據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查顯示:大規(guī)模肺癌篩查是有效降低肺癌死亡率的途徑之一。在眾多的篩查技術(shù)中,基于呼氣檢測的比色傳感陣列以其快速、準(zhǔn)確、廉價、便攜、可視化等優(yōu)點,被認為是一種較理想的非侵入性肺癌篩查方法。但大多數(shù)比色傳感陣列不能識別呼氣混合物中的單一成分,且存在選擇性差,靈敏度低,檢測下限無法滿足呼氣中痕量化合物的傳感要求等不足,大大限制了比色傳感陣列在肺癌篩查中的應(yīng)用。因此,通過探究傳感陣列與分析物間的相互作用,分析影響陣列靈敏度和選擇性的因素,以此指導(dǎo)敏感材料的設(shè)計和制備,構(gòu)建性能優(yōu)異的比色傳感陣列,對肺癌的大規(guī)模篩查具有重要的臨床意義�？紤]到之前陣列的局限性,本文以(i)特異響應(yīng)結(jié)合交叉響應(yīng),(ii)多種納米材料改性敏感染料或基材為指導(dǎo)思路,構(gòu)建了多種比色傳感體系或陣列,全面提升比色傳感陣列在揮發(fā)性有機化合物(VOCs)識別及肺癌呼氣檢測中的靈敏度、選擇性和準(zhǔn)確率,預(yù)期獲得更低的檢測限。利用主成分分析和相關(guān)分析重點研究各陣列與分析物間可能的相互作用和影響因素,為新型比色傳感陣列的設(shè)計提供理論參考。此外,利用模式識別算法和交叉驗證模型,深入研究各陣列對特定VOCs及實際呼氣樣本的識別性能,并通過統(tǒng)計分析方法,考察特異響應(yīng)模式與納米材料功能改性對單純?nèi)玖详嚵凶R別性能的提升幅度。綜合論證比色傳感陣列基于呼氣VOCs分子特征的響應(yīng)用于肺癌特征識別和表征的可行性。具體的研究結(jié)果分為五個部分:(1)基于醛基與Ag~+的氧化還原反應(yīng),以堿性環(huán)境降低反應(yīng)活化能,利用敏感染料指示pH變化,設(shè)計了醛類的特異傳感體系。模式識別研究結(jié)果表明,該體系對醛類的識別特異性和準(zhǔn)確率分別大于92.9%和93.3%。同時對乙醛獲得較寬的線性范圍(0.391~7.82 mM/L)和較低的檢測限(1.002 mM/L)。Pearson相關(guān)模型研究表明,該體系與醛類間氧化還原反應(yīng)的決速步為OH~-攻擊正電性的羰基碳,羰基碳的正電性差異決定了該體系對不同醛的響應(yīng)差異。(2)基于Br?nsted酸堿作用和離子相互作用,利用檸檬酸包裹的金納米顆粒,氧化石墨烯單層,和二氧化硅水凝膠對化學(xué)響應(yīng)型染料和陣列基材進行功能改性,設(shè)計胺類傳感陣列。該陣列對8種常見胺類的識別特異性和準(zhǔn)確率分別大于95.8%和92.6%,對三甲胺獲得了較寬的線性范圍(5 ppb~50 ppm)和極低的檢測限(1.3 ppb)。七次平行實驗的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%,表明該陣列重現(xiàn)性較好。主成分分析和Pearson相關(guān)模型研究表明,敏感材料與各種胺的不同強度Br?nsted酸堿作用決定了陣列對各種胺類的響應(yīng)差異。功能納米材料的引入,顯著增強了陣列對分析物的識別能力。(3)交叉響應(yīng)敏感材料是陣列傳感方法不可或缺的組成部分。我們以多種化學(xué)響應(yīng)型染料構(gòu)建了多種相互作用并存的比色傳感陣列,實現(xiàn)了對20種肺癌相關(guān)VOCs的識別。統(tǒng)計分析結(jié)果表明,該陣列對20種VOCs的識別特異性和準(zhǔn)確率分別大于89.5%和85%,且具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。制備了一批具備廣泛交叉響應(yīng)活性的敏感材料,用于復(fù)合陣列的構(gòu)建。(4)構(gòu)建了特異響應(yīng)與交叉響應(yīng)相結(jié)合的納米改性染料復(fù)合陣列,對20種呼氣VOCs的識別特異性和準(zhǔn)確率分別大于94.7%和95%,靈敏度接近100%。在樹圖中,20種VOCs規(guī)律地聚類成五個化學(xué)大類,即芳烴類,醇類,烷烴類,醛類,烯烴類。線性判別分析(LDA)也獲得了與層序聚類分析(HCA)高度一致的結(jié)果。三維判別因子就能識別所有20種VOCs,其總方差信息量僅為60.7%。PCA結(jié)果顯示,需要22維的主成分才能涵蓋95%的總方差信息,即該陣列的活性空間具備高度的離散性。上述結(jié)果表明,相較于單獨的染料陣列,納米改性染料復(fù)合陣列具有更強的物理/化學(xué)作用力,在可視化響應(yīng),識別靈敏度,特異性和準(zhǔn)確率上的提升率分別為29.7%,64.7%,2.2%和5.3%。(5)基于納米改性染料復(fù)合陣列,對不同肺癌亞型或分期的呼氣樣本進行了篩查研究。結(jié)果表明:僅依賴分子水平的預(yù)測因子,陣列對所有肺癌亞型和健康對照組的識別準(zhǔn)確率均大于95%;對鱗癌vs.腺癌,小細胞癌vs.非小細胞癌的識別準(zhǔn)確率分別為84.2%和81.8%;而對III期和IV期肺癌的識別準(zhǔn)確率則低至54.2%。Pearson相關(guān)模型研究表明:性別,年齡等臨床因子與肺癌組織學(xué)特征和分期具有顯著的相關(guān)性(p0.05)。并入臨床因子后的VOCs分子特征預(yù)測模型對肺癌分期的識別準(zhǔn)確率提高了12.5%,即臨床變量和分子水平預(yù)測因子相結(jié)合的方法具備更高的預(yù)測準(zhǔn)確性。上述結(jié)果表明:比色傳感陣列對呼氣VOCs的綜合響應(yīng)可用于肺癌特征的識別和表征。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R734.2
【部分圖文】：

圖 1.1 肺癌呼氣檢測的理論基礎(chǔ)[4]。Figure 1.1 Hypothetical basis of the breath test for lung cancer[4].和其他腫瘤一樣，肺癌的生長也伴隨著基因的變化和/或蛋白質(zhì)的改變[31,32]。異變基因的表達會產(chǎn)生特定的 VOCs 構(gòu)成，并通過體液排出[33]。而外源的 VOCs(煙草燃燒產(chǎn)生的異戊二烯，苯，甲苯等)則具有較高的反應(yīng)活性，并引起 DNA，蛋白質(zhì)和不飽和脂肪酸的過氧化損傷。如果該過程的負面影響經(jīng)數(shù)年累積，就將

圖 1.2 選擇性傳感方法與交叉響應(yīng)傳感方法的示意圖[11]。Figure 1.2 Schematic illustration of the selective sensing approach vs. the cross-reactive sensingapproach[11].1.4.2 肺癌 VOCs 的交叉響應(yīng)傳感器相對于選擇性傳感方法，一種新興的策略就是交叉響應(yīng)傳感器陣列[11]。該方法基于仿生設(shè)計的原理，采用由廣譜交叉響應(yīng)傳感器組成的陣列，聯(lián)合模式識別算法進行檢測[11]。與選擇性傳感方法相比，此類傳感器陣列將由多個廣譜交叉響應(yīng)傳感器生成一個獨特的指紋圖譜。這極大地擴寬了化合物的檢測種類，對于每種分析物都有一個特定的敏感模型，以提高其成分識別率，同時也使得復(fù)雜多成分混合物中的單一成分的分析更容易完成[49]。模式識別算法的使用可以獲得分析物的種類，以及性質(zhì)和濃度等信息(見圖 1.2，下半部分)。盡管這樣的傳感陣列大多數(shù)是定量或半定量的，但因其檢測結(jié)果可在數(shù)分鐘內(nèi)獲得，因此這種方法對于肺癌的大規(guī)模篩查是比較理想的方法[11,50]。常見的交叉響應(yīng)傳感器主要包括基于納米材料的電阻抗傳感器，石英晶體微天平，表面聲波傳感器以及可視化傳感器

圖 1.3 分子間作用力的半定量能級范圍[61]。 The range of intermolecular interactions on a semi-quantitative ene系統(tǒng)就是一個靈敏的傳感器陣列，能夠區(qū)分多種揮發(fā)到確認[62]，大約覆蓋了 109ppm 量級的范圍。圖 1.4 展分析物(如僅含有一個甲基的分析物)的檢測限。嗅覺系高 100 萬倍，而對甲胺的響應(yīng)比甲醇則強 10 萬倍，總響應(yīng)強度跨越了 107ppm 量級的范圍。對于這些尺寸相氫鍵，及空間位阻作用并不能很好地解釋如此巨大的嗅覺感受器中很大一部分是金屬蛋白質(zhì)，其中的金屬離is 堿(如硫醇，胺類，磷化氫類，羧酸類等)的配位作用覺受體形成強的離子鍵合。實際上，Matsunami 及其同了銅離子在至少一種老鼠嗅覺感受器中起著重要作用入較強相互作用所帶來的優(yōu)點是明顯提高傳感器的內(nèi)學(xué)特異性。因此，在原有交叉響應(yīng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可
【參考文獻】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 胡燕婕;肺癌呼氣特征性VOCs的篩選及診斷價值研究[D];浙江大學(xué);2010年

本文編號：2869937