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基于电容器辅助信号放大自供能生物传感器研究

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基于电容器辅助信号放大自供能生物传感器研究

作者：王付婷信阳师范学院

学位级别：硕士

自供能生物传感器已经成为生物、医学、化学、能源等多个领域的研究热点。与传统的电化学生物传感器相比,自供能生物传感器的优势为:(1)检出限较低有望成为定量检测工具;(2)不需要参比电极和对电极,整个装置更容易小型化;(3)无需外加电... 详细信息

自供能生物传感器已经成为生物、医学、化学、能源等多个领域的研究热点。与传统的电化学生物传感器相比,自供能生物传感器的优势为:(1)检出限较低有望成为定量检测工具;(2)不需要参比电极和对电极,整个装置更容易小型化;(3)无需外加电源,易于便携化装置的构建。由于生物样品的丰度低导致当前自供能生物传感器的灵敏度不高,这严重限制了自供能生物传感器的发展,引入能源存储装置电容器和信号放大策略可显著提高自供能生物传感器的灵敏度。本论文中自供能生物传感平台由酶生物燃料电池、电容器、信号放大策略和万用表组成,可用于micro RNA-21的高灵敏检测,主要内容如下:(1)基于催化发夹自组装信号放大策略构建酶生物燃料电池,并结合电容器构建自供能生物传感器,通过数字万用表对输出信号进行读数,实现对肿瘤标志物micro RNA-21的高灵敏检测。当目标物micro RNA-21触发催化发夹自组装的信号放大策略时产生电子,生物阴极得到电子,催化[Fe(CN)]电子受体的还原。研究了自供能生物传感器与电容器匹配关系,对相关参数进行优化。在优化条件下,自供能生物传感器的检出限为0.18 fmol/L(S/N=3),线性范围为0.5-1.0×10fmol/L。引入电容器后,自供能传感器的灵敏度可达到38.72μA/pmol/L,是酶生物燃料电池(2.3μA/pmol/L)的16.83倍。(2)基于3D DNA walker、酶生物燃料电池和电容器构建多重信号放大的micro RNA-21自供能生物传感器。3D DNA walker是由无酶、目标物触发的催化发夹自组装和金纳米颗粒组成,当目标物micro RNA-21触发3D DNA walker沿着催化发夹自组装的轨道移动,富含生物素的发卡链捕获大量的葡萄糖氧化酶,葡萄糖氧化酶氧化葡萄糖产生电子,生物阴极得到电子发生还原反应,产生较大的开路电压。将电容器引入酶生物燃料电池中,灵敏度提高了28.82倍。该自供能生物传感器的检出限为0.17 fmol/L(S/N=3),线性范围为0.5-1.0×10fmol/L。最后,将构建的自供能生物传感器应用于人血清分析,实现了micro RNA-21的超灵敏检测。(3)利用酶生物燃料电池、电容器、万用表和计算机构建了新型便携式的自供能生物传感平台。首先构建了基于双循环信号扩增策略的酶生物燃料电池,通过将目标物转化为两个葡萄糖氧化酶标记的输出链DNA,使输出信号翻倍。同时,被挤掉的输出链被阴极重新利用,固定上更多的电子受体[Ru(NH)],显著提高micro RNA-21检测的灵敏度。此外,引入电容器后,通过计算机软件可将万用表读数实时记录在计算机显示屏上,提高结果的准确性。该方法的线性范围为0.1-1.0×10fmol/L,检出限为0.04 fmol/L(S/N=3)。

关键词：自供能生物传感器电容器酶生物燃料电池 microRNA-21 信号放大

基于酶-磷酸盐杂化材料的自供能生物传感器研究

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基于酶-磷酸盐杂化材料的自供能生物传感器研究

作者：童程陕西科技大学

学位级别：硕士

利用生物分子和纳米材料形成的有机-无机杂化材料在保证酶专一性、活性的同时还提高了酶的稳定性,一定程度上解决了酶易失活的问题。无机材料可以使酶的四级结构发生改变,暴露更多活性位点,再加上无机材料本身的催化性能,两者间发挥出... 详细信息

利用生物分子和纳米材料形成的有机-无机杂化材料在保证酶专一性、活性的同时还提高了酶的稳定性,一定程度上解决了酶易失活的问题。无机材料可以使酶的四级结构发生改变,暴露更多活性位点,再加上无机材料本身的催化性能,两者间发挥出特有的协同作用,使得有机-无机杂化材料在生物传感器等领域有着极大的应用前景。目前来说,小体积高功率密度是自供能生物传感器目前一个重要的研究方向,为了提高自供能生物传感器的功率密度,本论文将使用有机-无机杂化材料来构建自供能生物传感器,并探究其对功率密度的影响效果。本论文采用常温液相化学共沉淀法,使用酶(葡萄糖氧化酶(GOx)或漆酶(Lac))作为有机组分,磷酸盐(Cu(PO)、Co(PO)、Ni(PO))作为无机组分,在碳布上原位生长酶-磷酸盐(enzyme-M(PO)/CC)有机-无机杂化材料,探究了不同反应物浓度、反应方式、反应时间反应条件下对材料形貌、性能的影响,初步探究杂化材料的生长机理。并用所制备的GOx-M(PO)/CC作为生物阳极,Lac-M(PO)/CC作为生物阴极,构建了enzyme-Cu(PO)/CC,enzyme-Co(PO)/CC,enzyme-Ni(PO)/CC三种自供能生物传感器(Self-powered biosensor,SPB)。全文共分为三章,主要研究内容如下:(1)使用酶(GOx)或Lac)作为有机组分,磷酸铜(Cu(PO))作为无机组分,采用常温液相化学共沉淀法在碳布上原位生长enzyme-Cu(PO)杂化材料,通过 SEM、TEM、EDS、XRD、FT-IR 和 UV-vis 等多种表征技术对所制备杂化材料的微观形貌、晶体结构、化学组成进行分析,初步探究了 enzyme-Cu(PO)/CC的生长机理。用所制备的葡萄糖氧化酶-磷酸铜/碳布(GOx-Cu(PO)/CC)作为生物阳极,漆酶-磷酸铜/碳布(Lac-Cu(PO)/CC)作为生物阴极,构建了自供能生物传感器,并通过电化学工作站进行电化学性能分析。所构建的SPB成功用于葡萄糖的检测,其功率密度为547.97 μW·cm,线性检测范围为0.1-0.5 mM,最低检出限为2.05 μM。因为enzyme-Cu(PO)的三维花状结构使得比表面积增大,可能暴露更多酶活性位点,更易于与待测底物接触,使得所开发的自供能生物传感器的传感性能、稳定性及功率密度得以提升。同时也证明了enzyme-Cu(PO)有机-无机杂化材料可以提高自供能生物传感器的功率密度。(2)为了进一步探究有机-无机杂化材料中不同金属离子对功率密度的影响,选取对葡萄糖有催化作用的钴离子(Co)和镍离子(Ni),以其磷酸盐为无机组分,酶(GOx和Lac)作为有机组分,制备了 enzyme-Co(PO)/CC和enzyme-Ni(PO)/CC杂化材料,同时也探究了不同反应时间、不同反应物浓度等条件对杂化材料形貌的影响,通过SEM、TEM、EDS、XRD、FT-IR和UV-vis等多种表征技术对所制备杂化材料的微观形貌、晶体结构、化学组成进行分析,使用电化学工作站对enzyme-Co(PO)自供能生物传感器、enzyme-Ni(PO)/CC自供能生物传感器的电化学性能进行分析。所开发的SPB也成功用于葡萄糖的检测。enzyme-Co(PO)自供能生物传感器的功率密度为596.21 μW·cm,线性检测范围为 0.01-2.0 mM最低检出限为 1.11 μM。enzyme-Ni(PO)/CC 自供能生物传感器的功率密度为771μW·cm,线性检测范围为0.025-0.6 mM,最低检出限为0.902μM。对比三种SPB,其中enzyme-Ni(PO)/CC自供能生物传感器功率密度的提升幅度最大,可能是因为Cu对葡萄糖的催化作用是需在碱性条件下有大量OH-参与,而本论文所构建的SPB均是在酸性条件下不利于反应进行;Co和Ni在反应过程中会生成对葡萄糖有催化作用的Co和Ni,但生成Ni的过程要更加简单,因此enzyme-Ni(PO)杂化材料构建的SPB的功率密度提升幅度最大。将所构建的enzyme-Ni(PO)/CC SPB进行初步小型化设计,减小所占体积。使用enzyme-M(PO)/CC构建的SPB在生物医学、生物催化、食品检测、医学检测领域都有着广泛的应用前景。

关键词：有机-无机杂化材料葡萄糖氧化酶漆酶磷酸盐自供能生物传感器

基于酶生物燃料电池与目标物诱导阴极电子受体释放的自供能miRNA生物传感器研究

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基于酶生物燃料电池与目标物诱导阴极电子受体释放的自供能miRNA...

基于阴离子交换策略的自供能生物传感平台超灵敏检测肝素

第十三届全国电分析化学学术会议

作者：盖盼盼谷成成侯婷李峰青岛农业大学化学与药学院

基于酶生物燃料电池(EBFC)的自供能生物传感器是一种以电池性能输出作为分析检测信号的一类传感器,该电池输出信号与被检测分析物浓度成比例关系。MicroRNA(miRNA)近年来已成为用于检测多种癌症的诊断和预后评估的重要生物标志物。因此... 详细信息

基于酶生物燃料电池(EBFC)的自供能生物传感器是一种以电池性能输出作为分析检测信号的一类传感器,该电池输出信号与被检测分析物浓度成比例关系。MicroRNA(miRNA)近年来已成为用于检测多种癌症的诊断和预后评估的重要生物标志物。因此,设计基于EBFC的自供能生物传感器,实现miRNA简单、方便、高灵敏、高特异性检测非常必要。本研究核心为EBFC的构建及自供能传感的设计。如图1所示,以碳纳米管/纳米金/葡萄糖氧化酶(CNTs/AuNPs/GOx)作为生物阳极催化葡萄糖氧化,产生电子,对阴极进行自供能传感的设计,以[Fe(CN)]作为电子受体,并将其封装于介孔硅(MSN)孔中,目标miRNA的互补链(ssDNA)封孔。当无目标miRNA时,[Fe(CN)]被ssDNA封装于MSN孔中,此时阴极电子受体[Fe(CN)]含量相对较少,电池输出电压低;当目标miRNA存在时,由于DNA互补配对作用,目标miRNA与互补链形成刚性双螺旋结构,远离MSN表面,孔内的[Fe(CN)]释放到体系中得到电子发生还原反应。目标miRNA的引入释放出更多[Fe(CN)],电压输出信号增大,用于定量检测目标miRNA。

关键词：酶生物燃料电池自供能生物传感器 miRNA检测

来源： cnki会议评论

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分析化学 2020年第9期48卷 1141-1148页

作者：盖盼盼孔新珂赵仕凡李峰青岛农业大学化学与药学院

基于生物燃料电池的自供能生物传感器,目标物浓度直接与生物燃料电池的输出信号成比例关系,因此,自供能生物传感平台具有无需额外电源、装置简单、利于微型化、抗干扰能力强等突出优势。但是,生物燃料电池中常用的生物催化剂易失活,导... 详细信息

基于生物燃料电池的自供能生物传感器,目标物浓度直接与生物燃料电池的输出信号成比例关系,因此,自供能生物传感平台具有无需额外电源、装置简单、利于微型化、抗干扰能力强等突出优势。但是,生物燃料电池中常用的生物催化剂易失活,导致自供能生物传感器性能不佳。本研究采用分子印迹多孔金阳极为生物阳极,实现对葡萄糖的选择性催化,以Fe（CN）;/聚咪唑鎓盐（Pim）/还原氧化石墨烯复合物Fe（CN）;/Pim/rGO为生物阴极,构建生物燃料电池,集成阴离子交换策略与分子印迹技术,发展了一种基于生物燃料电池的自供能生物传感方法,实现了肝素（Hep）的超灵敏检测。当无目标分子Hep存在时,基于生物燃料电池的自供能生物传感器可获得较高的开路电压与输出功率;加入Hep后,由于聚合物Pim对Hep的亲和性远大于Fe（CN）;,导致Fe（CN）;从复合物Fe（CN）;/Pim/rGO中释放,致使生物阴极得电子活性物质减少,阴极还原信号明显减弱,此时,开路电压和功率输出显著降低。基于此,可通过检测生物燃料电池输出性能的变化实现Hep的超灵敏检测,检出限低至0.01 pmol/L,低于目前文献中报道的检测方法。

关键词：生物燃料电池分子印迹多孔金阴离子交换原理肝素铁氰化钾/聚咪唑鎓盐/还原氧化石墨烯复合物自供能生物传感器

生物酶触发自供能纸芯片的制备与电化学生物传感

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生物酶触发自供能纸芯片的制备与电化学生物传感

作者：刘悦济南大学

学位级别：硕士

随着科学技术的进步,近年来,便携式自供能纸芯片在公共卫生安全、食品安全和环境污染的监控与治理等领域具有重要意义。在监控过程中,传统的电化学生物传感器需要外部电源和复杂设备,不能实现目标物现场快速监测。由于纸具有孔隙高、成... 详细信息

随着科学技术的进步,近年来,便携式自供能纸芯片在公共卫生安全、食品安全和环境污染的监控与治理等领域具有重要意义。在监控过程中,传统的电化学生物传感器需要外部电源和复杂设备,不能实现目标物现场快速监测。由于纸具有孔隙高、成本低、柔性好及处理方便等优点,为可植入或便携式的装置提供了有利的工具。由于纳米材料具有生物相容性好、比表面积大、导电率高等优点,为制备高性能自供能纸芯片奠定了基础。基于酶生物燃料电池的自供能电化学生物传感器可通过电化学方式收集环境中的能量为现场监测设备供电。然而,生物酶负载量少和电子转移速率低均会极大地降低传感器的性能。本文利用生物酶的触发作用与不同纳米材料结合,以设计自供能电化学生物传感器为目标。通过在纸纤维表面原位生长不同结构的金属纳米颗粒或金属氧化物纳米材料作为导电基底,结合酶与生物分子调控电化学传感的信号响应,完成生物酶触发自供能纸芯片的制备,具体开展了以下工作:(1)借助纸三维可设计性及多孔特性,设计具有弹出结构的自供能折纸传感器。采用原位生长法,制备金纳米粒子,提高纸基底导电性并增加生物分子固定量,结合链杂交反应负载葡萄糖氧化酶(GOx)及通过目标物诱导释放,通过改变弹出结构方向,利用不同位置GOx催化葡萄糖氧化反应,实现差分脉冲伏安法/超级电容器双模式检测。引入超级电容器获得放大信号读出,构建高输出信号的生物酶触发自供能电化学生物传感器。(2)设计基于酶生物燃料电池的自供能三维折纸生物芯片,用于前列腺特异性抗原的监测。在纸上构筑关键组件GOx/金纳米颗粒/ZnO纳米棒混合阳极和胆红素氧化酶/Pt Ni纳米立方体(BOD/Pt Ni NCs)共轭适体功能化生物阴极。制备金纳米颗粒功能化纸芯片,解决纸电极导电性差的问题,增大纸芯片有效活性面积。采用二次原位生长法,在阳极制备ZnO纳米棒,增加酶的负载量,提高酶氧化还原中心与电机表面之间的电子转移速率。通过胆红素氧化酶/Pt Ni纳米立方体生物共轭物协同催化O还原并调控电化学响应,实现对目标物高信号输出,拓宽自供能纸芯片在医疗诊断领域中的应用。

关键词：生物酶燃料电池自供能生物传感器纸芯片纳米材料

石墨炔基自供能传感平台的构建及microRNAs灵敏检测

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石墨炔基自供能传感平台的构建及microRNAs灵敏检测

作者：刘吟冰信阳师范大学

学位级别：硕士

MicroRNAs（miRNAs）与肿瘤的形成、发展、转移等各个环节息息相关。然而，由于microRNAs具有序列短和易降解的特点，且在细胞中表达水平低，对体外研究环境要求苛刻，导致其分析研究面临巨大挑战。基于酶生物燃料电池的自供能生物传感... 详细信息

MicroRNAs（miRNAs）与肿瘤的形成、发展、转移等各个环节息息相关。然而，由于microRNAs具有序列短和易降解的特点，且在细胞中表达水平低，对体外研究环境要求苛刻，导致其分析研究面临巨大挑战。基于酶生物燃料电池的自供能生物传感器具有无需外加电源、燃料来源广泛、设备构造简单、抗干扰能力强等独特优势，在环境监测和生物分析等方面极具研究价值。但由于蛋白壳层的阻隔，自供能传感平台的活性位点通常远离电极表面，导致该传感系统电池密度低、功率密度低、稳定性差。作为碳材料家族的璀璨新星，石墨炔具有生物相容性好、比表面积大、导电性佳和活性位点丰富等特点，可作为理想的酶底物材料用于提升酶负载量和传感界面电子传递速率。目前，为了实现高选择性目标识别和高灵敏度目标检测，多种生物放大技术已广泛应用于生物传感器中。本论文的主要工作是基于新型纳米材料石墨炔结合如核酸扩增、DNA 纳米机器和基因编辑等生物放大技术，同时外接超级电容器辅助进行物理信号放大，并利用智能手机读取信号响应，构建了高特异性、高灵敏的自供能生物传感器用于癌症标志物实时、便携化检测。　　1．与单信号放大策略相比，将多个信号放大策略结合能提供足够的灵敏度与效率。制备了具有良好热稳性和高电子迁移率的超薄石墨炔纳米材料，利用 3D DNA Walker介导的CRISPR/Cas12a级联信号放大策略，构建了一种灵敏的自供能生物传感器用于灵敏检测miRNA-141，并探索其相关电极反应和信号放大机制。在0.50?1.0 ×104 fmol/L 的线性范围内，传感器检出限低至 0.14 fmol/L（S/N = 3）。此外，利用智能手机读取瞬时电流信号响应，实现了对 miRNA-141 的实时检测，有望为癌症患者的早期诊断和预后提供有效方法。　　2．同时检测两种肿瘤标志物 miRNAs 对于实现高灵敏度的分析，提高肿瘤早期诊断准确性具有重要意义。利用新型薄层石墨炔纳米材料良好的电化学活性和适配体特异性识别功能构建了自供能生物传感器，以灵敏检测两种miRNAs。结果表明，miRNA-21 和 miRNA-141 在 0.050?1.0×104和 1.0?1.0×104 fmol/L 的线性范围内，检出限分别为 0.02 和 0.3 fmol/L（S/N = 3）。构建的传感平台提高了肿瘤早期诊断的灵敏性，在早期肿瘤诊断中具有广阔的应用前景。　　3．基于纸基的分析设备与电化学检测的结合可允许更快的响应和更高的灵敏度，以更好的满足智能便携式等特点。通过将自供能生物传感器集成到纸质电极上，建立了一种便携化传感技术，用于检测复杂样品中的两种肿瘤标志物 miRNAs。采用高性能超薄石墨炔作为电极基底，用于增加酶负荷，加快电子传递速率，显著提高检测灵敏度。同源 DNA 纳米机器巧妙地利用信号开关循环和放大靶 miRNAs。智能手机接收实时瞬时电流值，实现双目标检测。结果表明，在 0.050?1.0×104和0.10?1.0×104 fmol/L的线性范围内，miRNA-21和miRNA-155的检出限分别为0.017和 0.15 fmol/L（S/N = 3）。构建的纸质传感平台为可穿戴、便携、实时生物传感提供新的思路。

关键词：自供能生物传感器石墨炔生物放大策略核酸检测