论文部分内容阅读
随着纳米材料在生物医学检测领域广泛而深入的应用,开发低成本、高灵敏度及生物相容性良好的检测用纳米材料成为医疗行业的迫切需求。传统的生物学检测方法具有灵敏度低、成本高及耗时长等缺点,所使用的试剂（如荧光分子等）通常寿命较短,且在低浓度时输出信号较弱。在生物标志物的检测中,贵金属材料（金、银等）应用较为广泛,如荧光检测、拉曼检测及免疫指示等。但贵金属的大范围推广使用很大程度上受到生产成本和生产工艺的限制,且在一些应用中存在不稳定的现象（如拉曼检测）。因此对于贵金属材料,在实际应用中仍需要解决其高成本、低稳定性和可重复性差等缺点。相比之下,ZnO由于制备工艺简单、成本低廉、信号稳定（如荧光增强应用中）等优点而在众多纳米材料中脱颖而出。目前,ZnO在生物检测中的众多领域都有应用,如作为荧光增强基底用于肿瘤标志物检测、作为拉曼增强基底用于小分子检测和以微纳结构为基础的基底对循环肿瘤细胞（CTC）的捕获等。但是受限于ZnO自身的缺陷（非特异性吸附强、发射易淬灭等）,ZnO需经过功能化修饰才能得到更好的应用。基于上述问题,本课题从ZnO的功能化着手,采用微流控化学合成法构筑ZnO微纳阵列基底,以有机修饰或无机修饰策略改变其表面特性以增强基底的检测性能,或通过调控其结构的生长获得三维（3D）微纳结构用于CTC的捕获等。具体内容如下:1.以ZnO的荧光增强特性为基础,结合亲水性修饰策略在玻璃毛细微通道内构建了超灵敏CEA检测体系。首先研究了ZnO纳米棒在微通道内的生长机理,并发现高长径比的ZnO纳米棒阵列具有较高的荧光增强能力。随后通过静电层层自组装的方式对其进行亲水化修饰,亲水后的ZnO纳米棒阵列表现出有效的抗非特异性吸附能力。最后在特异性抗体接枝后,1 h之内可对最低浓度为0.1 pg/mL癌胚蛋白（CEA）完成检测。该微流控器件具有作为即时诊断（POC）工具并应用于日常检测场景中的潜力。2.在ZnO荧光增强作用的基础上,通过原位涂覆荧光增强材料实现基底对荧光分子的双重放大效应。首先以间歇反应法在微通道内成功构筑了ZnO纳米棒阵列,随后经过优化得到最佳荧光增强性能的阵列。在证明了金属-有机骨架材料（MOFs）中的沸石咪唑酯骨架结构材料（ZIF-8）对荧光分子具有荧光增强作用后,对结合了CEA及荧光分子的ZnO纳米棒阵列进行了ZIF-8的原位涂覆,发现在ZnO和ZIF-8对荧光分子的双重放大作用下,1 h之内可对0.01–100pg/mL的CEA完成检测。该微流控器件表现出对CEA更灵敏的检测性能。3.利用ZnO的电子转移特性,将ZnO纳米棒阵列与二维Ti3C2Tx纳米片结合,通过电子转移作用实现对检测物的高灵敏检测。首先以微流控化学合成法制备了倾斜ZnO纳米棒阵列,利用滴涂法在ZnO阵列表面沉积了二维Ti3C2Tx纳米片得到ZnO/Ti3C2Tx基底。通过优化得到表面增强拉曼散射（SERS）性能最好的基底后,在对罗丹明6G（R6G）的检测中获得了与贵金属基底相媲美的检测性能,且对miRNA的检测限达到了10-7 M。密度泛函理论（DFT）模拟及计算发现ZnO与Ti3C2Tx及Ti3C2Tx与罗丹明6G（R6G）分子之间存在的界面电荷转移作用对检测灵敏度的提高有较大贡献。该方法制备简单、所得基底性能优异,在无贵金属使用的情况下对有机小分子取得了高灵敏的检测结果,对于开发非贵金属SERS基底提供了全新的思路。4.利用ZnO结构的易调控性,通过在微通道内构筑3D多级结构阵列并进行有机功能化修饰,实现了CTC的高效捕获及可控释放。首先在玻璃毛细管内壁构筑了3D多级Zn（OH）F/ZnO纳米林阵列,之后采用“grafting from”策略成功修饰了温敏性聚合物-聚（N-异丙基丙烯酰胺）（PNIPAAm）,通过进一步共轭修饰CTC特异性抗体anti-EpCAM后,在全血样本检测中对CTC的捕获效率高达81%。此外,PNIPAAm的引入降低了基底对细胞的非特异性捕获,增加了基底的细胞相容性。该方法提供了简单制备3D多级结构的思路及对ZnO进行界面有机功能化的有效策略。