发光功能化纳米材料及其在化学发光免疫分析中的应用

【摘要】论文首先综述了化学发光、化学发光免疫分析、发光功能化纳米材料及其在化学发光免疫分析中的应用研究现状。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,是一种具有创新概念的纳米科学发展新趋势。纳米技术的介入,极大地促进了化学发光免疫分析的发展,分析灵敏度大大提高。然而,在目前已报道的研究中,发光功能化纳米材料主要集中在以钌复合物、量子点及酶等作为信号分子的功能化纳米材料。以鲁米诺类型的发光试剂为基础的发光功能化纳米材料及其在化学发光免疫分析中的应用还鲜见报道。因此,如何扩大信号分子的选择范围,选择合适的纳米材料作为载体,探索新型、简单、快捷的合成方法,制备新型的发光功能化纳米材料,进一步发展基于发光功能化纳米材料的免疫分析新方法,是一个重要的研究课题。基于此,本论文围绕着新型发光功能化纳米材料及基于纳米放大技术的化学发光免疫分析新方法这一研究主题,开展了一系列研究工作。探索了两种新型发光功能化纳米材料的合成方法,分别合成了系列新型发光效率高、稳定性好的发光功能化纳米材料,研究了其发光特性。基于新型发光功能化纳米材料构建纳米信号探针,发展了一种超灵敏的夹心式电致化学发光免疫分析新方法；另一方面,基于发光功能化纳米材料构筑发光功能化纳米界面,建立了一种性能优良的非标记电致化学发光免疫分析新方法。主要研究内容如下：1.以N-(4-氨基丁基)-N-乙基异鲁米诺(ABEI)发光功能化纳米金标记抗体作为信号探针,构建了一种新的超灵敏电致化学发光免疫分析传感器,用于检测急性心梗标志物cTnI。ABEI发光功能化纳米金由简单的种子生长法合成。大量发光试剂ABEI分子作为保护试剂存在于金纳米粒子的表面,且该发光功能化纳米材料较早期工作中的鲁米诺发光功能化金纳米粒子有更好的ECL活性。将ABEI发光功能化纳米金作为标记物与抗体反应,制得纳米信号探针。该探针具有良好的ECL活性、免疫反应性和稳定性。为了进一步的信号增强,我们设计了一个由多个放大单元组合构成的多重信号放大方案。使用生物素功能化的纳米金修饰裸金电极构建功能纳米界面用于固载一抗分子,并引入生物素-链霉亲和素生物放大系统,进一步信号放大。由此发展了一种基于发光功能化纳米信号探针的超灵敏夹心式ECL免疫传感器用于检测cTnI,展现出极低的检测限2.0pg/mL。并且该传感器显示出良好的精确度、稳定性和重现性,可以被用于实际血浆样品的检测,在临床诊断中具有巨大的应用潜力。重要的是,这种灵敏的检测对于急性心梗早期诊断方面的意义远远超过测定本身。2.首次报道了一种简便而又通用的合成方法,通过使用含有芳环结构的还原性化学发光试剂如ABEI、鲁米诺和异鲁米诺还原石墨烯氧化物,制备发光功能化石墨烯复合材料。借助紫外一可见吸收光谱、原子力显微镜、X射线粉末衍射、X射线光电子能谱、红外光谱和拉曼光谱等仪器分析手段,我们详细研究了该纳米复合材料的形貌、表面化学组成及其表面状态。结果表明,含有芳环结构的发光试剂在反应中起到了双重作用,一开始作为还原剂将石墨烯氧化物还原为石墨烯,进一步作为稳定剂通过π-π相互作用非共价修饰于石墨烯的表面。所制得的发纳米复合材料具有良好的化学发光活性、水溶性和稳定性。该工作开创了一种制备具有化学发光活性的功能化石墨烯材料的通用方法。该方法可以进一步被推广到使用其它具有芳环的化学发光试剂合成各种发光功能化的石墨烯复合物。此外,基于该新型功能化材料优良的化学发光性质,我们构建了一种过氧化氢化学发光传感器用于展示它的直接用途。该新型发光功能化石墨烯材料在生物分析领域有着广阔的应用前景。3.构建了一种基于ABEI发光功能化石墨烯复合材料构筑的功能纳米界面的超灵敏非标记电致化学发光免疫分析传感器,用于检测人免疫球蛋白hIgG。传感器的构建步骤如下：先将带负电的ABEI发光功能化石墨烯修饰于透明氧化铟锡(ITO)导电玻璃基底,再通过层层组装方法,依次将带正电的壳聚糖,带负电的抗体功能化纳米金组装在电极表面,在使用牛血清白蛋白对上述功能界面进行封闭后,该修饰电极即可作为一种非标记电致化学发光免疫传感器,对hIgG进行检测。分别采用的电子阻抗谱和电致化学发光行为对传感器的构建过程进行了监测和表征。结果显示,ABEI发光功能化石墨烯复合材料构筑的功能纳米界面具有优良的电致化学发光性质和电子传导能力,且金纳米粒子起到了进一步纳米放大作用,这些为提高分析的灵敏度提供了可能。该传感器用于检测hIgG展现出较宽的线性范围1.0×10-13～1.0×10-8g/mL和极低的检测限5.0×10-14g/mL,且具有良好的精确度、稳定性和重现性。此项研究提供了一种非常简单灵敏的方法检测蛋白质,为研发性能优良的非标记免疫传感器开辟了新途径。4.通过原位还原法,使用ABEI作为还原剂和保护试剂,以石墨烯氧化物为模板,成功合成了金纳米粒子并有效沉积到石墨烯氧化物的表面,得到ABEI发光功能化金纳米粒子/石墨烯氧化物(ABEI-AuNPs/GO)复合纳米材料。我们采用了透射电镜、紫外-可见吸收光谱、X射线光电子能谱、拉曼光谱和X射线衍射对该复合纳米材料的组成、结构和形貌进行了表征。结果表明,金纳米粒子在石墨烯氧化物表面具有比较均匀的分布,且直径在10nm以内。由于ABEI作为保护试剂存在于该复合纳米材料中,赋予了ABEI-AuNPs/GO复合纳米材料良好的化学发光和电致化学发光特性。鉴于纳米金和石墨烯都具有优良的电子性能、生物兼容性和大的比表面积,加上该材料特有的化学发光特性,因此该发光功能化石墨烯复合纳米材料,是一种理想的功能纳米材料,在化学发光生物传感器中具有重要的应用前景。
【作者】沈雯；
【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】N-(4-氨基丁基)-N-乙基异鲁米诺；化学发光；免疫分析；石墨烯；金纳米粒子；复合纳米材料；纳米探针；纳米界面；

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