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抗干扰型光电化学生物传感器的构建和性能研究

胡泽  
【摘要】:随着社会技术的不断发展,人们对各类疾病的认识逐渐深入,可以实际应用于生命分析检测的疾病标志物数量越来越多。为了有效提升疾病或癌症的快速检测和临床诊断效果,所构建的生物传感平台就必须具有快速、灵敏和准确定量相关疾病标志物的能力。光电化学分析技术是基于经典电化学方法衍生出来的新型检测技术,凭借装置简单、响应灵敏、便宜价格等优点在生命健康分析、环境安全检测等领域均有非常广泛的应用。光电化学技术以光为激发信号,电为响应信号,两者能量形式不同,有效降低了传感器检测的背景信号,已经成为了一种具有广泛应用潜力的新兴分析技术。然而,生物传感平台在实际生物样品中进行检测时,复杂的生物体液(血清、唾液、尿液等)或体内循环环境含有的疾病标志物浓度通常低于大量共存的其他背景物质。因为与界面直接相互接触,这些背景物质会非特异性吸附在电极表面或形成结垢,使生物传感器的灵敏度下降,甚至会失去特异性,产生假阳性或假阴性信号。因此,本论文从抗污染材料和传感器的构建策略出发,分别构建了三种新型的免疫、DNA及细胞相关的抗干扰型光电化学生物传感平台。主要研究内容如下:(1)采用高光电流输出的阴极光敏材料结合性能优良的两性离子多肽,设计了一种新型的抗污染光电化学免疫传感平台,可以实现对心肌肌钙蛋白(c Tn I)的高灵敏、特异性检测。以Au/ZIS/CIS三元异质结为传感器基质,分别通过Au-NH_2和Au-S键固定上捕获抗体Ab和两性离子多肽。该工作使用的两性离子多肽序列(KAEAKAEAPPPPC)具有优良的亲水性和电中性,在封闭剩余活性位点的同时还可以形成稳固的抗污染生物界面,这就如同界面清洁刷,有效阻碍了大分子蛋白的非特异性吸附。此外,由于光阴极界面发生得电子的还原反应,比光阳极界面具有更好的抗多组分还原性物质干扰的性能,因此所构建的传感器可以有效的避免复杂样品中多组分还原性物质对传感器产生的影响,提高了检测灵敏度和选择性,为实际生物样品检测提供了一种实用可行的方法。(2)基于阳极氧化铝(AAO)膜纳米孔道的诸多优点及在光电化学分析传感领域巨大的应用潜力,通过将光电极和生物识别部分相分离,同时采用信号级联放大策略,构建了一种新型的抗干扰型纳米孔道光电化学DNA传感器。以人类嗜T细胞病毒I型(HTLV-I)为目标靶标,预先制备了CN/Ti O_2光电极,以保证可以维持系统明显而稳定的光电流信号响应。生物识别反应及信号级联放大单独在AAO纳米孔道进行。将光电极与生物识别部分相分离,减少了光电极孵育实际生物样品而对传感器检测产生的负面影响,提高了传感器检测的选择性和抗干扰能力;通过核酸外切酶ExoⅢ循环目标放大策略和Ag@Au纳米颗粒对纳米孔道的堵孔效应,提高了传感器的分析检测性能,使该传感平台具有较低的检测限和较宽的线性检测范围。(3)基于两性离子多肽在实际复杂生物样品中具有良好的抗污染性能,开发了一种新型的抗干扰型光电化学细胞传感器,用来检测人乳腺癌细胞(MCF-7)。基于Cd S/Cu In S_2敏化结构构建的光电极,不仅可以获得一个高而稳定的阴极光电流信号响应,而且可以以此为基质锚定上MCF-7适配体和两性离子多肽。通过适配体与靶标之间的特异性识别反应,形成了较大的空间位阻,在传感信号响应和MCF-7细胞浓度之间建立联系,进而可以实现对MCF-7的检测。该体系在基于P型半导体传感器自身抗还原性物质能力的同时,还引入防污染效果优良的两性离子多肽(KQEQKQEQPPPPC),在电极的表面形成水化膜,有效防止非特异性蛋白在电极表面的粘附,提高检测的灵敏度和特异性,使PEC传感器在细胞实际生物样品中准确、灵敏检测提供可能。


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