基于多种信号放大策略的电化学发光生物传感器的研究

作     者：葛君君 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：接贵芬

授予年度：2020年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：电致化学发光 生物传感器 信号放大策略 DNA纳米结构 

摘      要：近年来,研究人员投入了大量的精力致力于构建高效的生物传感器以实现对多种肿瘤标志物的灵敏检测,设计了诸如结合表面增强拉曼光谱、电致化学发光、荧光、电化学和光电化学等技术的生物传感器。电致化学发光因其背景信号低、线性范围宽、灵敏度高、选择性好、操作简单以及成本低等优点,受到越来越多科研工作者的广泛研究。由于肿瘤标志物的浓度极低,不利于疾病的早期诊断,因此包括链式杂交反应、DNA纳米结构、DNAzyme在内的多种信号扩增技术被应用于放大目标物浓度,降低检测限。本文主要探究了基于多种放大策略的电化学发光生物传感新方法,实现了对Dam MTase,AFB1,TB,miRNA以及GSH的高灵敏检测。本文主要从以下三个方面展开研究:1.本研究中,首先自组装形成多功能DNA纳米管(DNANTs),通过嵌插邻菲咯啉钌(Ru(phen))和亚甲基蓝(MB)构建扩增信号探针,用于多功能电致化学发光(ECL)和电化学(EC)“on-off分析,对Dam甲基化酶(MTase)和黄曲霉毒素B1(AFB1)进行检测。目标Dam MTase首先催化发夹DNA(H1)的甲基化,然后甲基化的DNA被酸酶内切核DpnI裂解以暴露单链DNA。通过杂交将Ru(phen)-DNANTs或MB-DNANTs信号探针组装到电极上,获得“信号on状态,用于MTase的放大ECL或EC分析。在目标AFB1存在时,由于DNANTs中适体S2与AFB1特异性结合,DNANTs的结构破碎,导致信号探针(Ru(phen)或MB)从电极释放,获得“信号off状态,实现对AFB1的双重检测。利用多功能的DNANTs放大信号探针,多功能生物传感器显示出良好的分析性能,具有非常宽的线性范围(DPV的MTase和AFB1检测的0.001-100 U·mL和0.0001-100·ng m L)和较低的检测限(DPV的MTase和AFB1为2.1×10 U·mL和0.018pg·m L)。这是首次针对双靶标测定法分别实现ECL和EC“on-off方法,为基于DNANTs的信号放大策略开辟了一条新途径,可用于多种生物检测中生物传感器的通用设计。2.本实验中,基于Ag(I)离子增强或Ag纳米簇(NC)淬灭CdSe量子点(QDs)电化学发光(ECL)构建新型生物传感器用于凝血酶(TB)和miRNA的多功能“开-关测定。通过精确设计发夹DNA修饰的传感表面,提出了通过接近依赖性杂交(PDH)与双足分子机器(BMM)触发的表面程序性连锁反应(SPCR)。一方面通过C-C错配捕获Ag(I),形成稳定的Ag(I)-嵌合DNA复合物,Ag(I)作为有效的共反应剂,极大地提高了CdSe量子点的ECL信号强度,此时ECL为on状态,对凝血酶进行超灵敏检测。另一方面,富C链作为模板,捕获介孔二氧化硅球孔中释放的AgNO,原位还原产生Ag NCs,淬灭硒化镉量子点的ECL强度。此时ECL为off状态,可定量检测miRNA-21。该方法首次在同一个传感体系中结合Ag(I)增强和Ag NCs淬灭检测双目标物,且TB和mi RNA-21的检测限分别可达到0.165 fM和4.97 aM。3.该工作中,开发了一种多功能电化学发光(ECL)和光电化学(PEC)信号“on生物传感平台,通过Mn驱动的DNAzyme扩增策略与DNA-Walker触发的变构转化相结合用于GSH的灵敏测定。首先,通过GSH将MnO纳米片还原为Mn。然后,Mn作为替代目标触发DNAzyme辅助的切割循环扩增,产生大量DNA输出(S3)。同时,引入了DNA分子机器来桥接信号探针,以进行多种生物传感,其中包括将发夹DNA用作轨道,将手臂用作助行器。DNA S3激活了摆臂与发夹DNA杂交,然后被***切断,后者启动了臂的自主行走,以形成大量的链霉亲和素(SA)适体。因此,作为通用信号探针的大量CdS:Mn-SABI通过特异的SA-适体结合与电极相连,从而产生极大增强的ECL和PEC信号,灵敏检测靶标。本生物传感系统利用了基于金属离子的DNAzyme扩增、DNA Walker机器、QDs的多种信号和适体的特异性,可为检测各种靶标提供通用而有效的生物传感方法。该设计策略证明了在人血清样品中进行GSH分析具有良好性能,具有广阔的前景。