人体内的所有器官都是由细胞组成,细胞的有序增长和分化可以保持人的身体健康,但是细胞的异常分化会形成恶性肿瘤,即人们常说的癌症。恶性肿瘤长得快、易转移且难切除,对生命造成了严重的威胁。另外恶性肿瘤早期多无明显症状,等患者出现症状时,肿瘤已属于晚期。因此,目前早期诊断及预防是治疗恶性肿瘤最有效的手段。研究证明,细胞内过量的活性氧分子会引起氧化应激,导致细胞膜脂质过氧化和蛋白质变性等,进一步造成肿瘤的发生和发展。另外,在恶性肿瘤的初期阶段,某些蛋白质会分泌异常。因此实现这些疾病标志物(活性氧分子和蛋白质等)的灵敏检测对癌症的诊断及治疗评价等方面具有较大的实用价值。电致化学发光(electrochemiluminescence,ECL)是一门结合了电化学分析技术的高可控性和发光分析技术的高灵敏度的分析技术。ECL生物传感器就是将ECL与生物传感器相结合而发展起来的一类生物传感器,它不仅具有高可控性和高灵敏度,还具有优异的特异性。这些优点使得ECL生物传感器能很好的应用于生物分析检测。在ECL机理研究过程中发现提高共反应试剂的作用效率能提高发光体的ECL效率。另外在传感器的构建过程中,由于发光体的固载量直接决定了发光体的反应数量,因此有效提高发光体的固载量能提高传感器的发光强度。另外,提高目标物的利用率也能增强ECL信号。鉴于此,为了进一步提高ECL生物传感器的灵敏度,本文主要利用纳米材料及生物辅助放大策略来构建一些快速且灵敏的ECL传感器并进行癌症标志物的检测。主要内容及结果如下:1.基于自增强型鲁米诺衍生物及PdIr立方体模拟过氧化物酶的电致化学发光免疫传感器的研究在众多的信号放大策略中,同一分子内同时含有发光基团和共反应基团的自增强型ECL发光物质能极大的提高发光物质的发光效率,因为在同一分子内发光体与共反应试剂之间的反应距离较短因此能量损失也少。另外,由于自然过氧化物酶易失活且难分离,因此具有优异稳定性和模拟过氧化物酶性能的纳米材料受到了广泛关注。在本工作中,我们首先合成了具有高效过氧化物酶性质的PdIr立方体,然后将L-半胱氨酸(L-Cys)和N-(4-氨基丁基)-N-乙基异鲁米诺(ABEI)固定在PdIr立方体上合成了自增强型的ECL纳米复合物(PdIr-L-Cys-ABEI)。基于L-Cys对ABEI的分子内自增强及PdIr立方体对H_2O_2的有效催化信号放大策略,构建了一个简单且灵敏度高的ECL免疫传感器,并成功应用于层粘连蛋白(LN)的测定。该方法为提高ABEI的发光效率及拓展其应用提供了一种新的策略。2.以高效的新金属有机骨架为信号探针构建高灵敏电致化学发光生物传感器的研究在构建ECL传感器时,提高发光效率最直接的方法是有效提高发光体的固载量,因为发光体的固载量直接决定了发光体的反应数量。传统的ABEI固载方法在一定程度上会限制ABEI的固载量,因此,在本研究中我们提出了一种有效固载大量ABEI的方法。我们用ABEI交联的2-氨基对苯二甲酸作为有机桥连配体合成Fe-MIL-101(ABEI@Fe-MIL-101),这样会使得大量ABEI固载在Fe-MIL-101的骨架上,因此所得的ABEI@Fe-MIL-101具有优异的ECL性能。此外,为了避免使用共反应试剂H_2O_2,为蛋白和细胞的检测提供一个更安全的环境,我们通过控制电位使溶解氧转化成超氧自由基(O_2˙ˉ)来进一步增强ECL信号。实验结果表明,所构建的传感器对MCF-7癌细胞上粘蛋白(MUC1)具有灵敏的检测,检测限为12个细胞,表明该策略能为癌症早期的生物标志物诊断提供一个有效的方法。3.基于功能化三维多孔导电聚合物水凝胶构建电致化学发光生物传感器的研究可靠且灵敏的原位检测细胞释放的小分子吸引了研究者们极大的兴趣,因为这在病理生理学研究中具有重要的意义。在这个工作中,我们合成了发光物质ABEI功能化的银纳米颗粒修饰的聚苯胺-植酸导电水凝胶(ABEI-Ag@PAni-PA)材料,并用其制备了一个ECL生物传感器对细胞释放的过氧化氢(H_2O_2)进行了灵敏检测。所制备的三维结构的ABEI-Ag@PAni-PA既具有导电水凝胶优异的导电性又具有纳米催化剂优异的催化性。另外,由于PAni水凝胶具有连续的三维骨架、多孔结构和好的生物相容性,有利于ABEI-Ag的大量固载和细胞黏附。传统检测细胞内H_2O_2的方法是将细胞置于溶液中,在该工作中我们将细胞黏附在ABEI-Ag@PAni-PA导电水凝胶上,与传统的方法相比这为H_2O_2扩散到反应位点提供了短的扩散距离,因此在药物刺激下更能实现细胞内H_2O_2的灵敏检测。结果表明,该ECL传感器具有较好的生物相容性、较高的灵敏度且易制备,因此可以利用其去检测细胞释放的其他分子,有利于促进病理生理学的研究。4.基于目标物循环放大策略的电致化学发光信号转换体系用于灵敏检测Hg~(2+)和粘蛋白的研究在构建传感器时,实现目标物的循环利用是另一个提高传感器信号的有效放大策略,,因为通过目标物循环即使目标物浓度很小传感器也能检测到一定的ECL信号。另外,有研究证明“on-off-on”信号转换策略能提高传感器的灵敏度,因为它不仅能降低背景信号,还能消除假阳信号。在本工作中,我们首次发现汞离子(Hg~(2+))能有效猝灭ABEI的ECL信号,且Hg~(2+)能通过T-Hg~(2+)-T作用很好的被固载。受此启发,我们构建了一个基于Hg~(2+)引发的“on-off-on”型ECL适体传感器用于超灵敏检测Hg~(2+)和MUC1。为了进一步提高适体传感器的灵敏度,利用Exo I来实现目标MUC1的循环使用。实验结果表明,本文提出的ECL适体传感器能成功的应用于较宽范围内Hg~(2+)和MUC1的灵敏检测。5.基于蛋白-适体驱动的三维DNA纳米机器信号探针构建电致化学发光生物传感器的研究在传统检测蛋白质的方法中,通常采用酶剪切或聚合将目标蛋白质转换成单链DNA来间接实现蛋白质的循环使用,这使得实验耗时长、花费高且复杂。为了实现目标蛋白质的直接循环,在本论文中我们构建了一个基于蛋白-适配体复合物驱动的三维DNA纳米机器信号探针的ECL生物传感器并应用于mucin1(MUC1)的灵敏检测。在三维DNA纳米机器信号探针的组装过程中我们采用MUC1-适配体复合物作为催化发夹组装的催化剂。这种方法不仅可以实现目标蛋白质的直接循环使用,还可以实现发光物质ABEI的有效固载。此外,我们用CoFe_2O_4磁性纳米材料作为三维DNA纳米机器信号探针的固载基质,不仅可以实现快速分离,还能催化共反应试剂H_2O_2的分解产生羟基自由基(OH~·),实现ECL信号的放大。该研究方案结合了目标物MUC1的循环和CoFe_2O_4的催化,实现了对MUC1的超灵敏检测。因此,这种策略可以为临床诊断(如微量蛋白检测)提供一种有效的,灵敏的检测方法。
【学位单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：R730.4;O657
【部分图文】：
图 1.1 鲁米诺及其衍生物的分子结构Fig. 1.1 The structure of luminuo and its derivatives鲁米诺-H2O2的 ECL 反应机理如图 1.2 所示[4]。在碱性环境下，鲁米诺先失一个质子，再进一步被电化学氧化形成偶氮化合物。同时 H2O2分解产生超氧阴子 (HOO-) 或超氧自由基离子 (Oˉ˙)，他们与氧化生成的偶氮化合物产生激发态
图 1.2 鲁米诺-H2O2的 ECL 反应机理[4] The ECL reaction mechanism of luminuo-H2O2system. Copyright 20-溶解 O2的 ECL 反应机理如图 1.3 所示[1]。鲁米诺先被电物可以还原溶解 O2产生 O2ˉ˙，得到的 O2ˉ˙进一步与鲁米诺激发态的 2 价态的阴离子 3-氨基邻苯二甲酸盐，然后返回
图 1.3 鲁米诺-溶解 O2的 ECL 反应机理[1].3 The ECL reaction mechanism of luminuo-O2system.
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本文编号：
2837901
