以MOFs为信号源或信号分子载体的心肌肌钙蛋白I电化学传感器

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金属-有机框架(MOFs)是一种具有独特结构和性能的多孔金属有机杂化材料,具有比表面积大,孔隙率和负载效率高、易于功能化、孔径可调、更好的生物相容性和生物降解性等优点。基于这些优点,MOFs在电化学传感器方面作为电化学传感界面和信号分子备受关注。心血管疾病是严重威胁人类健康的一种疾病,而心肌肌钙蛋白I(cTnI)被认为是诊断心肌损伤的金标准。因此,构建简便、快速、灵敏的cTnI电化学传感器在心肌损伤类疾病的早期诊断、发展进程和预后等方面具有重要的实际应用价值。本论文分别采用金属离子溶出结合电化学沉积法、液相外延生长法、水热法制得了铜-单宁酸(Cu-TA),锆基MOF(Ui O-66),NH2-MIL-53(Fe)/多巴胺(DA)三种MOF材料,并基于材料本身良好的电化学/电催化活性构建了三种制备简单、灵敏度高的电化学传感器用于心脏疾病标志物cTnI的检测,丰富了cTnI的检测方法。主要研究工作如下:(1)通过金属离子溶出结合电化学沉积策略在玻碳电极表面现场合成了具有氧化还原活性的铜-单宁酸(Cu-TA)金属有机杂化材料,再利用TA中儿茶酚基团的强还原性特征将氯金酸(HAu Cl4)在Cu-TA原位还原成纳米金(Au NPs)。进一步以Au NPs为固定载体组装上cTnI抗体分子(anti-cTnI),构建了新型的cTnI传感界面。电化学实验表明,传感界面呈现出良好的对应于Cu-TA中Cu(I)/(II)的氧化还原峰,而当传感界面anti-cTnI与目标物cTnI通过免疫反应形成复合物后,不导电分子膜的增厚形成离子屏障层阻碍了电解质离子在电极表面的扩散,进而导致Cu-TA电化学活性降低,从而可实现对cTnI的免标记检测。定量分析结果显示,在最佳条件下,该传感器中Cu-TA的电流响应信号与目标物浓度(10 fg/m L~10 ng/m L)的负对数呈现出良好的线性关系,检测限为0.65 fg/m L。同时,结果显示,该传感器呈现出良好的选择性,血清实际样品cTnI检测回收率为98.3%~102%。(2)通过金-硫键在裸金电极(Au E)表面自组装上一层对巯基苯甲酸(p-MBA),接着采用液相外延生长方法,通过配位作用将锆离子(Zr4+)固定在电极表面,再利用Zr4+与对苯二甲酸(PTA)中羧基(-COOH)的配位作用在电极表面现场制备了锆基MOF(Ui O-66)。采用扫描电镜、X-射线衍射、X-射线光电子能谱等技术对液相外延生长法制备的Ui O-66形貌和结构进行了表征。进一步利用磷酸基团与Zr4+的强配位作用将5’-PO43-修饰的cTnI核酸适配体自组装到Ui O-66表面,构建了一种新型的传感界面。电化学实验表明,Ui O-66具有过氧化氢酶催化性能,可催化H2O2还原,而当适配体与cTnI作用形成复合物后,通过位阻屏障效应会抑制Ui O-66对H2O2的催化响应,从而可用于cTnI的识别和检测。在100 fg/m L~100 ng/m L范围内,该传感器的催化电流与目标物浓度的负对数呈现出良好的线性关系,检测限为13 fg/m L。该传感器对cTnI具有良好的选择性,可用于人体血清样品中cTnI的检测。(3)采用水热法制备了NH2-MIL-53(Fe)MOF材料,再利用配体2-氨基对苯二甲酸中羧基(-COOH)与多巴胺(DA)氨基(-NH2)上的酰胺化缩合,合成了电活性NH2-MIL-53(Fe)/DA复合物;进一步将含5’-PO43-的cTnI核酸适配体通过配位作用修饰到NH2-MIL-53(Fe)/DA表面,得到具有电化学活性的cTnI识别材料。同时,在玻碳电极表面电化学制备金纳米颗粒(Au NPs),再固定上cTnI抗体分子。当cTnI抗体在电极表面通过免疫反应吸附了cTnI分子后,可进一步通过适配体化学吸附NH2-MIL-53(Fe)/DA材料,从而得到对应于DA的signal-on的电化学响应。通过该异元夹心结构,可实现对cTnI的灵敏检测。分析结果表明,在10 fg/m L~100 ng/m L范围内,信号强度与cTnI浓度负对数呈良好线性关系,检测限为0.92 fg/m L。该传感器具有良好的选择性,这为检测人血清中的cTnI提供了一种可行的技术。
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