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基于新型固定化材料的压电及阻抗传感技术用于癌症等标志物的检测

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第1章绪论

1.1纳米科技与纳米材料

1.2纳米材料及其应用

1.2.1纳米金颗粒

1.2.2碳纳米管

1.2.3生物可降解聚合物纳米颗粒

1.2.4羟基磷灰石纳米复合物颗粒

1.3压电免疫传感器

1.3.1压电传感器理论基础

1.3.2压电免疫传感器的分类

1.3.3压电免疫传感界面的构建方法

1.4电化学交流阻抗技术

1.5本研究论文的构想

第2章基于纳米金-羟基磷灰石复合材料的甲胎蛋白压电免疫传感器研究

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1仪器与试剂

2.2.2纳米金胶和纳米羟基磷灰石的制备

2.2.3纳米金-羟基磷灰石复合材料(GNP/HA)的制备

2.2.4压电传感探针的制备

2.2.5压电免疫测定

2.2.6电化学阻抗测量

2.2.7再生过程

2.3结果与讨论

2.3.1纳米金-羟基磷灰石复合材料的特性

2.3.2压电免疫探针的构建

2.3.3电化学阻抗谱分析

2.3.4不同纳米颗粒在压电探针表面的覆盖率

2.3.5不同固定化方法的性能比较

2.3.6实验参数的优化

2.3.7传感器的性能分析

2.3.8样品分析

2.3.9传感器的再生

2.4小结

第3章聚赖氨酸/羟基磷灰石/碳管纳米复合物用于CA19-9压电免疫传感器检测

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1仪器与试剂

3.2.2聚赖氨酸/羟基磷灰石/碳管纳米复合物的制备

3.2.3压电传感探针的表面修饰

3.2.4压电检测方法

3.3结果与讨论

3.3.1聚赖氨酸/羟基磷灰石/碳管纳米复合物的制备与表征

3.3.2压电传感探针的制备

3.3.3免疫反应频率响应特征

3.3.4实验条件的优化

3.3.5分析行为特征

3.3.6实际样本分析

3.4小结

第4章基于羟基磷灰石/壳聚糖纳米复合物的CA125压电免疫传感器研究

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1仪器与试剂

4.2.2 HA/CS纳米复合物的制备

4.2.3 CA125免疫传感器的制备

4.2.4压电免疫检测方法

4.3结果与讨论

4.3.1 HA/CS纳米复合物的制备与表征

4.3.2压电免疫探针的制备

4.3.3免疫反应的频率响应特征

4.3.4抗体分子的包被

4.3.5 CA125的定量检测

4.3.6实际样品的检验

4.3.7传感器的再生

4.4小结

第5章纳米金-碳酸钙复合材料的制备及用于CA15-3的压电免疫检测

5.1前言

5.2实验部分

5.2.1仪器与试剂

5.2.2金纳米颗粒和碳酸钙微颗粒的制备

5.2.3纳米金-碳酸钙复合材料的制备

5.2.4压电免疫传感探针的制备

5.2.5 QCM测定方法

5.3结果与讨论

5.3.1纳米金-碳酸钙复合材料的制备与表征

5.3.2压电免疫传感探针的制备

5.3.3抗体固定的免疫活性对比

5.3.4主要实验条件的优化

5.3.5压电传感器的性能分析

5.3.6样品分析

5.4小结

第6章基于酵母细胞作固定化材料的总前列腺特异性抗原压电免疫传感器研究

6.1前言

6.2实验部分

6.2.1仪器与试剂

6.2.2基于酵母细胞的抗体固定化程序

6.2.3戊二醛固定化方法

6.2.4压电免疫检测方法

6.3结果与讨论

6.3.1基于酵母细胞的固定化方法

6.3.2实验条件的优化

6.3.3抗体免疫活性的考察

6.3.4不同固定化条件的传感特性比较

6.3.5传感器的再生

6.3.6实际样本分析

6.4 小结

第7章纳米金-蛋白A介导抗体定向固定的压电传感技术及界面电化学特性研究

7.1前言

7.2实验部分

7.2.1仪器与试剂

7.2.2纳米金胶的制备(同第二章)

7.2.3纳米金胶标记PA的制备

7.2.4压电传感性能的检测

7.2.5电化学特性分析

7.3结果与讨论

7.3.1金标PA的制备

7.3.2抗体的固定化条件

7.3.3压电免疫传感器的频率响应特征

7.3.4敏感界面的电化学性质

7.4小结

第8章基于酶催化放大的法拉第阻抗谱和压电传感技术用于弓形虫IgG抗体的检测

8.1前言

8.2实验部分

8.2.1仪器与试剂

8.2.2电极修饰

8.2.3分析程序

8.2.4电化学测定

8.2.5压电免疫测定

8.3结果与讨论

8.3.1免疫传感界面的构建及Tg-IgG的分析过程

8.3.2法拉第阻抗响应特征

8.3.3循环伏安特性

8.3.4 QCM分析

8.3.5酶催化放大免疫反应的条件

8.3.6 Tg-IgG的定量测定

8.3.7质控和回收率实验

8.4小结

第9章氧化铱膜增强的阻抗免疫传感技术用于癌胚抗原的快速检测

9.1前言

9.2实验部分

9.2.1仪器与试剂

9.2.2阻抗免疫探针的制备

9.2.3电化学检测方法

9.3结果与讨论

9.3.1固定化界面的构建

9.3.2电化学阻抗特性

9.3.3循环伏安特性

9.3.4阻抗测量中实验参数的优化

9.3.5不同固定化条件的检测性能比较

9.3.6临床样品分析

9.4小结

结论

参考文献

致谢

附录A攻读学位期间发表的学术论文目录

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摘要

利用化学和生物传感技术检测疾病标志物进行临床疾病的准确、快速诊断以及流行病的现场筛查与控制，是当前医学上较新型且极具吸引力的热门研究课题之一。压电声波免疫传感技术是结合了压电效应的高灵敏性和免疫反应的高特异性的一种生物传感技术，可响应晶体表面质量的负载以及体系(溶液)的密度、粘度、电导率和介电常数等多种信号的变化。以简便、快速、灵敏、成本低、无需示踪物标记、免样品纯化、免放射和可进行自动化实时数据输出等优点，在临床疾病诊断的生化检验方面显示出诱人的应用前景。此外，由于电化学阻抗传感器具有制造简单、灵敏度高等优点而被广泛研究，并已在生物检测中得到了逐步的应用。然而，电极表面有效的生物活性组分固定、提高传感器灵敏度以及选择性等问题，长期以来阻碍了生物传感器的进一步发展和应用。其中，有效生物活性组分的固定化方法是构建性能优良生物传感器的关键。近年来，纳米材料得到广泛研究与应用，将纳米材料应用于生物传感器的制备可以较大程度地提高传感器的响应性能。本文利用纳米材料优良的物理、化学、电催化性能以及它们良好的生物相容性制备了多种不同形貌的纳米材料，将这些纳米材料组装到电极表面用于生物传感界面的构建，可实现对目标物自动化、高灵敏的传感测定。主要内容如下： (1)提出了一种基于纳米金．羟基磷灰石复合材料的抗体固定化方法，用于压电传感器的界面设计(第2章)。通过对甲胎蛋白(AFP)抗体抗原体系的检测来表达传感器的检测性能，分别利用透射电镜、扫描电镜和紫外可见光谱对复合材料进行表征，并且使用压电频率响应和电化学交流阻抗技术对固定抗体及其免疫反应的动力学过程进行了表征。该抗体固定化方法与单独使用纳米金固定法或单独使用羟基磷灰石吸附法相比较，具有固定抗体的量多且免疫反应活性高等优点。其定量检测AFP的线性范围为15.3～600.0 ng mL-1。 (2)开发了一种高灵敏检测糖抗原19-9的压电免疫传感技术(第3章)．以化学共沉淀方法合成聚赖氨酸/羟基磷灰石/碳纳米管(PLL/HA/CNT)复合纳米颗粒，并利用该复合物构建了一种检测糖抗原19-9的压电免疫传感界面。实现了对浓度范围为12-5～270.0 U mL-1CA19-9的检测。 (3)报道了一种可逆的肿瘤标志物CA125压电免疫传感诊断技术(第4章)。首先合成羟基磷灰石/壳聚糖(HA/CS)纳米复合物，采用扫描电镜(SEM)和透射电镜技术(TEM)对其进行形貌表征。以纳米复合物膜覆盖压电晶体表面，并将此与组装的纳米金结合，构建成一种易于清洗的界面以吸附固定CA125抗体，再借BSA抑制背景非特异性吸附的干扰，实现了对浓度范围为15.3～440.0 UmL-1CA125的定量检测。 (4)发展了一种纳米金-碳酸钙界面吸附的生物分子固定化技术(第5章)。在中性溶液中通过静电作用力，将纳米金颗粒组装于多孔的无机矿物碳酸钙颗粒表面形成纳米金一碳酸钙复合材料(GNP-CaCO3)。采用该复合物作为CA15-3抗体分子的固定化界面，进行压电免疫传感器的构建。由于GNP和CaCO3的良好生物相容性及其协同作用，用该复合物固定CA15-3抗体时，能较好保持抗体的免疫活性。结果表明，所制备的传感器可测得CA15-3的血清浓度范围为8.0-266.0 U mL-1。 (5)发展了一种基于细胞固定化技术的灵敏压电免疫传感技术(第6章)。采用在石英晶振表面自组装一层半胱胺膜以沉积酵母细胞，借此生物膜构建传感界面固定PSA抗体，并同传统的戊二醛固定化方法进行比较。结果表明，酵母细胞能为抗体分子的固定提供合适的生理环境，使其具有更高的生物活性和更优良的免疫反应能力。可获得血清PSA浓度线性检测范围为5.0～604.0 ng mL-1。 (6)提出了一种纳米金-蛋白A介导的定向固定抗体的新方法(第7章)。以纳米金为载体标记蛋白A(PA)，用于介导抗体在压电石英晶体金电极表面的定向固定。该方法避免了传统平板金电极引起的蛋白变性，显著提高了蛋白A固定化量及其生物活性。以补体C1q抗体为模型，采用压电传感技术实时监察了此敏感界面的免疫反应过程，并分别利用循环伏安和电化学交流阻抗技术对金标PA固定抗体及其免疫反应的动力学过程进行了表征。实验结果表明，该固定化方法所构建的免疫传感技术平台可推广用于设计其它各种免疫传感器的敏感界面。 (7)研制了一种基于酶催化沉积放大效应的压电、电化学阻抗传感技术用于弓形虫IgG抗体(Tg-IgG)的检测(第8章)。先通过免疫夹心反应，将酶标二抗(anti-Tg-IgG-HRP)固定到电极表面，通过HRP催化双氧水氧化3,3-二氨基联苯胺在电极表面形成不溶性沉积物，从而放大压电和电化学阻抗检测信号。结果表明，电极表面沉积物的量取决于目标分析物Tg-IgG的浓度和生物催化沉积允许的时间。该技术实现了电子转移阻抗对浓度稀释比范围为1:8000～1:200的Tg-lgG优良检测，检测限为1:9600浓度稀释比。 (8)发展了一种基于氧化铱膜增强的阻抗免疫传感技术用于癌胚抗原的快速、灵敏检测(第9章)。采用金电极表面同时电沉积IrOx和蛋白A三维网络膜，定向固定癌胚抗原的抗体。结果表明，抗体的固定量与PA的浓度和IrOx网络薄膜沉积的时间密切相关。在优化的实验条件下，可获得电子转移阻抗对CEA的线性响应范围为36.2-460.0 ng mL-1，检测下限为28.0 ng mL-1。采用该阻抗型免疫分析方法对癌症病人的临床样品进行分析，其结果与传统的化学发光免疫分析方法的结果基本吻合，表明该检测CEA方法可望用于临床诊断。

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