基于二维碳化钛材料在传感界面的构建及其在疾病标志物检测中的应用

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过氧化氢(H2O2),多巴胺(DA)和尿酸(UA)等生物分子与人体生命活动息息相关,这些生物分子含量的异常代表着人体内某一代谢过程的以及某些生理活动或生理活性物质的异常变化,可作为疾病标志物用来判断机体健康状况。因此,相关疾病标志物的高效、精准检测在疾病快速诊断和探究生命过程等方面具有重大意义。目前检测疾病标志物的检测技术存在各种弊端,由于疾病标志物通常以非常低的浓度存在,且与各种蛋白质或其它生物分子混合,使得它们的特异性检测变得比较困难。因此,我们需要开发新的检测疾病标志物的工具来解决上述问题。近年来,传感技术具有快速、便携、可重复利用、操作简单以及灵敏度高等优点,已广泛应用在疾病标志物的检测领域。目前,对于疾病标志物传感器的制备的关键问题是如何构建电活性高且稳定性好的传感界面,可应用于单个或者多个疾病生物分子的实时监测。研究表明,将新型二维纳米材料应用于传感技术可用于解决这个关键问题,将传感界面的构建建立在许多新型二维纳米结构的基础上可实现相关疾病标志物的高效检测。二维过渡金属碳化物-碳化钛(Ti3C2)作为一种新型二维过渡金属片状半导体材料,拥有高比表面积、丰富的表面官能团以及与不同的疾病生物标志物特异性结合的特点。因此,我们通过将传感技术与新型二维纳米材料Ti3C2集成来构建高效且稳定的疾病生物标志物的传感界面,解决H2O2在生物体内的含量过低以及尿酸和多巴胺在血清中易被抗坏血酸干扰难以实现特异性检测等难题。然而,少层Ti3C2纳米片具有易发生卷曲以及正电位下易被氧化导致检测活性下降等缺点,限制了其在疾病生物标志物检测中的充分应用。针对上述问题,我们将氮原子引入Ti3C2之中,制备了具有粗糙孔道结构的氮掺杂的Ti3C2,不易发生卷曲,并且在正电位下并没有氧化峰的出现,实现了H2O2的超灵敏检测以及正电位下尿酸和多巴胺的特异性检测。本文所开展的研究工作主要如下:(1)基于少层和多层的Ti3C2纳米片负载的银纳米酶传感器实现了对于H2O2的超灵敏检测。探究了多层风琴状和少层片状两种不同厚度的Ti3C2材料表面官能团的差异,并研究了Ti3C2材料表面官能团对负载的银纳米酶形态和分散状态的影响,并以这两种Ti3C2/Ag材料为电极修饰材料分别对H2O2进行检测。通过对比发现,少层Ti3C2负载的银纳米酶尺寸更小,分散更均匀且形状规则,表现出更高的催化活性。最终,基于少层Ti3C2负载银纳米酶制备的传感器成功实现了对于乳腺癌细胞释放的H2O2的实时监测,因此该传感器具有成为实时监测癌细胞氧化应激状态工具的潜力。(2)基于少层Ti3C2材料的导电性好且负载的银纳米酶催化活性更好,但易发生卷曲同时易氧化引起传感器性能下降的问题,本文以安全无毒的多巴胺为氮源,采用高温碳化的方法,成功将氮元素引入了Ti3C2中,制备了具有独特孔道结构,且导电性高、稳定性好的新型氮掺杂Ti3C2材料,并将其作为银纳米酶的新的优良载体,使用电沉积的方式在其表面生长了独特的三维花状银纳米结构,该复合材料表现出更好的H2O2检测性能,具有宽的线性范围(0.05-35 m M)和较低的检出限(1.53μM),成功在血清、自来水、隐形眼镜护理液等真实样品中实现了对于H2O2的检测,证明了它是一种有潜力的快速现场疾病诊断和环境监测等手段。(3)利用氮掺杂Ti3C2材料高催化活性高、导电性好的特点,成功构建了基于该材料的传感界面用于大剂量抗坏血酸的存在下同时检测多巴胺和尿酸。研究表明N-Ti3C2所带的负电荷以及π-π堆积相互作用都提高了电极在中性环境中对于多巴胺和尿酸进行同时检测的能力。具有还原性和弱酸性的大剂量抗坏血酸对多巴胺和尿酸的氧化还原过程都有促进作用,该传感器有效解决了在真实血清样品中抗坏血酸对多巴胺和尿酸的干扰问题以及Ti3C2在正电位下易氧化的问题,表明其具有实际应用于临床代谢性疾病以及神经退行性疾病快速诊断的潜力。
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