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《南京邮电大学》 2018年
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基于二维纳米材料的光电生物传感研究

胡艳玲  
【摘要】:生物传感技术具有操作简单、响应迅速、选择性好以及成本低等优点,因而在生物分析检测和医药领域受到了人们极大的重视,并成为生物技术领域的研究前沿。随着科技的快速发展,人们对自然的认知已经从宏观世界发展到微观世界乃至纳米尺度的级别。纳米材料因其独特的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等性质,表现出不同于该物质在宏观状态时的光、电、磁等性能。纳米传感平台通过结合纳米材料自身的性质及生物分子在其表面的修饰而构建起来,并应用于临床诊断、食品安全以及环境监测等多个领域,极大地推动了生命科学以及医学诊断等领域的发展。纳米生物传感的关键性问题之一是如何充分利用不同纳米材料的特点和优势,构建可以用于生物检测的高性能新型光电传感器,并从微纳水平对其反应过程和机理进行研究。论文的研究内容围绕二维纳米材料设计了一系列光电传感器并研究了这些传感器在生物检测方面的应用,具体包括以下五个部分:1.超薄Ta_2NiS_5纳米片的制备及其在DNA荧光检测中的应用研究快速超灵敏检测一直是分子诊断领域的难题之一。针对这一问题,我们设计了基于单层三元过渡金属硫化物(Ta_2NiS_5)纳米片的新型荧光传感平台,用于核酸分子的检测。我们通过在溶液中剥离对应材料的微米级块体碎片制备了相应的超薄三元过渡金属硫化物(如Ta_2NiS_5)纳米片。得到的Ta_2NiS_5纳米片尺寸从几十纳米到几微米不等。并且单层Ta_2NiS_5纳米片的合成产率非常高,可达到86%。我们利用该纳米片与单链DNA和双链DNA之间相互作用的不同以及Ta_2NiS_5纳米片的强荧光淬灭能力,实现了DNA的高灵敏和高选择性检测,其检测限可达50 pM。2.基于超薄Ta_2NiS_5纳米片和核酸外切酶III循环放大反应的单碱基核酸多态性检测单核苷酸多态性(SNP)与多种疾病有着密切的联系,例如癌症、阿尔茨海默病以及糖尿病等。因此,作为疾病预测和临床诊断的第一步,发展一种有效区分SNP的方法显得尤为重要。基于超薄纳米片的独特性质,我们设计了一种由过渡金属硫化物纳米片构建的用于检测SNP的生物传感器。该生物传感器利用纳米片与不同长度DNA之间相互作用的不同,并结合循环放大反应,可以同时取得非常高的特异性和灵敏度,这在单核苷酸多态性检测研究方面是一项突破。同时该传感器还具有简单、快速、无标记、成本低等优点。该检测方法得到250 fM的超低检测限,同时可以在完全互补配对的变异型目标分子和单碱基错配的野生型目标分子的混合物中识别出5%的变异型目标物。更重要的是,该生物传感器成功用于SNP实际样本的分析,这使得该方法有望用于临床研究,并且在基因突变相关的临床诊断和基因研究等方面具有极大的应用前景。3.PtS_2纳米点的制备及其对葡萄糖无酶检测的电化学研究葡萄糖检测在多个领域都具有非常重要的意义,包括生物医药、生物产业监控、燃料电池等。因此发展简单、快速且性能突出的葡萄糖传感器一直是临床医学的挑战性问题之一。针对这一问题,我们制备了过渡金属硫化物纳米点(PtS_2)并用于葡萄糖的无酶检测。通过电化学锂插层剥离的方法对层状块体材料进行剥离,可成功制备PtS_2纳米点。PtS_2纳米点具有导电性良好、比表面积大等优点。基于PtS_2纳米点制备的葡萄糖传感器具有优异的电催化活性。通过循环伏安法、恒电位伏安法以及电化学阻抗(EIS)等方法测试了PtS_2纳米点修饰电极对葡萄糖的电分析性能。结果显示,该葡萄糖传感器具有非常好的灵敏度,高达671.7μA mM~(-1) cm~(-2),较低的检测限(0.2μM),并且响应时间短,特异性也极佳。另外,该传感器表现出相当惊人的稳定性和重现性。值得注意的是,该葡萄糖传感器对实际样品的分析也具有可行性。由此可见,基于这种新材料的生物传感器具有良好的电化学性能且制作简便,这些优点使其在无酶葡萄糖传感领域具有相当可观的应用前景。4.C_3N_4纳米带的制备及其在柠檬酸根荧光检测中的应用研究柠檬酸盐是一种重要的人体代谢产物,与前列腺相关疾病有着密切的关系,前列腺增生症患者组织中所含柠檬酸盐浓度明显高于正常组织,而前列腺癌患者组织中所含柠檬酸盐浓度则低于正常值。因此对柠檬酸盐进行定量检测可以实现前列腺相关疾病的预测和诊断。我们基于蓝光C_3N_4纳米带构建了一种新型“off-on”荧光传感器,用于柠檬酸根(C_6H_5O_7~(3-))的检测。利用Cu~(2+)和C_3N_4纳米带之间相互作用发生荧光淬灭的特性构建了荧光探针,利用Cu~(2+)和C_6H_5O_7~(3-)之间强螯合作用抑制Cu~(2+)和C_3N_4纳米带相互作用并引起荧光恢复的特点,实现了“off-on”荧光检测C_6H_5O_7~(3-)。该荧光传感器具有优异的选择性,且线性范围宽,最低检测限可达0.78μM。并且该新型探针因其良好的生物相容性和低毒性,成功应用于C_6H_5O_7~(3-)的细胞内成像检测,对未来实际应用中的活体检测具有重要的指导意义。5.单颗粒金纳米球探针的制备以及对肺癌标志物microRNA的实时检测MicroRNA(miRNA)是一种非编码的RNA小分子,由于其在肿瘤细胞内会出现不正常表达,可以将miRNA作为生物标志物用于癌症的诊断。我们设计了一种新型无标记的纳米级局域表面等离子共振(LSPR)生物传感器,并用于寡核苷酸的痕量检测。首先将巯基单链DNA(ssDNA)修饰在金纳米颗粒表面构成探针分子,并基于此构建了等离子生物传感器,当探针DNA与目标分子发生杂交时纳米金表面的介电常数会发生改变,导致散射峰位置发生明显的红移,从而实现对寡核苷酸的定量检测。这种生物传感器具有优异的选择性,并可用于杂交反应的实时监测。值得一提的是,这种检测方法提供了一种单纳米颗粒级别的DNA和miRNA的无标记检测,并且检测限高达3 nM。鉴于LSPR散射光谱的这些优势,单纳米颗粒生物传感器在未来的研究中可被用于癌症相关的痕量miRNA检测。
【学位授予单位】:南京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB383.1;R312

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【参考文献】
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