【摘要】：隨著全世界疾病患者人數(shù)的不斷增多以及晚期疾病診斷導(dǎo)致的死亡人數(shù)的不斷增加,早期疾病的快速高靈敏檢測(cè)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。而生物傳感器由于具有快速、高效、靈敏等優(yōu)勢(shì)在醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。目前,在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,生物傳感器可成功的用于監(jiān)測(cè)糖尿病患者的血糖水平、痛風(fēng)患者的尿酸水平。但是臨床檢測(cè)還主要依賴于實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)化的大型設(shè)備檢測(cè)平臺(tái)。因此,生物傳感器的發(fā)展仍有一定的局限性,尤其是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的快速即時(shí)檢測(cè)(point-of-care testing,POCT)。另一方面,檢測(cè)生物分子的生物傳感器大都基于酶構(gòu)建,而酶的價(jià)格比較昂貴、固定比較復(fù)雜、穩(wěn)定性較差,且其活性易受pH和溫度等條件的影響,導(dǎo)致傳感器的成本較高、穩(wěn)定性較差。納米技術(shù)的產(chǎn)生為高性能生物傳感器的發(fā)展提供了新的方向。納米材料由于具有獨(dú)特的光學(xué)、電化學(xué)、催化性能以及良好的生物相容性,已被廣泛的應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究中并產(chǎn)生了一系列高靈敏度的檢測(cè)方法。但目前已報(bào)道的基于納米材料的生物傳感器主要處于實(shí)驗(yàn)室階段,對(duì)于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)POCT仍有許多難題需要解決。因此,基于功能化納米復(fù)合材料開(kāi)發(fā)新型、便攜式、低成本的生物傳感器件,對(duì)于疾病的早期預(yù)防和對(duì)生理、病理等過(guò)程的研究都有著非常重要的意義。本論文針對(duì)目前生物傳感器存在的一些問(wèn)題,在先進(jìn)納米科學(xué)和工程技術(shù)的快速發(fā)展下,開(kāi)發(fā)新型、具有普遍適用性的生物傳感器件加工技術(shù);更重要的是,構(gòu)建了一系列基于功能納米材料的高性能生物傳感器件,并研究了它們高選擇性和高靈敏度的傳感增強(qiáng)機(jī)制。主要的研究?jī)?nèi)容如下:1.人體血清中的堿性磷酸酶(ALP)主要來(lái)自源于肝臟和骨骼,當(dāng)這些器官出現(xiàn)病變時(shí),血清中的ALP會(huì)明顯增高。所以,對(duì)ALP的活性進(jìn)行測(cè)定可為某些疾病的診斷提供輔助指標(biāo)。針對(duì)市場(chǎng)上檢測(cè)ALP活性的試紙較少且其檢測(cè)過(guò)程較長(zhǎng)、步驟較繁瑣,本工作通過(guò)兩步偶聯(lián)法合成了AuNPs@半胱氨酸-磷酸酪氨酸(AuNPs@Cys-tyr-p),并基于AuNPs@Cys-tyr-p構(gòu)建了一次性、便攜式的ALP活性檢測(cè)試紙。該試紙可在10 min內(nèi)檢測(cè)出線性范圍為0.1-150 U/L的ALP,并能成功用于檢測(cè)人血清中活性ALP的含量。研究結(jié)果表明,該試紙的檢測(cè)機(jī)制主要是基于ALP的去磷酸化功能,ALP可對(duì)AuNPs@Cys-tyr-p上的磷酸根進(jìn)行切除,從而不被測(cè)試區(qū)的抗磷酸酪氨酸抗體特異性捕獲發(fā)生聚集。其中,AuNPs@Cys-tyr-p具有雙功能性,不僅可以作為磷酸酪氨酸的載體與活性ALP發(fā)生特異性反應(yīng),而且可以通過(guò)它在測(cè)試區(qū)聚集產(chǎn)生的顏色變化進(jìn)行信號(hào)的采集。該研究揭示,通過(guò)功能化納米金與ALP之間的獨(dú)特反應(yīng)機(jī)制,可極大地提高檢測(cè)的特異性和靈敏度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ALP活性的快速精確測(cè)定。2.人血清中尿酸(UA)濃度的異常會(huì)導(dǎo)致痛風(fēng)、高尿酸血癥等疾病的產(chǎn)生,因此UA是一種重要的臨床診斷標(biāo)志物�，F(xiàn)有的UA傳感器大都是基于尿酸酶構(gòu)建,而酶的存在導(dǎo)致這類傳感器在日常應(yīng)用中受到了限制。本工作通過(guò)在碳納米管(CNTs)表面包覆一層鋸齒狀的聚苯胺(PANI)納米陣列并碳化得到氮摻雜碳納米管(N-doped CNTs),進(jìn)一步將普魯士藍(lán)(PB)納米顆粒嵌入式生長(zhǎng)在N-doped CNTs的鋸齒結(jié)構(gòu)之間,制備PB/N-doped CNTs納米復(fù)合材料。將PB/N-doped CNTs修飾在印刷電極上構(gòu)建了高性能的無(wú)酶UA傳感器件,并可用于檢測(cè)人血清中的UA。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合DFT模擬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)UA的分子結(jié)構(gòu)與PB晶格結(jié)構(gòu)之間相互匹配,使得UA分子能夠特異性的吸附在PB表面并快速的發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),且N-doped CNTs的氮摻雜表面能夠?qū)崿F(xiàn)快速的界面電子轉(zhuǎn)移,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)UA的特異性、高靈敏檢測(cè)。此外,較負(fù)(-0.5 V)的檢測(cè)電位很好的避開(kāi)了其他共存物的干擾,進(jìn)一步增強(qiáng)了該傳感器件的特異性。PB納米顆粒嵌入式生長(zhǎng)鋸齒結(jié)構(gòu)之間增加了復(fù)合材料的化學(xué)和物理穩(wěn)定性,從而大大提高了傳感器件的穩(wěn)定性。該研究結(jié)果表明,通過(guò)對(duì)基于分子匹配的傳感機(jī)制的研究,證實(shí)了材料的界面特性對(duì)特異性檢測(cè)生物分子的重要影響,為將來(lái)設(shè)計(jì)合成高效的納米材料用于構(gòu)建高性能生物傳感器件提供理論指導(dǎo)依據(jù)。3.多巴胺(DA)水平的異常會(huì)導(dǎo)致如帕金森病、阿爾茨海默病等許多疾病的產(chǎn)生。因此,測(cè)定腦、血液、尿和組織中DA的含量水平對(duì)于生理功能和臨床研究具有非常重大的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的DA傳感器大都存在靈敏度不高、選擇性差、成本高等缺陷。本研究通過(guò)在腐敗希瓦氏菌表面包覆一層PANI后經(jīng)高溫碳化得到氮摻雜碳納米棒(N-doped carbon nanorods,N-doped CNRs),并與AuNPs共同修飾印刷電極構(gòu)建了高性能的DA傳感器件,該傳感器件可成功用于檢測(cè)人血清中的DA含量。進(jìn)一步分析AuNPs/N-doped CNRs_(900)對(duì)DA催化機(jī)制,由于N原子的存在,N-doped CNRs_(900)在中性溶液中帶負(fù)電荷,可通過(guò)靜電作用吸附帶正電荷DA并排斥帶負(fù)電荷的抗壞血酸(AA)和UA,成功避免了干擾,提高了對(duì)DA檢測(cè)的選擇性。N-doped CNRs_(900)對(duì)DA的吸附作用主要源自N-doped CNRs_(900)與DA的苯環(huán)之間的π-π相互作用以及N原子與DA中的-OH或-NH_2形成的氫鍵,而在900℃碳化得到的N-doped CNRs_(900)具有較大的比表面積和孔體積可以吸附大量的DA;此外,AuNPs的活性中心可以使DA快速失去電子,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DA的快速、高靈敏檢測(cè)。該研究揭示,功能化納米材料獨(dú)特的表面性質(zhì)和孔結(jié)構(gòu)可以極大地提高檢測(cè)的選擇性和靈敏度,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)DA的高效和特異性測(cè)定。4.細(xì)胞作為生命研究的基本功能單元,對(duì)細(xì)胞的生化分析可以為生物學(xué)和醫(yī)療問(wèn)題提供關(guān)鍵的信息。目前基于細(xì)胞檢測(cè)的主要依賴于2D的細(xì)胞培養(yǎng)體系,不能夠?qū)罴?xì)胞在生長(zhǎng)過(guò)程中的功能和生理機(jī)能等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。微加工雖然可以構(gòu)建復(fù)雜的支架來(lái)進(jìn)行細(xì)胞的3D培養(yǎng),但是這些方法通常依賴于一些大型儀器。本研究通過(guò)將3D紙纖維與塑封膜相結(jié)合構(gòu)建了一個(gè)電極與細(xì)胞培養(yǎng)體系一體式的紙基電化學(xué)傳感器件�；�(Fe,Mn)_3(PO_4)_2/N-doped CNRs功能化納米復(fù)合材料構(gòu)建的紙基傳感器件有較寬的線性檢測(cè)范圍和較低的檢測(cè)限。通過(guò)將細(xì)胞直接生長(zhǎng)在紙基傳感器件上大大縮短了待測(cè)物與活性位點(diǎn)間的擴(kuò)散距離,實(shí)現(xiàn)了對(duì)3D培養(yǎng)下細(xì)胞釋放H_2O_2的高靈敏、實(shí)時(shí)原位檢測(cè)。該研究通過(guò)有效調(diào)控納米材料中(Fe,Mn)_3(PO_4)_2雙組分的比例,顯著提高了檢測(cè)靈敏度。此外,N-doped CNRs作為傳感材料的支撐材料具有較大的比表面積和孔體積可以負(fù)載大量的(Fe,Mn)_3(PO_4)_2納米顆粒提供更多的反應(yīng)活性位點(diǎn),而氮摻雜可以有效的增強(qiáng)電荷的轉(zhuǎn)移速率并縮短反應(yīng)時(shí)間,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)H_2O_2的高效催化。簡(jiǎn)而言之,功能基團(tuán)修飾的納米材料可以很好的提高對(duì)生物分子檢測(cè)的靈敏度和高選擇性,這主要是由于其獨(dú)特的功能改性基團(tuán)可以提高選擇性,而其較大的比表面積和孔結(jié)構(gòu)可以增加反應(yīng)活性位點(diǎn)提高檢測(cè)的高靈敏度,從而為設(shè)計(jì)高靈敏和高選擇性的生物傳感器提供了新的解決途徑。
【圖文】：

西南大學(xué)博士學(xué)位論文元件得到了進(jìn)一步的發(fā)展。信號(hào)轉(zhuǎn)換器的作用主要是利用自動(dòng)化微生的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步加工，并將生物、化學(xué)、物理等信息通過(guò)光信號(hào)信號(hào)等形式表達(dá)出來(lái)。相比于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，生物傳感器具有：響量少、操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、便于進(jìn)一步推廣普及等

圖 1.2a（.1）石蠟打印機(jī)打印圖案化紙基的示意圖，（2）紙基微流控芯片實(shí)物圖[26]；b完全相同的鏤空金屬夾具，（2）通過(guò)鏤空金屬夾具制得的六通道紙基微流控芯片[32（3）等離子處理技術(shù)先通過(guò)加熱至熔點(diǎn)的烷基烯酮二聚體（Alkylketene Dimme，ADK）溶液行處理，使其與紙纖維中的羥基（-OH）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成共價(jià)鍵。將浸取出晾干，并在 100℃烘箱中加熱 5min 使其完全疏水化。然后，將紙基完全一樣的鏤空金屬夾具中，并進(jìn)行固定。最后，對(duì)夾有紙基的金屬夾具子處理，，使得被保護(hù)的部分仍具有疏水性，而被等離子處理的部分則變成（圖 1.2 b）[32]。（4）噴墨打印技術(shù)Shen 等人[33]通過(guò)噴墨打印機(jī)將 ADK 溶液直接打印在紙基上形成疏水區(qū)印 ADK 溶液的區(qū)域則仍保持有親水性。相比于等離子處理的方法，避免具的使用。（5）噴墨刻蝕打印技術(shù)與直接在紙基上打印疏水區(qū)不同，噴墨刻蝕打印技術(shù)先將紙基聚用苯乙
【學(xué)位授予單位】：西南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212.3;TB383.1

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本文編號(hào)：2634240