感器逐步修饰过程的ECL和CV表征40-42
• 3.3.3 信号放大策略的ECL机理探讨42-44
• 3.3.4 不同的TBA2 信号探针所测得的ECL信号对比44-45
• 3.3.5 TBA 1 孵育时间和TBA 1，TB与TBA2 信号探针夹心反应时间的优化45-46
• 3.3.6 ECL适体传感器的性能46-48
• 3.3.7 实际样品的检测48
• 3.4 结论48-49
• 第4章 基于氨基脲为共反应促进剂的新型信号放大策略高灵敏电致化学发光适体传感器的研究49-64
• 4.1 引言49-50
• 4.2 实验部分50-53
• 4.2.1 仪器与试剂50-51
• 4.2.2 CdTe QDs的制备51
• 4.2.3 CdTe QDs@C60NPs复合纳米材料的制备51-52
• 4.2.4 AuNCs的制备52
• 4.2.5 TBA2-(AuNPs-Sem)n-AuNCs信号探针的制备52
• 4.2.6 夹心结构ECL适体传感器的制备52-53
• 4.2.7 夹心结构ECL适体传感器的检测53
• 4.3 结果与讨论53-62
• 4.3.1 不同纳米材料的SEM和TEM表征53
• 4.3.2 CdTe QDs的UV-Vis, PL和ECL表征53-55
• 4.3.3 ECL和CV特性55-56
• 4.3.4 不同ECL体系可能的ECL反应机理56-57
• 4.3.5 适体传感器逐步修饰过程的ECL表征57-58
• 4.3.6 适体传感器逐步修饰过程的CV和EIS表征58
• 4.3.7 CdTe QDs的工作电位和AuNPs与Sem吸附层数的优化58-60
• 4.3.8 不同的TBA2 信号探针所测得的ECL信号对比60-61
• 4.3.9 TB检测的校准曲线61
• 4.3.10 ECL适体传感器的选择性和稳定性61-62
• 4.3.11 实际样品的检测62
• 4.4 结论62-64
• 第5章 结论64-65
• 参考文献65-74
• 作者部分相关论文题录74-75
• 致谢75

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