新型抗干扰光电化学生物传感器的构建及应用

新型抗干扰光电化学生物传感器的构建及应用近年来,对于生物分子的高灵敏检测技术在临床诊断、食品安全和环境保护等诸多领域已经被广泛研究,不同的检测手段如电化学、光化学等可以完成对于目标生物分子的准确、灵敏检测。

新兴的光电化学测试平台,结合良好的光电活性材料可以作为在化学/生物传感和生物成像方面的优秀探针。

半导体纳米材料,在经过长期的基础科学和材料功能研究后,仍具有进一步开发的巨大潜力。

对于测试平台所面临的生物复杂介质中非特异性吸附问题,需构建具有抗干扰性能的传感模式。

本文制备了基于半导体纳米材料的光电化学抗干扰生物传感体系,从不同检测物及不同抗干扰模式系统地研究了光电化学模式下的复杂介质中目标物的准确灵敏检测。

本论文的主要研究内容分为以下三个部分。

（1）发展了基于两性离子多肽的抗污染IgE光电化学生物传感器。

在各种纳米材料中应用掺杂量子点是分析化学生物/化学传感及生物成像检测中的一个新兴研究模式。

通过引入过渡金属离子Mn²⁺掺杂的CdS纳米晶,增强光电极的电荷分离,抑制电子-空穴对重组,明显增加光电流响应。

通过共价连接的方法将人免疫球蛋白E（IgE）适配体以及两性离子多肽固定到
ITO/TiO₂/CdS:Mn/光电极上,固定的两性离子多肽具有一定的抗污染性能,能够使传感界面形成抗污染表面而阻碍蛋白质的非特异性吸附。

通过适配体DNA链捕获IgE前后光电流的变化程度对IgE进行检测,从而制备了具有抗污染性能的光电化学IgE生物传感界面,线性范围为1.0×
10²⁵.0×10⁶ pg/mL,最低检测限为28
pg/mL。

该传感器能实现在复杂生物介质中高选择性、高灵敏度的检测。

（2）构建了基于抗污染多肽的肿瘤细胞光电化学传感器。

对于癌症研究中能够快速检测肿瘤细胞并精确诊断治疗具有重大意义。

基于传感器受复杂介质中生物大分子非特异性吸附的问题,提出了一种基于两性离子多肽的抗污染光电化学细胞传感器。

在裸导电玻璃（ITO）上依次修饰二氧化钛纳米颗粒（TiO₂ NPs）和ZnIn₂S₄纳米晶（ZnIn₂S₄ NCs）,通过光电材料复合结构增大光电转换效率,形成ITO/TiO₂/ZnIn₂S₄电极作为光电化学传感器基底。

光电化学基底避免了引入有毒元素如Cd、Ru和Te,确保细胞安全。

在光电极上修饰AS1411适配体和两性离子多肽,抗污染的两性离子多肽能够阻碍细胞培养液中大分子蛋白质的非特异性吸附,在捕获细胞时由于细胞空间位阻作用及DNA链弯曲使得电极表面电子传递受阻,导致光电流明显下降。

制备的光电化学细胞传感器对HeLa细胞检测具有较高的灵敏度,线性范围宽为1.0×10²¹.0×10⁶ cells/mL,检测限为34cell/mL。

由于两性离子多肽具有良好的抗污染性能,在生物介质中实现了明显抑制蛋白质的非特异性吸附,对诊断治疗具有良好的特异性、重现性和稳定性。

（3）发展了基于传感分离的抗干扰凝血酶光电化学传感器。

在研究抗干扰传感模式中,将传感电极与生物探针分离开来,从体系制备上杜绝了生物介质中还原性物质与光电活性材料结合造成的电荷交换作用。

采用传感分离的方法,在光阳极上引入无机光电活性材料
TiO₂/CdTe复合结构,沉积PEDOT导电聚合物,增强基底光电流信号;生物阴极首先沉积还原型氧化石墨烯（RGO）增大电极导电性,通过壳聚糖（CS）、戊二醛（GLD）的共价链接作用固定凝血酶适配体。

避光处理生物阴极,使其不受光照影响,减少因光照导致的识别探针生物结构性能变化。

这种传感分离策略有效避免了光阳极受实际生物样品中共存还原物质的干扰产生的影响,通过适配体与凝血酶的特异性识别作用产生光电流信号变化,从而达到准确检测凝血酶的作用,检测范围可达0.1¹00 pM,最低检测限为32fM。

该方法的应用对于抗干扰生物传感模式的研究开辟了一种新的道路,并有望被广泛应用于医学治疗诊断、环境检测、生物研究等痕量分析领域。