基于金属标记的高敏生物亲和型安培传感研究

发布时间：2018-11-09 15:06

【摘要】：长期以来,生化分析及生物传感方法的创新一直是分析化学和生物技术领域的基础研究热点之一,迄今已发展了很多这方面的新方法,以适应生物医学、食品安全和环境分析等领域多样化的分析检测需求。基于高特异性的各种生物亲和行为(免疫亲和、核酸杂交、适体亲和、糖-凝集素亲和等)所发展出的生化分析及生物传感方法选择性好,因此,提高其检测灵敏度长期以来一直是该领域最重要的研究目标之一。电化学分析法灵敏度高、选择性好、检测下限低、成本低、操作简便、仪器具有便携性,是面向快速、现场生物医学分析的重要手段。金属及其化合物纳米材料经常用作生物电分析中的标记物,因可借助溶出伏安分析法便捷灵敏地检测金属成分,从而实现快速高敏的生物分析(即金属标记的安培生物分析,MLAB)。从微观层面来说,核外电子运动问题是化学的一个核心科学问题,也是物质基础为分子/离子/原子的生物学和材料科学等下游学科的重要科学问题。电子运动行为,如电子的能级跃迁、弱的电子(电荷)相互作用、强的电子相互作用(电子共享)以及完全的电子得失,是众多化学反应和现象的微观基础。从这个意义上说,可以认为化学主要是一门研究和利用核外电子的科学。我们认为,创新获取和放大生物传感电极界面上电子转移信号的方法,不仅有助于电分析化学和电化学学科的发展,也对于深入认识核外电子运动行为这一化学学科全局问题具有意义。本学位论文中,在简要综述电化学生物传感器及纳米生物传感领域近期进展的基础上,基于生物亲和、金属及其化合物纳米材料标记和信号放大,开展了系列高敏安培生物传感研究工作,实现了几种肿瘤标志物和心肌损伤标志物的高敏或准单分子水平超敏检测。主要内容如下:1.在二抗标记有纳米金(Au NPs)的三明治免疫电极上,基于Au NPs催化的HAu Cl4/羟胺(NH2OH)氧化还原反应(金标金染法)高效放大金标的尺寸,在免疫电极上、微升滴HBr-Br2溶液中进行金标的同时化学溶解和阴极富集,以及采用原位阳极溶出伏安(ASV)检测所富集的金,提出了双重放大免疫金标的安培信号的超敏免疫传感新方法。在优化条件下,该法可敏感到数个蛋白质分子(人免疫球蛋白(Ig G)或前列腺癌抗原(PSA))。2.基于二抗上标记纳米金(Au NPs)的三明治免疫电极和多次交替进行的金标银染/原电池置换反应(GRR),以及银的同时化学溶解/阴极富集和免疫电极上微升滴溶液中的原位ASV检测,提出了超敏的金属标记安培免疫分析(MLAI)新方法。纳米金标催化氢醌(HQ)化学还原Ag+,在纳米金标表面生成纳米银(金标银染)。多次进行所染上银与氯金酸之间的GRR反应,银的ASV信号得到显著放大。优化条件下,该法对Ig G的检测下限为0.2 fg m L-1,人甲胎蛋白(AFP)为0.1 fg m L-1(均相当于所用6μL样品中的5个蛋白质分子)。通过免疫反应热力学推导,探讨了单分子水平安培免疫分析的理论可行性。3.基于金标铜染、原电池置换反应(GRR)和阴极预富集铜增强的原位阳极溶出伏安分析,建立了一种超敏的MLAI新方法。二抗上标记的Au NPs可催化Cu SO4和抗坏血酸(AA)的化学反应,从而使铜沉积到Au NPs上。然后,将金标银染和GRRs反应交替进行以增大铜量,并基于铜的同时化学溶解/阴极富集和免疫电极上微升滴溶液中的原位ASV检测,得到多重放大的信号用于抗原的定量分析。循环伏安法、电化学阻抗谱、石英晶体微天平和扫描电子显微镜用于膜表征和/或过程监测。优化条件下,实现了Ig G和人糖类抗原125(CA125)的超敏分析。Ig G检测下限为0.3 fg m L-1(相当于所用6μL样品中的7个分子),CA125为1.3 n U m L-1。用于实际血样分析,结果满意。4.研究了一种高敏的金属标记安培免疫/适体分析方法,即同时化学溶解/阴极富集Cd S量子点(QDs)标记物,再在生物电极上进行原位ASV直接检测。在空气中预先施加阴极电位以及滴加微升级体积的酸溶液,使扩散层最薄,以尽可能多地将金属标记物捕获到生物电极表面,最终得到增强的ASV信号。该法用于三明治免疫分析和基于适体的生物分析,对人免疫球蛋白G(Ig G)的LOD为4.5 fg m L-1,人癌胚抗原(CEA)为3.0 fg m L-1,人甲胎蛋白(AFP)为4.9 fg m L-1,凝血酶为0.9 f M。基于本法,实现了两个丝网印刷碳电极(SPCEs)上CEA和AFP的同时高敏免疫分析。5.基于酶促原位形成半导体Cd S量子点(QD),同时化学溶解/阴极富集Cd S QDs金属标记物,再在免疫电极上进行原位ASV直接检测,建立了一种超敏的金属标记的夹心型安培免疫分析新方法。采用碱性磷酸酶(ALP)和金纳米框标记二抗(Ab2-ALP-Au NFs),催化抗坏血酸磷酸盐(AAP)水解得到抗坏血酸和游离的磷酸根离子(PO43-),在此溶液中加入Cd2+和S2-离子能原位生成稳定的Cd S量子点。通过目标抗原与ALP-Au NFs标记的二抗的特异性相互作用生成Cd S量子点,进行了抗原的定量分析。Au NFs可增加酶负载量和保持酶高活性而放大信号。通过在空气中预先进行“电位控制”,滴加7μL 0.1 M HNO3溶液同时化学溶解/阴极富集Cd S QDs标记物,再在生物电极上进行原位ASV直接检测。优化条件下,该法对人免疫球蛋白G(Ig G)的LOD为0.6 fg m L-1,心肌肌钙蛋白I(c Tn I)为0.7 fg m L-1(相当于所用的6μL样品中的110个c Tn I分子)。跟可比条件下的量子点荧光免疫实验结果比较,电化学法所得Ig G的LOD低了约3个数量级。6.基于b-环糊精和石墨烯薄片(CD-GS)修饰的玻碳电极上的夹心型免疫结构、氧化锌纳米晶体与多壁碳纳米管(Zn O-MWCNTs)标记的二抗、外加硝酸镉和硫代乙酰胺反应液中Cd S纳米晶体在Zn O表面的选择性生长、以及免疫电极上的同时化学溶解/阴极富集Cd和原位微升滴阳极溶出伏安法,建立了MLAI新方法,实现了Ig G和心型脂肪酸结合蛋白(FABP)的超敏分析。
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【学位授予单位】：湖南师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.1;TP212

【参考文献】