基于自增强型光敏材料和目标物循环放大构建光致电化学生物传感器研究

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光致电化学(PEC)分析是近几年发展起来的一种具有选择性好、灵敏度高、仪器设备简单等优点的检测技术。而在此基础上发展起来的PEC生物传感器不仅继承了PEC分析固有的优点,而且兼具了生物识别的高特异性,在临床相关疾病标志物的检测方面表现出潜在的应用前景。在PEC生物检测体系中,光电流信号来源于具有光电活性的光电材料,因此,设计合成具有高光电转换效率的光电材料是构建高性能PEC传感器的关键步骤之一。在原有材料的基础上进行修饰或改性,构建自增强体系(光电活性材料以自主方式加快电子传递以增强光电流响应信号)是提高传感器性能的便捷有效途径。常见的自增强体系包括原位生成光电材料电子供/受体、构建电子供受一体及形成氧化还原循环。同时,结合信号放大策略可以进一步增强光电响应信号,从而显著提高传感器的检测灵敏度。基于此,本文从制备具备高光电转化效率的自增强型光电材料出发,结合简单、高效的信号放大策略构建了性能优异的PEC生物传感器用于与结肠癌相关的mi RNA-182-5p的灵敏分析。具体研究工作如下:1.基于功能化氮化碳结合高效双循环链置换放大策略构建PEC生物传感器在这项工作中,合成了一种Na+和K+共掺杂氮化碳的新型自增强型光电活性材料(Na+,K+-C3N4),并结合高效TSD双循环扩增构建了PEC生物传感器实现对mi RNA-182-5p的灵敏检测。巧妙地,Na+,K+-C3N4显示出光催化模拟葡萄糖氧化酶(GOx)的特性,即在光照下,Na+,K+-C3N4能催化检测底液中稳定的葡萄糖在其表面原位产生高浓度的H2O2作为自身电子供体,有效增强了电子供体的局部浓度并缩短了电子供体和光电材料间的电子传输距离,光电转化效率增强。此外,Na+和K+共掺杂减小了氮化碳材料的带隙,有效提高了光吸收效率和光催化效率。同时,设计了一种新型高效TSD双循环扩增策略,将少量目标物转化为丰富的敏化剂MB标记的两种输出DNA,能够进一步增强Na+,K+-C3N4的光电流信号。最终,利用二茂铁(Fc)的猝灭作用和亚甲蓝(MB)的敏化作用构建的“on-off-on”PEC生物传感器有效降低了背景信号,从而实现了检测限低至3.3 fmol·L-1的高灵敏分析,为PEC生物传感器在疾病诊断方面的应用提供了新的途径和可能。2.基于金属卟啉复合物结合聚合异构化循环扩增构建PEC生物传感器四(4-氨基苯基)卟啉(TPAPP)具有良好的光捕获能力且能产生阴极信号,将其用于阴极PEC生物传感器的构建可有效降低检测干扰物质的影响。然而,易堆积、弱亲水性等缺点限制了其在水溶液中的响应信号。基于此,我们通过在TPAPP的卟啉中心共同掺杂Fe3+和Cu2+制备了类过氧化物酶活性的光电材料,在加速电子转移的同时催化H2O2原位产生高浓度电子受体氧气,从而获得显著增强的PEC信号。结合链置换单循环、3D DNA walker的离子剪切及聚合和异构化循环扩增(PICA),能够得到拥有大量重复片段长的单链DNA,显著增加TPAPP-Fe/Cu信号探针的固载量并形成长DNA杂交体,利用双链丰富的沟槽嵌入卟啉锰(Mn PP),由于Mn PP对TPAPP-Fe/Cu的敏化作用和对H2O2的催化,进一步增强了PEC响应信号和目标转化效率。该方法所构建的传感器背景信号低,对mi RNA182-5p的检测限能达到0.2 fmol·L-1,为高效信号探针的固载量和检测体系的多重放大提供了新思路。
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