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基于光热纳米材料介导的微流控传感芯片用于可视化即时检测

基于光热纳米材料介导的微流控传感芯片用于可视化即时检测

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作者：王致明华侨大学

学位级别：硕士

随着人类生活质量的不断提高,对于环境质量监测、人体疾病诊断等领域愈加重视。现场即时检测(Point-of-Care Testing,POCT)作为所属领域的前沿技术,近二十年来得以快速发展。微流控芯片(microfluidic chip)的引入为POCT领域带来了重大... 详细信息

随着人类生活质量的不断提高,对于环境质量监测、人体疾病诊断等领域愈加重视。现场即时检测(Point-of-Care Testing,POCT)作为所属领域的前沿技术,近二十年来得以快速发展。微流控芯片(microfluidic chip)的引入为POCT领域带来了重大的突破,它不仅有操作简易、成本低廉、易微型化和便携化等优势,且可在任意环境下进行快速有效的分析诊断,这对于分析设备简易化、家用化的转变具有极大的研究意义。而微流控芯片面临的问题在于灵敏度低、部分依赖于大型仪器而牺牲便携性、自动化程度低和芯片操作繁琐等。在本论文中使用核酸生化传感体系,基于微流控芯片为检测平台,通过核酸介导的光热传感机制构建便携式检测芯片,最终实现“单步法”生化芯片分析,即高灵敏的裸眼定量读取。本论文分为以下四个部分:第一章,对现场即时检测技术进行概述,引出光热纳米材料与核酸传感对于检测能力提升的重要意义以及两者当今的发展、应用现状;简述了微流控技术、芯片制作核心材料、工艺制作流程;最后着重介绍微流控芯片的研究前沿和在环境监测、食品安全、生物医疗等领域的检测应用。第二章,设计了一种基于金纳米星(Au NSs)调控光热效应的可视化距离读取微流控芯片,用于定量检测水质中Hg含量。当Hg存在时,富含T碱基的核酸适配体单链Hg-Aptamer受T-Hg-T特异性结合作用,形成稳定的ds DNA结构。该反应使得分散的Au NSs@ss DNA复合单体重新形成Au NSs聚集态,并促使样品光热效应增强,进而加快NHHCO热分解产气,推动染料形成可视化距离读出信号。该章所提出的可视化距离读取分析装置具有灵敏度高、特异性好的优势,将其应用于实际水样(自来水、湖水和海水)检测的加标回收率为97.2%～108.3%,且Hg检测限低至3.0 n M。该方法无需借助大型仪器的辅助,在10 min内即可完成现场即时分析检测,具有高选择性、便携性、低成本等优势。该可视化距离读取分析装置有望成为环境监测中重金属检测的可靠平台,解决了传统环境分析工作的复杂冗长和大多微流控芯片功能化单一的问题。第三章,使用等温DNA催化发夹自组装(Catalytic Hairpin Assembly,CHA)的信号放大技术设计了一种基于聚吡咯/金复合纳米材料(Au@PPy)调控光热效应的可视化距离读取微流控芯片,用于对人体血清样本中癌胚抗原(CEA)的高灵敏可视化定量检测。当存在靶标物质CEA时,会引发CHA的核酸扩增,从而在磁珠上富集Au@PPy,通过NIR激光的照射促使Au@PPy产生光热效应,加快NHHCO热分解产气,推动染料形成可视化距离信号。将其运用于血清样本中,CEA的回收率在97.5%～107.5%,相对标准偏差小于10.2%,CEA的检测限为8.1 pg·m L。本章中CHA与传统核酸传感体系相比,大幅提高了检测待测物质的灵敏度,且无酶等温扩增成本低廉无需温控模式,可以有效兼容集成化微流控芯片;光热材料选择了聚合物/贵金属复合材料,克服贵金属材料的光热转换效率低,环境稳定性差的劣势。基于通用性的核酸适配体识别机理,该生化传感芯片有望搭建普适性的疾病标志物即时检测新平台。第四章,引入光固化3D打印技术,成功制备了气泵阀控的多功能一体化生化传感装置。该装置集成了扩增、清洗、富集、光热转化等多重功能,通过系统性的阀控元件和微流控模板优化,成功实现了高效简便的“单步法”检测。以多步反应的CHA核酸识别反应为例,该便携检测装置可快速完成血清样品中CEA的可视化定量检测。该装置改善了传统微流控芯片制作工艺复杂,操作繁琐的缺点,只需将待测样品加入芯片中,即可通过气体泵阀进行单步检测。新型的便携式POCT装置不仅实现了多功能系统的集成化,也通过简便的单步操作切实提高了用户体验,为后续应用于商品化开发奠定了坚实的基础。

关键词：环境监测疾病标志物微流控芯片核酸生化传感光热纳米材料

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