基于纳米材料和酶促目标循环技术电化学传感器的制备及其应用研究

发布时间：2020-11-23 20:17

　　 磺胺类药物是一类用于治疗细菌引起的各种感染的兽用抗菌药物,但由于过度滥用或停药期不足造成药物在动物组织内残留;最终通过食物链进入人体并威胁人类生命健康,如引起肝肾损伤,末梢神经炎或溶血性贫血等疾病;另外,长期使用该类药物甚至导致多种细菌产生抗药性(如:鼠伤寒沙门氏菌中发现耐磺胺类的抗性基因,Sul1),导致细菌感染性疾病的治疗越来越困难;因此,国内外对磺胺类药物残留限量均有严格的要求。因此,本文基于各种纳米材料和酶辅助信号放大策略设计了三种电化学传感器分别用于磺胺二甲氧嘧啶(SDM)和鼠伤寒沙门氏菌的耐磺胺类抗性基因(Sul1)的检测。本文的主要研究内容如下:第一部分基于P-C_(60)-rGO纳米复合物和Pt@Au纳米颗粒电化学传感器的制备及其对磺胺二甲氧嘧啶的检测研究目的:基于纳米复合材料制备电化学适体传感器并用于SDM的检测分析。方法:制备聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)功能化的C_(60)掺杂的rGO(P-C_(60)-rGO)纳米复合物作为电极界面修饰材料,然后用Pt@Au纳米颗粒修饰的P-C_(60)-rGO纳米复合物通过Pt@Au与-SH之间的相互作用将-SH标记的SDM适体(SBA)固定在电极表面,最后,将修饰电极与不同浓度的SDM溶液孵育,待SBA与SDM结合后,通过循环伏安法表征GOx的氧化还原中心(FAD/FADH_2)所产生信号的变化情况,扫描速率为100 mV/s,扫描电位范围为-0.25~-0.65 V。结果:该传感器的线性范围为10 fg/mL~50 ng/mL,相关系数R为0.996,检测限为8.7 fg/mL;批内RSD约为4.67%,批间RSD约为3.93%;平均回收率为106%~110%。结论:在上述纳米材料的基础上,该传感器表现出了良好的重现性、稳定性和较高的选择性以及较宽的线性范围和较低的检测限。第二部分基于RecJ_f酶辅助目标再循环和新型Signal tracer适体传感器的构建及其对磺胺二甲氧嘧啶的检测研究目的:基于RecJ_f酶辅助目标再循环策略和新型Signal tracer构建用于SDM检测的电化学适体传感器。方法:首先通过Au-S键作用将制备好-SH标记的适体(SBA)-捕获探针(Cp)的双链DNA(dsDNA)固定在金电极表面;当有SDM存在时,SBA与其形成SBA-SDM复合物,从而使dsDNA发生解离并释放出Cp。随后,通过RecJ_f酶选择性地剪切SBA,并将SDM分子释放并参与下一个循环反应,从而实现信号的放大。其次,制备了功能化的富勒烯(C_(60))掺杂的石墨烯(C_(60)-rGO)纳米复合物,然后通过π-π作用吸附信号分子甲苯胺蓝(Tb)而形成C_(60)-rGO-Tb纳米复合物;随后,制备金纳米颗粒修饰的C_(60)-rGO-Tb并用于固定信号探针(Sp)以形成信号探针复合物(Signal tracer);最后,从循环过程释放的Cp与Signal tracer杂交,可进一步增强电化学响应信号。结果:该传感器的线性范围为10 fg/mL~10 ng/mL,相关系数R为0.990,检测限约为10 fg/mL;平均回收率为98.0%~105%;批内RSD约为3.70%,批间RSD约为2.70%。结论:基于上述的多重信号放大策略,该适体传感器的选择性高,稳定性和重现性好,同时具有较宽的线性范围和较低的检测限。第三部分基于PAMAM-MoS_2-C_(60)、酶促目标循环策略和新型Signal marker构建的DNA传感器及其对Sul1的检测研究目的:基于纳米复合材料、酶促目标循环策略和新型Signal marker构建检测Sul1的电化学DNA传感器。方法:首先制备了聚乙二胺(PAMAM)功能化的C_(60)掺杂的二硫化钼(MoS_2)纳米复合物(P-MoS_2-C_(60))修饰玻碳电极表面。将制备捕获探针(Cp)和辅助探针(Ap)部分互补的双链DNA(pdsDNA)固定在P-MoS_2-C_(60)修饰的电极上;然后,当目标DNA存在时,可与pdsDNA形成完全互补的双链DNA(cdsDNA),exo III可从3'端至5'端剪切cdsDNA中的Ap。之后,目标DNA被释放并与另一个pdsDNA杂交以启动下一次循环过程,如此往复,最终释放出大量单链Cp。此外,还制备了金纳米粒子(AuNPs)修饰的MoS_2掺杂的聚苯胺(MoS_2-PANI-Au)纳米复合材料用于固载信号探针(Sp),从而得到新型信号标记物(Signal marker)。最后,电极表面的单链Cp与Signal marker杂交之后可进一步提高电化学信号。结果:该传感器在40 fM至40 nM的浓度范围呈线性关系,相关系数R为0.994,检测限为29.6 fM。批间和批内RSD均小于1.00%;平均回收率为98.0%~103%。结论:通过上述各种信号放大策略,该生物传感器对目标DNA的检测显示出较高的灵敏度和特异性;更重要的是,它还对从鼠伤寒沙门氏菌中获得的Sul1的PCR产物表现出较高的特异性和灵敏度,该传感器可为Sul1检测提供一个新的参考。
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图 1.1 电化学适体传感器用于 SDM 检测的原理Figure 1.1 The Schematic illustration of stepwise construction procedure of the aptasensor1.2 实验部分.2.1 试剂材料表 1.1 整个实验中使用的溶液组成Table 1.1 The consists of solutions used through the whole experimentSolutions Reagents10 mM Tris–HCl(pH 7.4, 200 mL)三（羟甲基）氨基甲烷（Tris） (2.423 g), 浓盐酸 (700 μL)0.1 M phosphate buffer(PBS，pH 7.0, 500 mL)NaH2PO4·2H2O (2.965 g), Na2HPO4·12H2O (11.103 g)KCl (0.373 g), MgCl2(0.095 g)5 mMK4Fe(CN)6/K3Fe(CN)6KCl (0.372 g), K4Fe(CN)6(0.092 g), K3Fe(CN)6(0.0825 g)10 mM Tris 钠盐缓冲液（pH 7.4, 200 mL）10 mM Tris–HCl (pH 7.4，20 mL), 乙二胺四乙酸(EDTA, 0.059 NaCl (1.172 g)

图 1.2 (A) C60-甲苯溶液，(B) nano-C60，(C) GO，(D) P-C60-rGO，(E) Pt@Au-P-C60-rGO FESEM 图; (F) C60(曲线 a)，GO (曲线 b)和 P-C60-rGO(曲线 c)的 FTIR 图。Figure 1.2 FESEM images of (A) C60in toluene, (B) nano-C60, (C) GO, (D) P-C60-rGO, (EPt@Au-P-C60-rGO, (F) FTIR image of the C60(curve a), GO (curve b) and P-C60-rGO (curc)..3.2 P-C60-rGO 的用量优化P-C60-rGO 纳米复合材料不仅能有效增加 GOx 的吸附量，同时也能大大提体传感器的稳定性，因此，本文研究了不同剂量的 P-C60-rGO 的 CV 响应情况图 1.3 所示，当 P-C60-rGO 的剂量为 8 μL 时，GOx 的 CV 响应达到了最大净值。因此，在整个实验过程中，选择 8 μL 作为 P-C60-rGO 纳米复合材料的用量

图 1.2 (A) C60-甲苯溶液，(B) nano-C60，(C) GO，(D) P-C60-rGO，(E) Pt@Au-P-C60-rGO FESEM 图; (F) C60(曲线 a)，GO (曲线 b)和 P-C60-rGO(曲线 c)的 FTIR 图。Figure 1.2 FESEM images of (A) C60in toluene, (B) nano-C60, (C) GO, (D) P-C60-rGO, (EPt@Au-P-C60-rGO, (F) FTIR image of the C60(curve a), GO (curve b) and P-C60-rGO (curc)..3.2 P-C60-rGO 的用量优化P-C60-rGO 纳米复合材料不仅能有效增加 GOx 的吸附量，同时也能大大提体传感器的稳定性，因此，本文研究了不同剂量的 P-C60-rGO 的 CV 响应情况图 1.3 所示，当 P-C60-rGO 的剂量为 8 μL 时，GOx 的 CV 响应达到了最大净值。因此，在整个实验过程中，选择 8 μL 作为 P-C60-rGO 纳米复合材料的用量
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