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水体重金属和体液疾病标志物检测的纳米生化传感器研究

甘颖  
【摘要】:对分析物进行定性和定量检测的传统方法很多,例如色谱法或色谱-质谱连用的方法等等,然而目前这些方法仅在实验室中使用。此外,虽然这些方法可以高灵敏精确地鉴定出目标分析物,但是他们需要昂贵的实验室设备和高素质的技术人员,因此,这些方法具有一定的局限性。生化传感器是将生化材料与检测平台结合到一起的器件,用来检测病原体,致癌物,生化毒物等,具有专一性强,自动化程度高,分析速度快等诸多优势,因此在各行各业中得到了广泛的应用,如食品安全,环境监测以及医疗诊断方面等。本论文利用高特异敏感的生物材料和纳米材料作为识别元件,利用电化学和光学两种方法构建了生化传感器,用于水体痕量重金属和体液疾病标志物快速检测。首先,在水体痕量重金属检测方面,深入探讨了重金属检测的敏感机理并构建了基于适体的电化学Hg2+适体传感器以及适体功能化金纳米颗粒Cd2+比色传感器;另外,在体液疾病标志物检测方面,制备了新型纳米材料二氧化锰纳米片和碳金复合物,并结合生物敏感分子构建了基于便携式比色系统的生化传感器,用于血液和尿液标志物的比色灵敏传感。本研究受到了国家973计划以及浙江省科技计划项目的支持。本研究工作主要内容及创新性如下:1、提出了一种无标记电化学金纳米带适配体传感器的设计方法,实现了水环境中痕量Hg2+的高灵敏检测基于微纳加工技术,设计加工了金纳米带传感器,将三电极集成到一块芯片上,并且工作电极为带宽100 nm的金纳米带工作电极。相比于常规电极,纳米级工作电极提高了传质速率和检测灵敏度,且可以通过边缘切割再生传感器。为实现Hg2+的高灵敏检测,将适体修饰到金纳米带工作电极表面,Hg2+存在的情况下,Hg2+诱导适体从单链到类似双链的构象变化,进而促进电子转移。利用电化学阻抗谱分析(EIS)对电极进行检测分析。通过优化实验条件,提出的生化传感器的线性范围为20 ng/L至200 μg/L,检出限为8 ng/L。此外,该传感器显示出了高选择性,以及痕量Hg2+真实样品检测的巨大潜力。2、提出了适配体和纳米金(AuNPs)比色方法结合智能手机的传感器检测方法,实现了水环境中痕量Cd2+的高灵敏检测基于构建的便携式比色系统,提出了一种基于适体功能化的AuNPs的比色方法,用以实现Cd2+可视化检测。成功制备粒径为15nm的AuNPs,在其表面吸附上Cd2+亲和适体,并探究适体功能化的AuNPs与Cd2+检测的比色敏感机理,利用便携式比色系统可快速捕获并分析颜色变化,从而实现Cd2+的定量检测。结果表明,Cd2+检测线性范围为2-20μg/L,检测极限为1.12μg/L。本方法利用适体对Cd2+的高度特异性增强了传感器的选择性,并且具有灵敏度高,简便易行,通量高等特点,为实际应用中Cd2+的现场测定提供了有效的方法。3、设计了纳米仿生酶和显色剂的传感检测方法并结合智能手机的传感器系统,实现了对尿石症标志物的高通量检测基于TMB-MnNSs(MnO2 nanosheets)比色检测原理开发了一种快速灵敏的比色法,用于草酸盐检测。利用BSA成功制备并剥离MnNSs,可重复性高,稳定性好,将其充当一种有效的仿生氧化酶,催化TMB显色从而实现草酸盐的定量检测。此方法显示出了草酸根检测的线性范围为7.8μM-250μM,检测限为0.91μM,相比于电化学方法检出限降低了 10倍。利用多孔板实现了高通量快速检测,草酸样品检测在11min内即可完成检测。此外,该方法已通过测试人造尿液样品而得到验证,表明其在尿路结石早期筛查的巨大潜力。4、探索了采用碳金纳米复合物增敏放大的免疫比色传感器设计方法,初步实现了心衰标志物的高灵敏检测采用免疫夹心法检测心衰标志脑利钠肽(BNP)含量,科用碳金纳米复合物,在其表面包被酶标二抗,制备成为检测探针,成功实现了增敏放大的效果。结果显示该生化传感器在3.9μg/L-250μg/L范围内线性关系良好,计算检出限为0.92μg/L。与传统ELISA检测结果相比,检出限降低将近8倍。该方法具有良好的特异性和重复性,以及高通量检测等特点。根据本章内容示出的检测方法,可将碳金纳米复合物应用到任何一种免疫传感器上,以达到提高灵敏度的效果。


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