基于電致化學(xué)發(fā)光技術(shù)的納米生物傳感器的設(shè)計(jì)與研究

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1、基于電致化學(xué)發(fā)光技術(shù)的納米生物傳感器的設(shè)計(jì)與研究基于電致化學(xué)發(fā)光技術(shù)的納米生物傳感器的設(shè)計(jì)與研究基于電致化學(xué)發(fā)光技術(shù)的納米生物傳感器的設(shè)計(jì)與研究基于電致化學(xué)發(fā)光技術(shù)的納米生物傳感器的設(shè)計(jì)與研究【摘要】：核酸、蛋白質(zhì)及酶是組成生命的主要生物大分子。基因組核酸承載著傳遞遺傳信息、編碼生命功能的重要任務(wù),基因的功能或表達(dá)則決定生命。蛋白質(zhì)則貫穿所有的生命活動(dòng)過程。酶在DNA合成中起重要作用,且在保持基因組的完整性方面也是必不可少的重要物質(zhì)。核酸的復(fù)制、連接、修復(fù)等操作是重要的生命過程,DNA/RNA的結(jié)構(gòu)片段,

2、作為生物大分子的基本“磚塊”,是生命活動(dòng)的重要參與者,是重要的細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)物?；虻南嚓P(guān)功能的完成需要蛋白質(zhì)、酶及生物活性小分子化合物的協(xié)同參與,宏觀上,這一系列生物分子的配合與作用構(gòu)成生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖、遺傳和代謝等生命現(xiàn)象的基礎(chǔ)。對(duì)功能基因組、蛋白質(zhì)組及相關(guān)生物活性分子的研究正是后基因組時(shí)代所關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著科學(xué)家們逐漸揭開疾病的機(jī)理,并將其用于疾病的醫(yī)療診斷和治療之中,對(duì)特定序列的DNA,相關(guān)蛋白、酶及生物活性小分子的檢測(cè)日益受到重視。在傳統(tǒng)的分析方法中,核酸與蛋白質(zhì)的研究都采用放射性標(biāo)記、凝膠電泳和

3、放射性自顯影等技術(shù)。這些方法過程復(fù)雜,周期長(zhǎng),特別是放射性標(biāo)記,存在放射性污染。而非放射性標(biāo)記法如熒光、化學(xué)發(fā)光和生物素標(biāo)記法,標(biāo)記過程繁瑣、復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化且儀器價(jià)格昂貴。而生命科學(xué)的迅速、深入發(fā)展迫切需要新的手段和方法,以更靈敏、更真實(shí)、更快速地研究生命過程。電致化學(xué)發(fā)光(ECL),是由電化學(xué)反應(yīng)直接或間接引發(fā)的化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象,是電化學(xué)和化學(xué)發(fā)光相結(jié)合的產(chǎn)物,兼具二者的優(yōu)點(diǎn)。其方便快捷、靈敏度高、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)范圍寬、檢出限低、可控性與選擇性好、容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化和集成化,可進(jìn)行原位檢測(cè)。集以上優(yōu)點(diǎn)于一身的

4、電致化學(xué)發(fā)光技術(shù)近幾年在分析化學(xué),尤其在生物分析領(lǐng)域的應(yīng)用引起了人們的極大關(guān)注,為生命科學(xué)進(jìn)入到分子水平領(lǐng)域提供了有力的研究手段與方法。當(dāng)物質(zhì)小到納米數(shù)量級(jí)時(shí),會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等,其電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)也相應(yīng)地發(fā)生顯著的變化,呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的優(yōu)越性能。因此,納米材料在催化、電子材料、微器件、增強(qiáng)材料及傳感器材料等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。電化學(xué)過程與電極材料的表面性質(zhì)有關(guān),如果將納米材料修飾在電極的表面,基于其比表面積大、催化活性高、親和力強(qiáng)的特性,

5、其能活化電極表面,增大電流響應(yīng),降低檢測(cè)限,大大提高檢測(cè)的靈敏度,同時(shí)最大限度地保持相關(guān)生物分子的生物活性。將納米技術(shù)應(yīng)用于生物活性分子的電致化學(xué)發(fā)光分析研究,是一個(gè)嶄新的領(lǐng)域,有利于創(chuàng)新性地建立一些新理論、新技術(shù)和新方法。本論文將納米技術(shù)、生物分子識(shí)別元件的特異性及電致化學(xué)發(fā)光技術(shù)的靈敏性相結(jié)合,發(fā)展具有高靈敏度和高選擇性的DNA、蛋白質(zhì)及酶的新型納米生物傳感器。開拓生物傳感器在后基因時(shí)代的研究領(lǐng)域,為研究多種生物分子提供新的手段與方法。論文分五個(gè)部分,共八章,具體內(nèi)容如下:Ⅰ.緒論(第一章)本章系統(tǒng)闡

6、述了電致化學(xué)發(fā)光的原理和特點(diǎn),重點(diǎn)介紹了ECL兩大發(fā)光體系的反應(yīng)機(jī)理及其在分析中的應(yīng)用。介紹了DNA與核酸適配體電致化學(xué)發(fā)光生物傳感器的構(gòu)造原理、分類特點(diǎn)及研究進(jìn)展。介紹了各種納米材料在電致化學(xué)發(fā)光生物傳感器中的應(yīng)用。最后闡述了本論文的目的和意義,指出論文的創(chuàng)新之處及主要研究?jī)?nèi)容。Ⅱ.基于Ru(bpy)_3~(2+)-SiO_2NPs的核酸適配體傳感器實(shí)現(xiàn)凝血酶蛋白質(zhì)電致化學(xué)發(fā)光特異性檢測(cè)(第二、三章)第二章基于Ru(bpy)_3~(2+)-SiO_2NPs的單核酸適配體傳感器經(jīng)目標(biāo)誘導(dǎo)靶替換實(shí)現(xiàn)凝血酶蛋

7、白質(zhì)特異性檢測(cè)利用反相微乳法合成了SiO_2包裹的電致化學(xué)發(fā)光活性物2,2＇-聯(lián)吡啶釕(Ru(bpy)_3~(2+))納米顆粒(Ru(bpy)_3~(2+)-SiO_2NPs),以此作為DNA標(biāo)記物,結(jié)合替換反應(yīng)發(fā)展了一種簡(jiǎn)單有效的凝血酶蛋白質(zhì)電致化學(xué)發(fā)光特異性檢測(cè)的方法。首先,在金電極的表面組裝凝血酶核酸適配體aptamer,將其與標(biāo)記有Ru(bpy)_3~(2+)-SiO_2NPs并與aptamer部分序列完全互補(bǔ)的ssDNA探針進(jìn)行雜交,測(cè)得第一個(gè)ECL信號(hào)(I_(ECL1))。然后將電極與凝血酶蛋

8、白進(jìn)行培育,凝血酶與aptamer特異性結(jié)合,將探針替換下來,此時(shí)測(cè)得第二個(gè)ECL信號(hào)(I_(ECL2))。利用前后兩個(gè)ECL信號(hào)的差值△I_(ECL)(I_(ECL1)-I_(ECL2))來定量測(cè)定凝血酶。非特異性識(shí)別的蛋白不干擾測(cè)定,凝血酶在1.0×10~(-14)mol/L～1.0×10~(-11)mol/L范圍內(nèi)有良好的線性響應(yīng),檢測(cè)限為1.0×10~(-15)mol/L(S/N=3,n=11)。方法可應(yīng)用于實(shí)際血漿中