抗污染电致化学发光生物传感器的构建及在肿瘤相关核酸检测中的应用

作     者：郝秋霞 

作者单位：青岛科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：牛淑妍;丁彩凤

授予年度：2021年

学科分类：0831[工学-生物医学工程（可授工学、理学、医学学位）] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0836[工学-生物工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：信号放大 多肽 导电聚合物 p53DNA microRNA 抗污染 ECL生物传感器 

摘      要：癌症已经成为威胁人类生命安全最危险的因素之一,对癌症患者的早期发现和诊断具有重要意义。电化学发光(ECL)生物传感器由于其不需要外部光源、操作简单、灵敏度高并且已经实现多领域的实际应用等优势,被广泛应用于肿瘤相关核酸的检测。由于许多肿瘤相关核酸的丰度较低,为了实现对肿瘤的早期诊断,对目标物进行信号放大至关重要。本文设计了两种放大策略对目标核酸实现了有效的信号放大。由于在分析检测过程中,复杂的实际样本中杂质的非特异性吸附会严重影响生物传感器的准确响应。通过抗污染多肽的修饰,构建的生物传感器具备了良好的抗污染性能。在本文中,构建了两种基于信号放大和抗污染多肽的电化学发光生物传感器,实现了对p53DNA和miRNA两种核酸的灵敏分析检测,具体方案如下:(1)提出了一个基于抗污染多肽和外切酶exoⅢ介导的核酸循环信号放大策略构建的灵敏抗污染ECL生物传感器。多肽表现出了非常优异的抗污染性能,但是由于其电导性较差,通过电聚合在电极表面生成了聚苯胺(PANI)显著增强了修饰电极的导电性能,这使得该传感器能够更加灵敏地响应电化学信号。基于exoⅢ的循环放大策略,有效地放大了ECL信号,提高了目标物p53检测的灵敏度。该抗污染生物传感器线性范围为0.5 fM至50 nM,检测限为0.06 fM。并且由于抗污染多肽的使用,可实现在实际的复杂样本中对目标物的检测,有望在临床诊断和生物病理学分析研究等领域发挥重要价值。(2)提出了一个基于双重信号放大设计的抗污染电化学发光生物传感器。设计了一个基于DNA模拟酶(DNAzyme)的核酸循环扩增策略,通过抗污染磁珠(MBs)的磁分离作用实现了靶标物的第一重放大过程。核酸循环扩增过程生成的信号输出(output)DNA激发修饰在电极表面的DNA发夹结构发生链式杂交反应(HCR),使其生成长的双链DNA,从而使ECL信号分子Ru(bpy)(cpaphen)通过静电吸附嵌插到双链DNA中产生ECL信号响应。二氧化钛纳米针(TiO NNs)作为Ru(bpy)(cpaphen)和三丙胺(TPrA)体系的共反应促进剂,可以对Ru(bpy)(cpaphen)的ECL发光信号起到增强作用。然而由于二氧化钛的电导性较差,本文利用导电聚合物聚苯胺(PANI)对TiO NNs进行包裹生成了TiONNs/PANI复合纳米材料。PANI的引入显著弥补了TiO NNs极差的导电性并且为纳米针表面引入了可供修饰的官能团,使DNA能够通过酰胺键修饰到复合材料表面。对Ru(bpy)(cpaphen)ECL发光的显著增强实现了第二重信号放大。MBs表面包裹的是一个全新设计序列的树枝状肽防污层,该多肽使得MBs可以抵抗复杂样本中蛋白等杂质的非特异性吸附,进而实现超灵敏且准确的目标物的识别和信号响应。双重信号放大过程的设计使得这一生物传感器表现出了对miRNA-21的超灵敏分析检测性能,线性范围为1 fM至1 nM,检测限为0.13 fM。抗污染树枝状肽使得该传感器有能力对复杂的实际样本进行分析。这一基于双重信号放大策略和防污肽的超灵敏ECL生物传感器有望在未来实现在临床上对实际样本进行分析检测。