基于纳米材料和生物放大技术构建高灵敏电化学适体传感器的研究

【摘要】电化学适体传感器是将适体—配体特异性识别技术和电化学分析方法相结合而发展起来的一种集信号产生、信号检测、特异性识别反应为一体的新型生物传感器。它同时兼具以上两种方法的优点,如操作简便、灵敏度高、检出限低、选择性和重现性好。近年来,为了实现对疾病标志物等的高灵敏测定以达到对疾病的早期检测,新型纳米材料和信号放大策略被广泛用于适体传感器的构建中。本文利用不同种类的纳米材料作为生物分子的固载基质,同时将电化学传感技术与纳米放大技术、酶催化放大等放大策略相结合,构建了几种新型检测体系用于对目标蛋白等的高灵敏检测。其主要研究内容如下：1.基于石墨烯放大而构建的一个用于凝血酶检测的高灵敏电化学适体传感器由于纳米材料好的生物相容性,大的比表面积,优良的电催化活性,迷人的导电性等,其不仅被广泛用于增加电极的比表面积和促进电极界面间的电子转移,还被用来固载大量的生物分子或其他物质,从而放大电化学信号。例如,石墨烯(Gra)因其独特的性能,被用于传感器界面的构建时可展现出以下等优点：首先,提供了充足的电化学活性表面用于生物分子固定。其次,提供了一个完美的微环境,得以保留生物分子的生物活性。最后,Gra还可以充当一个电子转移通道,有效地加速电极和检测分子之间的电子转移,从而导致更快速和灵敏的电流响应。本研究工作中,我们制备了一个具有高特异性和良好稳定性且检测限低的免标记型凝血酶适体传感器。利用Nafion的成膜性,首先将由Nafion、石墨烯(Gra)及铁氰化镍(NiHCFNPs)组成的复合物(Nf-Gra-NiHCFNPs)滴加在预先处理好的电极表面并晾干。再通过电沉积的方法在修饰电极表面引入金纳米粒子(AuNPs)。所得的AuNPs不仅可以用来固定凝血酶适体(TBA),还能增加复合膜的稳定性。凝血酶适体(TBA)通过适体上的巯基与金形成Au-S键而将TBA共价吸附在电极表面,从而成功制备能用于凝血酶(TB)检测的电化学适体传感器。实验结果表明,该适体传感器的优点在于：一方面,该适体传感器利用Gra来增大电极的比表面积,从而提高TBA的固载量；另一方面,利用Gra和AuNPs的强导电能力来促进电活性物质与电极之间的电子传递,从而实现信号放大,提高该适体传感器的检测灵敏度。2.基于Hemin/G-quadruplex过氧化物模拟酶和辣根过氧化物酶修饰的碲化铁纳米棒而构建的一个三重放大的高灵敏凝血酶适体传感器近年来,研究者们热衷于将多种放大手段联用来取代原有的单一放大技术,从而更好地放大响应信号,最终实现对目标物的超灵敏检测。在此,我们报告了一个理想的三重放大的凝血酶(TB)生物识别系统,此处Hemin/G-quadruplex过氧化物模拟酶(HRP-DNAzyme)、碲化铁纳米棒(FeTeNRs)及辣根过氧化物酶(HRP)共同实现信号放大。归功于这些放大因素,本次制备的适体传感器对TB的检测展现出非常良好的分析性能,极大地提高了该适体传感器的灵敏度。除此之外,该分析策略还可以为基于适体的夹心分析系统提供一个新的模型。首先,在玻碳电极上沉积一层纳米金(AuNPs)以便将凝血酶适体1(TBA1)固定在电极表面。作为电子媒介体的电活性物质硫堇(Thi)被首先固定在金纳米粒子修饰的碲化铁纳米棒(AuNPs@FeTeNRs)上。随后,氨基标记的凝血酶适体2(TBA2)通过适体的氨基与AuNPs@FeTeNRs的相互作用而被固定在含Thi的复合纳米材料表面。具有大量鸟嘌呤的TBA2不仅可与Hemin形成具有生物催化性能的Hemin/G-quadruplex结构,还可同时作为生物识别探针。紧接着,HRP作为封闭剂来封闭可能存在的活性位点。值得一提的是,FeTeNRs在此不仅作为理想的载体,同时还作为一种过氧化物模拟酶。对于所制备的适体传感器,在H202的存在下,Thi的还原峰电流被明显放大。3.基于核酸外切酶催化的目标物循环及DNA多联体放大而构建的可实现多种目标物同时检测的适体传感器与测定单组分的传统方法相比,多组分的同时检测可以提供一些潜在的优点,如更短的分析时间和过程,更小的样本需求量,更高的测试效率和更低的检测成本。因此,设计一种电化学适体传感器用于多个目标物的同时检测是必要且非常重要的。近几年,酶催化的目标循环和DNA多联体各自均被广泛地用于信号放大。但直至今日,还没有关于将以上两种完美的放大策略联合起来的报道。因此,联合两种放大策略来提高适体传感器的灵敏度是很有前景的。本研究中,我们成功构建了一个基于核酸外切酶催化的目标物循环及DNA多联体放大的,可实现对凝血酶(TB)和赭曲霉毒素A(OTA)同时检测的电化学适体传感器。先前杂化好的双链DNA(SH-cTBA/TBA及SH-cOBA/OBA)通过自组装固定在电极上。在有目标物存在的情况下,适体与目标物特异性结合时不仅会导致适体(TBA和OBA)从双链DNA中解离出来,还会使互补DNA(SH-cTBA和SH-cOBA)转变成发卡型结构。随后,由于引入了对单链DNA特异性片段具有剪切能力的核酸外切酶(RecJfexonuclease),目标物便可以从适体与目标物结合的复合物中游离出来实现目标物循环。紧接着,引入探针DNA(T1和T2)分别与SH-cTBA、SH-cOBA杂交来提供杂交链式反应的引物。之后,当引入含有hemin的四种辅助DNA:S1、AQ-S2、S3、S4时,在电极表面便形成了具有大量AQ和hemin-G-quadruplex复合物的DNA多联体。最后,根据AQ和hemin-G-quadruplex复合物的信号,便成功制备了一个能实现同时检测TB和OTA的电化学适体传感器。
【作者】江莉萍；
【导师】袁若；
【作者基本信息】西南大学，分析化学，2014，硕士
【关键词】电化学适体传感器；信号放大；纳米材料；

【参考文献】
[1]刘晶晶.鄂尔多斯盆地罗庞塬地区长6和长8油层组含油性评价[D].西北大学,能源地质学,2013,硕士.
[2]夏立玲.流程工业ERP的成本计算、预测及其应用研究[D].南京工业大学,2004.
[3]王藕眠.调查英国时装市场电子商务营销的成功因素[D].华中师范大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[4]徐玲.崇明东滩湿地植被演替不同阶段鸟类群落动态变化的研究[D].华东师范大学,生态学,2004,硕士.
[5]袁媛.基于石墨烯的电化学传感器的制备及其在双酚A检测中的应用[D].常州大学,2014.
[6]张挺松.刑事和解制度研究[D].宁波大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[7]刘建勋.锌指基因ZNF580过表达对大鼠颈动脉球囊损伤修复作用及其机制的研究[D].河北医科大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[8]唐宗美.CAN总线实时性研究[D].湖北工业大学,机械电子工程,2013,硕士.
[9]周青风.美国宪政中的纠偏行动[D].中国政法大学,法律,2004,硕士.
[10]赵庆浩.黏性液体高效三次雾化机理探索与研究[D].东北大学,机械制造及其自动化,2010,硕士.
[11]梁绥东.榆林供电公司客户关系管理研究[D].兰州理工大学,工商管理,2013,硕士.
[12]武虎.用TRAIL/MN-SOD基因武装化靶向白血病干细胞的溶瘤腺病毒对抑制白血病的研究[D].浙江理工大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[13]宋天平.产业化“低碳住宅”成本补偿与收益分享机制研究[D].中南林业科技大学,结构工程,2014,硕士.
[14]傅国.替呋液的毒理学研究[D].青岛大学,口腔颌面外科,2003,硕士.
[15]张洪伟.圆柱壳大开孔应力分析研究[D].大连理工大学,机械工程,2003,硕士.
[16]曲仙凤.医药分开改革对医院费用构成的影响研究[D].中国人民解放军医学院,社会医学与卫生事业管理,2013,硕士.
[17]张振.江苏高考论述类文本教学与答题策略探析[D].鲁东大学,学科教学（专业学位）,2013,硕士.
[18]王祖英,温中泉,袁伟青,高杨.石墨烯纳米带p-i-n结构太赫兹探测器的设计[J].半导体光电,2014,06:992-995+999.
[19]李卓润.WebGIS分布式系统在矿产预测的应用研究[D].东北师范大学,计算机软件与理论,2012,硕士.
[20]黄之祥.汽车涂料的选择与消费[J].精细与专用化学品.1999(07)
[21]夏冬琴.金属裂变产物在核石墨上的吸附和扩散的理论研究[D].中国科学院研究生院（上海应用物理研究所）,2015.
[22]朱立伟.我国被问责官员非正常复出问题研究[J].邢台学院学报,2014,03:43-46.
[23]黄铄涵,洪帆,王依民.氧化石墨烯改性热致液晶聚芳酯的结构性能研究[J].合成技术及应用,2015,01:16-20.
[24]吴章生.基于SOA的北京市地理信息公共服务平台设计与实现[D].成都理工大学,地图学与地理信息系统,2013,硕士.
[25]邢静.基于胜任力思考的公务员绩效评价研究[D].西北大学,公共管理（专业学位）,2012,硕士.
[26]李波翰.周围神经吻合后神经生长因子—纤维蛋白胶包埋的临床观察[D].山东大学,外科学,2013,硕士.
[27]刘洁芳.PL集团品牌传播策略研究[D].广东工业大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[28]张小东.生长调节剂对弱光下小麦生长的影响[D].新疆大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[29]郜方.《哈克贝利费恩历险记》中话语标记语的语用研究[D].河北师范大学,英语语言文学,2013,硕士.
[30]刘瑞芝.马鞍山钢铁股份有限公司自动化工程公司[J].冶金自动化,2007,01:69.
[31]乔瑜.我国囚犯权利保护主要问题探析[D].贵州民族大学,刑法学,2012,硕士.
[32]杨珅.基于光纤模式间耦合与干涉的光纤双参量传感器[D].西北大学,光学,2014,硕士.
[33]吕兰.石油钻井用新型五缸泥浆泵的研发及应用[D].西南交通大学,机械工程,2014,硕士.
[34]温宏宇.恶性脑胶质瘤术后放疗联合替莫唑胺疗效分析[D].大连医科大学,肿瘤学,2012,硕士.
[35]王安娜,宁伟.注汽锅炉热效率智能检测监控仪研究[J].控制与决策,2005,06:706-708+712.
[36]仝慧军.高速公路桥隧相接形式与施工方法研究[D].长安大学,建筑与土木工程（专业学位）,2014,硕士.
[37]菅利荣,白全礼.粗糙集理论与其他理论的杂合研究[J].郑州航空工业管理学院学报,2005,03:33-38+61.
[38]曾莉婵.社区老年教育中的读书会研究[D].华东师范大学,教育经济与管理,2013,硕士.
[39]陆晶,赛英.基于C/S体系结构的数据挖掘平台的设计[J].计算机工程与设计,2005,03:598-600.
[40]袁将.基于CC2430远程医疗监护系统的设计研究[D].厦门大学,模式识别与智能系统,2014,硕士.
[41]李荣.无人机航路与飞行控制律评估技术[D].南京航空航天大学,武器系统与运用工程,2013,硕士.
[42]邱姝.科技基金多维分析系统的分析与设计[D].大连理工大学,2004.
[43]李群河.DSS-10A地震仪相机走纸控制电路的改进[J].石油地球物理勘探,1995,S2:179-180+182.
[44]马英新.有机磷农药和芳香硝基爆炸物的纳米荧光传感器的研究[D].北京化工大学,化学,2013,硕士.
[45]陈小林.《DynamicsofFeedbackSystems》简介[J].自动化学报,1985,02:189.
[46]忻悦.长春地区H1N1流感病毒HA、NA基因分析及抗原性变异研究[D].甘肃农业大学,预防兽医学,2013,硕士.
[47]段文斌.耐火砖机器人码放单元研究与应用[D].天津大学,机械工程,2013,硕士.
[48]刘俊芳.对外直接投资对中国制造业产业升级的影响研究[D].北方工业大学,数量经济学,2014,硕士.
[49]吴国雄.碳平衡法直接还原度计算公式的修正[J].炼铁.2000(01)
[50]宛花.论刑事缺席审判制度在我国的构建[D].黑龙江大学,诉讼法学,2013,硕士.