论文部分内容阅读
光电化学（Photoelectrochemistry,PEC）生物传感是一种以PEC活性材料为转换器,生物分子为识别元件的新型生物分析技术。作为PEC生物传感的一个重要分支,PEC免疫传感器是一种将PEC分析技术和免疫分析技术相结合而建立的检测方法。由于PEC分析技术利用特定波段或波长的光作为激发源,且以电流或电压作为检测信号,不仅可以降低背景信号、提高灵敏度,而且可以在较低的应用电位下对目标物进行分析。因此,PEC免疫传感器具有灵敏度高、特异性强、选择性好、响应速度快、易于小型化等独特的优点。在PEC免疫传感器中,光电转换效率高、生物相容性好、稳定性强的光活性材料对传感器的性能至关重要。作为众多光活性材料中的一种,氧化锌（ZnO）纳米材料不仅具备以上优点,而且还具有电子迁移率高、结构易调整和易于合成等特性。但ZnO带隙较宽的,光电子的寿命短、电子-空穴对易复合,而且对可见光的利用率较低,限制了其在PEC生物分析、光催化等领域的应用。本论文主要通过不同方法对ZnO进行改性合成性能优异的ZnO基纳米复合材料,并结合不同的信号放大策略及分析模式发展PEC免疫传感新方法,实现了对前列腺特异性抗原（Prostate-specific antigen,PSA）、心肌肌钙蛋白I（Cardiac troponin I,c Tn I）等疾病标志物的灵敏、准确检测。主要创新点及研究内容如下:1.基于金属/半导体结构中等离子体金属的原位刻蚀构建了灵敏检测PSA的PEC免疫传感平台。在ZnO-Ag-Bi2S3纳米复合材料中,Ag NPs可以充当电子继电器,加速ZnO和Bi2S3之间的电子转移。此外,由于Ag NPs的局域表面等离子体共振（LSPR）效应,ZnO-Ag-Bi2S3纳米复合物在可见光区具有较强的吸光度和良好的光电流响应。然而,H2O2作为刻蚀等离子体金属Ag的试剂,可使Ag NPs的作用减弱,导致光电流强度降低。利用葡萄糖氧化酶（GOx）负载的ZIF-67@Ca O2标记PSA-Ab2,形成信号放大探针。在氧气存在的条件下,GOx可以催化葡萄糖生成H2O2和葡萄糖酸。葡萄糖酸可以降解包裹在Ca O2外层的ZIF-67,导致Ca O2暴露于水环境中,并与H2O作用,生成H2O2。酶促反应及水解反应生成的H2O2协同刻蚀ZnO-Ag-Bi2S3纳米复合物中的Ag NPs,导致其LSPR效应减弱。此外,LSPR诱导的电磁场的形成受到阻碍,不利于电子转移。在优化条件下,该免疫传感器在PSA的浓度为1.0×10-14-1.0×10-8 g m L-1范围内展现出良好的线性关系,检出限低至5.0×10-15g m L-1。将该方法应用于人血清样品中PSA含量的测定,取得的检测结果与信阳市中心医院检测结果基本吻合,加标回收率在83.0%-110%之间,RSDs不高于8.4%。2.利用Ag2S/ZnO敏化结构作为光活性基质,化学氧化还原循环（CRCA）作为信号放大策略以及劈裂式的分析模式发展了一种用于超灵敏检测c Tn I的PEC免疫分析新方法。为了实现劈裂式的分析模式,将免疫反应置于96孔板中进行。在免疫反应过程中,碱性磷酸酶（ALP）和anti-c Tn I功能化的金纳米颗粒（ALP-Au NPs-anti-c Tn I）可水解L-抗坏血酸-2-磷酸三钠盐（AAP）生成信号物分子抗坏血酸（AA）。随后,将生成的AA加入检测底液中作为电子供体捕获Ag2S/ZnO中受光激发而产生的空穴。光生空穴具有很强的氧化性,可导致AA氧化,从而引发化学氧化还原循环反应。缓冲溶液中加入的还原剂三（2-羧基乙基）膦（TCEP）可还原AA的氧化产物（DHA）,促进信号物种AA的再生。AA的循环再生使得光电流响应增强,达到信号放大的目的。此外,采用劈裂分析模式可避免传统分析模式费时费力、扩散势垒大以及对生物分子造成不可逆损伤等不利因素,消除免疫识别反应与PEC检测之间的干扰。该劈裂式免疫传感器对c Tn I的检出限为3.0×10-15 g m L-1,线性范围1.0×10-14-1.0×10-9 g m L-1。对于人血清样品中c Tn I的检测结果与信阳市中心医院提供的检测报告相吻合,加标回收率为80.0%-110%,RSDs低于6.4%。由于氧化还原循环反应以及光活性物质的多样性,该工作为PEC生物分析的发展开辟了新的方向。3.在鲁米诺化学发光体系的基础上,将数字万用表和电容器整合到电路中,构建了用于高灵敏检测PSA的便携式PEC免疫传感平台。该传感平台以ZnO-Au-Cu2O纳米材料为光阳极,铂电极为阴极。为了实现对光电活性物质的激发,利用介孔二氧硅纳米球（MSNs）为载体和GOx为封闭剂,将鲁米诺分子封装在MSNs的内部。在适当的条件下对鲁米诺进行可控释放,其与H2O2作用产生化学发光作为激发光源。合成Ab2-GOx-MSNs-luminol探针,通过免疫识别反应将探针引入到电极表面,缩短激发光源与光受体之间的距离。当检测溶液中存在葡萄糖时,GOx可以氧化葡萄糖生成鲁米诺化学发光体系的共反应剂H2O2。同时,GOx从MSNs的表面脱离,导致鲁米诺被释放出来。此外,在溶液中加入适量的辣根过氧化物酶,可增强激发光源的能量。当光纳米材料被激发,会生成电子-空穴对,并在外电路中产生电流。流经外电路中的电子,被暂存于电容器中并对电容器进行充电。当充电完成后,电容器放电会对电信号进行放大。最后,放大的信号会直接显示在数字万能表上,并传输至电脑。在优化条件下,该便携式传感器对PSA的检出限为4.5×10-15 g m L-1,线性检测范围为1.0×10-14-1.0×10-7 g m L-1。该传感器可应用于实际样品的检测,其加标回收率为88%-117%,RSDs低于9.3%。本工作为生物标志物的高灵敏分析提供了一种简便的途径,且为PEC检测装置的微型化提供了思路。