电化学基因分型及免疫分析方法的研究

论文摘要

蛋白质和核酸是生命体中最重要的两类生物大分子,核酸碱基的突变是诱导许多遗传病的原因,而各种蛋白质在人体内含量的变化直接反映了人体新陈代谢情况,已成为疾病诊断的主要依据。因此,对蛋白质和核酸的检测分析在生命科学研究和疾病的临床诊断领域具有十分重要的意义。并且,建立高灵敏的蛋白质和核酸分析方法,一直以来都是分析科学家们的研究重点之一。电化学检测技术由于有灵敏度高、所需仪器简单、检测成本低、易于实现微型化等优点,使得以电化学检测为基础的生物分析技术具有极其广阔的应用前景。因此,在本研究论文中,我们发展了几种电化学基因分型技术以及蛋白质检测方法:（1）建立了一种基于缺口-连接反应原理以及表面杂交技术的电化学基因分型方法,提出了均相酶介导等位区分与表面杂交检测的分析结构,解决了电化学界面核酸酶反应效率与忠实性的困难,并实现了β-地中海贫血基因中-28位点SNP的检测。在该方法中,我们设计了一对与目标检测链互补的引物探针与目标DNA杂交后,形成了一个在突变位点处有一个单碱基缺口的杂交体,该杂交体在有与突变点碱基配对的碱基存在下,能在聚合酶和连接酶的作用下发生缺口填充和连接,使两条分离的引物探针连接起来。当连接产物与目标DNA解离后,利用在两条引物探针中预先设计好的两段互补的碱基序列之间发生分子内杂交而形成具有茎-环的发夹状二级结构。该发夹结构产物能被固定在金电极表面的捕获探针捕获到电极表面,这样,在引物探针中的电活性标记物二茂铁被吸附到电极表面且能极大程度地靠近电极表面,从而产生氧化-还原电流,达到高灵敏、高选择性基因分型的目的。（2）发展了一种基于等位特异性延伸的电化学SNP基因分型方法。该方法通过硫辛酸修饰寡核苷酸探针在金电极表面的自组装来构建传感器界面。在当引物与模板DNA完全匹配时,在聚合酶作用下发生等位特异性延伸反应,产生二茂铁标记型产物,当延伸产物在与目标链解离后,在溶液中能发生分子内杂交而形成发夹结构。从而使该产物能特异性地与电极上的捕获探针杂交。在电化学检测过程中,在电极上可以检测出二茂铁的特征还原峰,且峰电流大小与目标链浓度对数成线性关系。而当引物末端碱基与模板DNA上的不匹配时,等位特异性延伸反应不能进行,捕获探针与电活性探针在设定的反应温度下无法进行杂交,因而在电化学检测中,电极上检测不出二茂铁的还原峰。从而实现对SNP的检测。并且使用该方法成功地实现了对β-地中海贫血基因的-28位点SNP基因分型的检测。（3）制备了一个以多克隆抗体作为捕获探针,并以一个由血小板衍生化生长因子-BB（platelet-derived growth factor BB,PDGF-BB）适体启动的、嵌入有亚甲基兰电活性物质的环形长链DNA作为检测探针的高灵敏的电化学免疫传感器,并利用该传感器实现了对PDGF-BB的定量检测。首先,PDGF抗体通过交联剂和金电极表面的单层巯基丙酸自组装膜发生共价交联而被固定到电极表面。当有目标分析物PDGF-BB存在时,固定到电极表面的抗体能特异性地识别PDGF-BB并与之结合,从而将目标分析物捕获到电极表面。与此同时,我们将一个在5’端含有PDGF适体的引物在聚合酶的作用下沿着一个单链环形质粒DNA模板分子延伸,形成了一个在5’端含有PDGF适体的环形双链DNA检测探针,并在环形DNA的双链结构中嵌入电活性物质亚甲基兰。而环形检测探针的适体部分能够和被捕获到电极上的PDGF-BB发生特异性结合而将环形检测探针捕获到电极表面,从而可以使大量的电活性物质亚甲基兰在电极表面发生富集,产生较强的氧化还原电流。根据产生的电流的大小可实现对PDGF-BB的定量检测。PDGF-BB浓度在50 pg mL-1500 ng mL-1范围内,传感器的响应电流与PDGF-BB浓度有很好的线性相关性。（4）建立了一种以微间距插指电极阵列（MGIDEA）为基础电极,结合酶的生物催化银沉积反应来放大分析信号的高灵敏检测前列腺特异性抗原（prostate specific antigen,PSA）的电学式免疫传感器。该传感器采用传统的夹心酶联免疫反应模式来完成免疫反应:PSA140单克隆抗体作为捕获抗体通过和微间距插指电极表面的硅烷化层发生共价交联被固定到微间隙里面。当有目标分析物PSA和碱性磷酸酶（alkaline phosphatase,ALP）标记PSA103单克隆抗体存在的情况下,在电极表面和捕获抗体一起通过特异性免疫反应形成一个捕获抗体PSA140/目标分析物PSA/检测抗体PSA103-ALP的夹心复合物。而吸附到电极表面的ALP能够催化其底物抗坏血酸磷酸酯（AAP）水解并生成相应的还原剂抗坏血酸（AA）,AA能使银增强溶液中的银离子还原成银单质并沉积到微间距电极表面,导致微间距电极阵列上相邻两个手指导通,从而增加微间距电极的电导率。而根据欧姆定律,通过微间距电极的电流和施加到微间距电极上的电压成线性关系,且其斜率就代表电导率。因此,根据用线性扫描方法得到的伏安曲线就能很快计算出微间距电极的电导率并用于PSA的定量分析。当PSA浓度在1.0 fg mL-11.0 ng mL-1范围内变化时,检测到的导电率与PSA浓度成线性关系。（5）提出了一种利用在纳米铂表面进行酶催化铜沉积来抑制铂催化氢还原活性的原理来构建电化学免疫传感器的方法。通过在聚苯乙烯微孔板上的夹心免疫分析过程,将ALP标记的抗体通过分析目标物人免疫球蛋白G（ human immunoglobulin G,hIgG）与固定在微孔内的捕获抗体之发生夹心免疫反应,在微孔内形成免疫夹心复合物——捕获抗体/hIgG/ALP标记的抗体,从而将ALP捕获到微孔内。然后利用ALP催化其对应底物AAP水解产生还原剂AA,使酶催化沉积溶液中的Cu2+还原并沉积到玻碳电极上的纳米铂表面上,抑制铂催化氢还原的活性,从而使铂表面的氢溶出电位发生负移。根据氢溶出电位发生负移的大小可实现对目标分析物hIgG的定量分析。在优化好的实验条件下,氢溶出电位负移的大小与hIgG的浓度在10 pg mL-11.0μg mL-1范围内有很好的线性关系。（6）发展了一种基于纳米金介导生物沉积铂并以铂催化氢还原伏安法进行检测的高灵敏电化学免疫分析新方法。该方法采用夹心免疫分析模式,实现了hIgG的测定。首先在聚苯乙烯微孔板中固定羊抗人IgG捕获抗体,当hIgG被捕获后,ALP标记的hIgG抗体修饰的纳米金探针通过与hIgG形成夹心复合物而结合在微孔板上。结合的ALP催化AAP底物水解产生AA,后者在纳米金的介导下还原铂离子沉积于纳米金表面。沉积的金属铂用王水[V（HNO3）:V（HCl）=1:3]溶解并电富集于玻碳电极上。通过测定铂催化氢还原产生的阴极电流,可实现hIgG的高灵敏分析。催化氢还原电流与hIgG浓度对数在100 ng mL-12μg mL-1及100 pg mL-1100 ng mL-1之间呈线性相关性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 诸论
• 1.1 电化学生物传感器的工作原理
• 1.2 生物分子在基础电极表面的固定
• 1.3 电化学生物传感器的分类
• 1.3.1 电化学酶传感器
• 1.3.2 电化学免疫传感器
• 1.3.3 电化学DNA 传感器
• 1.3.4 微生物传感器
• 1.3.5 组织电极与细胞器传感器
• 1.4 电化学生物传感器分析灵敏度提高的方法
• 1.4.1 基于酶的生物放大作用
• 1.4.2 基于纳米技术的信号增强
• 1.5 电化学生物传感器的发展前景
• 1.6 本研究论文的工作内容
• 第2章 基于缺口-连接反应以及固相表面杂交检测的高灵敏电化学基因分型方法的研究
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂和仪器
• 2.2.1.1 试剂
• 2.2.1.2 仪器
• 2.2.2 二茂铁和硫辛酸修饰氨基标记的核酸链
• 2.2.3 缺口-连接反应
• 2.2.4 捕获探针在金电极上的组装
• 2.2.5 固相表面杂交及电化学检测
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 基于缺口-连接反应以及固相表面杂交的电化学检测原理
• 2.3.2 传感器的电流响应
• 2.3.3 传感器在不同扫描速度下的电化学行为
• 6^3-/4-溶液中的交流阻抗特性'>2.3.4 传感器在Fe（CN）₆^3-/4-溶液中的交流阻抗特性
• 2.3.5 引物探针序列的设计优化
• 2.3.6 工作曲线
• 2.3.7 干扰实验
• 2.3.8 基因组DNA 的分析
• 2.4 小结
• 第3章 基于等位特异性延伸对电化学SNP 基因分型方法
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂和仪器
• 2-dUTP 以及硫辛酸修饰氨基标记的捕获探针'>3.2.2 二茂铁修饰NH₂-dUTP 以及硫辛酸修饰氨基标记的捕获探针
• 3.2.3 等位基因特异性延伸反应
• 3.2.4 传感器的制备及检测
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 基于等位基因特异性延伸的电化学SNP 基因分型方法原理
• 3.3.2 探针的设计和 DNA 杂交反应条件的选择
• 3.3.3 等位基因特异性延伸反应中Fc-dUTP 掺入比例的优化
• 3.3.4 传感器对野生型目标链的检测
• 3.3.5 传感器在不同扫描速度下的电化学行为
• 6^3-/4-溶液中的交流阻抗特性'>3.3.6 传感器在Fe（CN）₆^3-/4-溶液中的交流阻抗特性
• 3.3.7 工作曲线
• 3.3.8 基因组DNA 的分析
• 3.4 小结
• 第4章 聚合酶延伸形成适体启动的环形DNA 检测探针用于电化学免疫传感器的构建
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂和仪器
• 4.2.1.1 试剂
• 4.2.1.2 仪器
• 4.2.2 由聚合酶延伸的适体启动的环形DNA 检测探针的制备
• 4.2.3 免疫传感器的制备
• 4.2.4 免疫分析过程及其电化学检测
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 免疫传感器的分析原理
• 4.3.2 传感器的电流响应
• 4.3.3 免疫传感器表面的阻抗表征
• 4.3.4 电活性探针的选择
• 4.3.5 离子强度对响应电流的影响
• 4.3.6 PDGF-BB 定量分析
• 4.3.7 实际样品分析
• 4.4 小结
• 第5章 基于微间距电极阵列上酶催化银沉积原理的电学免疫传感器用于蛋白质的超灵敏检测
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂和仪器
• 5.2.1.1 试剂
• 5.2.1.2 仪器
• 5.2.2 碱性磷酸酶标记PSA 单克隆抗体的制备
• 5.2.3 抗体修饰微间距电极阵列的制备
• 5.2.4 基于微间距电极的免疫传感器的分析过程
• 5.2.5 传感器的电学检测
• 5.2.6 以纳米金为晶种的银增强方法的免疫分析过程
• 5.2.6.1 纳米金的制备
• 5.2.6.2 纳米金标记单克隆抗体
• 5.2.6.3 以纳米金为晶种的银增强方法的免疫分析PSA
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 基于微间距插指电极阵列电学免疫传感器的分析原理
• 5.3.2 免疫传感器的扫描电镜（SEM）和能量散射谱（EDS）表征
• 5.3.3 基于微间距电极阵列的免疫传感器用于PSA 的检测
• 5.3.4 传感器的选择性及实际样品检测
• 5.4 小结
• 第6章 基于铂纳米颗粒修饰电极上酶催化沉积铜抑制氢溶出的电化学免疫传感器
• 6.1 前言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 试剂与仪器
• 6.2.1.1 试剂
• 6.2.1.2 仪器
• 6.2.1.3 溶液的配制
• 6.2.2 实验过程
• 6.2.2.1 铂纳米颗米修饰的玻碳电极的制备
• 6.2.2.2 免疫分析过程
• 6.2.2.3 免疫测定过程
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 分析原理
• 2PtCl₆ 浓度的优化'>6.3.2 铂纳米颗粒修饰电极制备过程中H₂PtCl₆浓度的优化
• 6.3.3 酶催化铜沉积反应条件的优化
• 6.3.4 免疫传感器分析性能的探讨
• 6.4 小结
• 第7章 一种基于纳米金介导生物沉积铂催化氢还原的电化学免疫分析新方法
• 7.1 前言
• 7.2 实验部分
• 7.2.1 试剂与仪器
• 7.2.1.1 试剂
• 7.2.1.2 仪器
• 7.2.1.3 溶液的配制
• 7.2.2 实验过程
• 7.2.2.1 纳米金的制备
• 7.2.2.2 纳米金标记GAHIgG-ALP（GNP-GAHIgG-ALP）
• 7.2.2.3 GAHIgG 包被的微孔板的制备
• 7.2.2.4 免疫分析过程
• 7.2.2.5 测定方法
• 7.3 结果与讨论
• 7.3.1 分析过程的讨论与结果
• 7.3.2 富集时间和电位对催化电流大小的影响
• 7.3.3 纳米金上铂催化沉积反应条件的优化
• 7.3.4 GNP-GAHIgG-ALP 的培育时间
• 7.3.5 性能分析
• 7.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 致谢