基于发光功能化纳米金核酸分析探针的新型电致化学发光传感器

【摘要】论文首先综述了核酸探针、基于核酸探针的生物传感器及基于纳米材料和核酸探针的电致化学发光传感器的研究现状。目前,纳米材料参与电致化学化学发光分析方法已经成为化学发光领域的研究热点之一。其中,在纳米材料上富集多个化学发光信号分子即发展发光功能化的纳米材料作为一种具有创新概念的纳米科学发展新趋势,已经受到人们的关注。已报道的发光功能化纳米材料主要包括“包裹”模式和“桥连”模式的发光功能化纳米材料,这些功能化纳米材料制备过程复杂且功能化试剂大多为联吡啶钌及其衍生物。这些发光功能化纳米材料已经在以核酸分子为探针的生物传感领域得到了应用,并对传感器灵敏度、稳定性、选择性的提高起到了积极的推动作用。然而,其它常见且具有优良发光性能的发光试剂(如鲁米诺及其类似物)功能化的纳米材料在这方面的应用却鲜有报道。本论文利用实验室前期工作合成的鲁米诺和N-(4-氨基丁基)-N-乙基异鲁米诺(ABEI)发光功能化的纳米金材料,构建了多种纳米金核酸分析探针,提出了三种新的分析策略,发展了三种测定DNA、蛋白质、小分子等生物活性物质的电致化学发光生物传感器,研究了这些传感器的电致化学发光性质、分析性能、选择性以及实际应用潜力。此外,将发光试剂直接功能化纳米材料的合成思路扩展至生物分子直接功能化纳米材料领域,利用生物素分子直接合成得到纳米金粒子,研究了其形貌、表面化学组成及性质,发展了新型生物素化的纳米金材料。主要研究内容如下：1.发展了一种基于鲁米诺功能化纳米金、纳米金修饰电极以及链霉亲和素生物素放大的DNA检测策略,构建了一种超灵敏的的电致化学发光DNA传感器用于检测特定序列DNA。首先将DNA捕获探针固载到链霉亲和素包裹的纳米金修饰电极上,然后通过“三明治”模式先后将目标DNA和鲁米诺功能化纳米金DNA分析探针固载到电极上,形成电致化学发光DNA传感器。富集在鲁米诺功能化纳米金表面的鲁米诺分子作为信号源可在双阶脉冲电压下产生电致化学发光信号,利用传感器的电致化学发光信号对目标DNA进行检测,其检测线性范围为3.1×10-15～3.1×10-11mol/L,检测限为0.19fmol/L,该检测限低于大部分已有报道的DNA传感器。该分析方法还具有良好的稳定性和高度选择性,可以区分单碱基突变。此外,该DNA传感器不会被复杂的样品基体如人血清影响,在临床诊断、食品安全、环境监测等领域具有应用前景。2.建立了一种基于ABEI功能化纳米金适配体分析探针的电致化学发光适配体传感器。首先,生物素化的适配体捕获探针可以有效的固载到连有链酶亲和素的纳米金修饰电极上,目标检测物人血小板源生长因子B(PDGF-BB)和ABEI功能化纳米金适配体分析探针随后通过“夹心”模式被进一步的固载到修饰电极上,得到电致化学发光适配体传感器。在含有过氧化氢的碳酸盐缓冲工作液中,该适配体传感器表现出强度高、稳定性好的电致化学发光信号响应。检测目标蛋白质的线性范围为1.0×10-13～1.0×10-11mol/L,检测限为2.7×10-1414mol/L。该传感器的检测限与基于滚换扩增技术的方法检测限相当,但是更为简单、快速,成本更为低廉。该适配体传感器具有高灵敏度、高选择性和高特异性。将传感器应用到人血清样品中PDGF-BB的检测,结果可靠,显示该传感器可用于人血清样品中PDGF-BB的测定。由于适配体可作用靶分子范围的广泛性,这种传感器模型在蛋白质的超灵敏检测中具有广阔的应用前景。3.以双功能化适配体探针和ABEI功能化纳米金标记为基础,发展了一种灵敏的电致化学发光多元生物传感器。由腺苷和凝血酶适配体组成的双功能适配体探针作为传感器的分子识别元素被固定在纳米金修饰的电极上。ABEI功能化纳米金标记的杂交探针被随后连接于电极上,腺苷通过竞争反应将杂交探针取代从而使传感器的电致化学信号降低,利用此信号变化实现对腺苷的传感。在凝血酶的检测中,凝血酶和凝血酶的另一适配体通过特殊识别反应被相继固载在修饰电极上,利用标记在凝血酶的另一适配体上的ABEI功能化纳米金产生的电致化学发光信号对凝血酶进行检测。对腺苷的检测线性范围为5.0×10-12～5.0×10-9mol/L,检测限为2.2×10-12mol/L。对凝血酶的检测线性范围为5.0×10-14～5.0×10-10mol/L,检测限为1.2×10-14mol/L。该传感器对腺苷和凝血酶具有很好的选择性,可以用于样品中共存的腺苷和凝血酶的检测。将传感器用于实际血浆样品中目标物的分析,显示出良好的实际可应用性。由于适配体可作用的物质范围极广,该传感器将在各种生物小分子和蛋白质的临床检测和研究领域发挥出重要的作用。4.在水相常温环境下,以生物素为还原剂,通过一步法还原HAuCl4制备了生物素直接还原的纳米金。反应条件如氯金酸浓度、生物素浓度、生物素溶液加入体积以及pH值对纳米金的粒径、形貌及合成速率有一定影响。透射电子显微镜和紫外-可见吸收光谱结果表明,所合成的纳米金为粒径在1.8～7.2nm之间的球形纳米粒子。X射线光电子能谱、质谱、1H核磁共振谱以及荧光表征结果说明,生物素及其氧化产物生物素亚砜作为保护试剂连接在纳米金的表面,所合成的纳米金粒子为生物素直接功能化的纳米金。对该纳米金材料的性质进行研究发现,该纳米金具有与生物素相似的荧光特性,最大激发波长为378nm,最大发射波长为434nm。所合成的生物素功能化纳米金还可增强鲁米诺-过氧化氢体系的化学发光,增强作用最高可达一个数量级,且体系化学发光动力学表现为可持续的平台型化学发光。最后,利用生物素-亲和素系统将所合成的纳米金与链霉亲和素包裹的纳米金进行组装,可得到纳米金-纳米金组装体。因此,这种新型生物素功能化纳米金材料在化学发光、纳米传感器、纳米材料组装等领域有广阔的应用前景。
【作者】柴颖；
【导师】崔华；
【作者基本信息】中国科学技术大学，分析化学，2012，博士
【关键词】化学发光功能化纳米金；电致化学发光；DNA传感器；适配体传感器；生物素功能化纳米金；核酸探针；

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