用于疾病诊断及环境毒物检测的微阵列及微流控芯片新方法研究

论文摘要

微型化与集成化是现代分析化学的重要发展方向。其中为了提高分析检测的灵敏度、增加检测通量，满足实时现场分析的需要，降低分析成本及样品需要量，如何实现整个分析检测装置的微型化已成为当前分析化学研究的重要发展前沿之一，而且从某种意义上来说，集成化也是为着微型化这个发展方向服务的。与分析化学密切相关的微分析系统主要包括以下两方面：一是以发展成熟的微电子机械加工系统（MEMS）技术作为加工平台来实现的分析功能在芯片上的微型化，即微阵列芯片；另外便是以微流控技术为基础的微流控芯片。这两类芯片所具有的样品及试剂需要量少、分析速度快、易实现阵列化和集成化等优点而引起了广大研究工作者的关注。本论文正是基于以上的研究背景，围绕如何能够将微分析系统应用于实际样品分析，使实验室的研究工作最终能够最终与大众的现实生活要求相接轨这一目标，开展了微阵列及微流控芯片的相关新方法研究，并用于疾病诊断及环境毒物实际样品的检测。论文工作具有较强的原始创新性，并具有学术价值与现实意义。全文就以下几个方面进行展开：第一章首先就微分析系统的发展起源、分类及发展现状进行了综述。主要探讨了基于MEMS技术及微流控技术的微分析系统的重要发展前沿和主要的检测手段。最后对本论文的研究思路及创新点进行了概述。第二章构建了基于叉指状微电极阵列硅基芯片的免疫分析系统，并将之应用于人血清样品中的肝纤维化标志物含量的测定。利用抗体—吡咯共聚技术，成功地在利用MEMS工艺加工的微电极阵列硅基芯片的不同工作电极阵列表面固定上不同的疾病标志物抗体，从而成功实现了对三种疾病标志物抗原：透明质酸（HA）、Ⅳ型胶原（Ⅳ-C）及层粘连蛋白（LN）在ng/mL水平的同时定量检测。该阵列免疫传感器芯片具有高灵敏度、高特异性、多通道同时检测及低样品消耗量等优点，有望应用于临床诊断、食品分析及环保检测等领域。第三章在集成三电极体系硅基芯片上，开展了基于部分绝缘聚邻苯二胺-抗体膜的芯片阵列对多分析物的免疫分析研究。利用MEMS工艺批次加工制作的硅基芯片上集成有六个金圆盘工作电极、一个金对电极及一个Ag/AgCl参比电极。通过相应抗体、邻苯二胺在相应工作电极表面的共聚，从而在硅基微芯片的金工作电极阵列上成功构建了基于部分绝缘膜的多通道免疫分析系统。该免疫分析系统同本实验室前期利用完全绝缘的聚邻苯二胺所构建的免疫传感器相比，对目标抗原具有更宽的线性检测范围。对实际人血清样品的检测结果与瑞金医院利用商用放免试剂盒检测所得的结果间具有很好的一致性。第四章开展了基于等电聚焦—凝胶化（IEF-GEL）过程来实现微流控芯片中蛋白质定点固定及研制微酶反应器等方面的研究。此处所提出的IEF—GEL策略具有以下优异的特征。首先，可以通过不同的两性电解质来形成可调节的pH梯度，从而实现蛋白质在微流控芯片通道内不同位置的定点固定。通过同时定点固定具有不同等电点的蛋白质，还可望在微流控芯片内实现多步生化反应。其次，蛋白质低温溶胶—凝胶包埋条件温和，可以较好的保持它的生物活性。最后，此处所提出的IEF—GEL策略对少量低浓度蛋白质的定点固定具有额外的优势，尤其是对于由于蛋白质浓度过低，需要在固定前进行浓缩这种情况。这是因为在常规的微流控芯片中，溶液消耗量特别少（本工作中只需约300纳升），并且芯片内等电聚焦具有蛋白质浓缩的作用。此处所提出的IEF—GEL策略还可以运用于毛细管内蛋白质的定点固定，并且可望用于免疫分析、微酶反应器或其它基于蛋白质固定的生物分析电泳领域。本章最后将乙酰胆碱酯酶（AChE）固定在微流控芯片通道中，实现了对底物的酶催化响应，可望将其最终应用于环境中有机磷农药等毒物的检测分析。第五章作为对前面所述工作的有效补充，首先构建了集成三电极体系的丝网印刷电极。实验中以碳印刷油墨来替代常用的银印刷油墨作为导电基底，从而在实现电极体系集成化的同时，使得丝网印刷电极的制作成本大大降低。利用所构建的集成三电极体系的丝网印刷电极，首先通过微分脉冲阳极溶出伏安分析（DPASV）初步将其应用于痕量铅离子的检测，证实集成三电极体系的丝网印刷电极具有很好的电极性能。其次开展了无介体丝网安培型生物传感器以流动注射法来检测高盐环境中的有机磷农药这方面的工作。此处所构建的流动池的体积为100μL，样品需要量仅为20μL，一定意义上实现了分析检测体系的微型化。亲水及多孔型的低温氧化铝溶胶—凝胶在电极表面被用于包埋固定乙酰胆碱酯酶，从而提供了一种环境友好的微环境来包埋固定酶，使其活性保存时间较长，并且还有效促进了水解产物硫代胆碱与电极之间的电子传递。这种电子传递促进作用有效降低了硫代胆碱的检测过电位，从而使杂质干扰最小化。此处所构建的流动注射—电化学检测系统成功地应用于实际水样的检测分析，特别是高盐海水样品，有效的反映了这些样品中由农药污染所引起的生态毒性情况。第六章首先对论文的工作进行了全面的总结，并在前面几章的工作基础上，在方法学上提出了可进一步深入的方向，主要就蛋白质等生物大分子识别阵列、微流控芯片、重金属离子传感器及有机磷农药等环境毒物小分子的监测这几个方面提出了一些建议，以期对进一步的研究工作有所裨益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微分析系统的分类
• 1.2.1 微分析系统的发展起源
• 1.2.2 微分析系统的分类与定义
• 1.2.3 微阵列芯片与微流控芯片的关系
• 1.3 微分析系统研究中的重要发展前沿
• 1.3.1 微阵列芯片
• 1.3.2 微流控芯片
• 1.4 论文的的设计思路及主要创新性
• 参考文献
• 第二章 基于叉指微电极阵列硅基芯片的免疫分析系统研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 叉指电极阵列微芯片的制作
• 2.2.2 试剂与设备
• 2.2.3 抗体—聚吡咯共聚过程
• 2.2.4 蛋白质—聚吡咯膜表面的荧光显微及质量变化表征
• 2.2.5 免疫传感器芯片对血清中疾病标志物的检测
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 电化学定点共聚过程的表征
• 2.3.2 免疫传感器芯片对抗原的检测
• 2.3.3 免疫传感器芯片测量血清样品中的抗原浓度
• 2.4 结论
• 参考文献
• 第三章 集成三电极体系硅芯片上基于部分绝缘聚邻苯二胺膜的多分析物免疫分析
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 集成电极阵列硅芯片的设计与制作
• 3.2.2 试剂和设备
• 3.2.3 抗体与聚邻苯二胺膜的共聚
• 3.2.4 电化学交流阻抗分析
• 3.2.5 肝纤维化标志物的免疫测量
• 3.3.结果与讨论
• 3.3.1 部分绝缘抗体—PoPD免疫传感器的表征
• 3.3.2 荧光显微镜及扫描电镜考察部分绝缘的抗体—PoPD免疫传感器的性质
• 3.3.3 免疫分析芯片的性能
• 3.3.4 免疫分析芯片对样品的检测
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 基于定点蛋白质固定的新策略和微流控芯片酶反应器研究
• 第一节 等电聚焦—凝胶化过程实现微流控芯片中蛋白质的定点固定
• 4.1.1 引言
• 4.1.2 实验部分
• 4.1.2.1 试剂
• 4.1.2.2 PMMA微流控芯片的制作
• 4.1.2.3 PMMA芯片通道表面修饰过程及IEF-GEL过程的实现
• 4.1.2.4 IEF-GEL过程的荧光显微表征
• 4.1.2.5 固定葡萄糖氧化酶反应器的电泳—电化学检测
• 4.1.3 结果与讨论
• 4.1.3.1 功能化微流控通道内通过IEF-GEL产生浓缩包埋的蛋白条带
• 4.1.3.2 IEF-GEL策略构建固定化微流控酶反应器
• 4.1.3.3 IEF-GEL过程中PVA的影响
• 4.1.3.4 IEF-GEL过程后载体两性电解质的消除
• 4.1.4 结论
• 第二节 固定乙酰胆碱酯酶微流控反应器的初步研究
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 实验部分
• 4.2.2.1 试剂
• 4.2.2.2 PMMA微流控芯片的制作
• 4.2.2.3 PMMA芯片通道内乙酰胆碱酯酶的固定
• 4.2.2.4 固定乙酰胆碱酯酶反应器的电泳—电化学检测
• 4.2.3 结果与讨论
• 4.2.3.1 硫代胆碱检测电位的初步确定
• 4.2.3.2 乙酰胆碱酯酶微反应器的初步响应
• 4.2.4 结论
• 参考文献
• 第五章 集成三电极体系丝网印刷电极用于环境中毒物的检测
• 第一节 微分脉冲阳极溶出伏安法检测痕量铅的初步研究
• 5.1.1 引言
• 5.1.2 实验部分
• 5.1.2.1 仪器设备与试剂
• 5.1.2.2 丝网印刷过程
• 5.1.2.3 微分脉冲阳极溶出伏安法实验步骤
• 5.1.3 结果与讨论
• 5.1.3.1 铅离子微分脉冲阳极溶出伏安分析实验条件的优化
• 5.1.3.2 工作曲线及检测限
• 5.1.4 结论
• 第二节 无介体丝网安培型生物传感器以流动注射法检测高盐环境中的有机磷
• 5.2.1 引言
• 5.2.2 实验部分
• 5.2.2.1 设备与试剂
• 5.2.2.2 丝网生物传感器的制备
• 5.2.2.3 流动注射分析系统的搭建
• 5.2.2.4 有机磷的测量过程
• 5.2.3 结果与讨论
• 5.2.3.1 氧化铝凝胶对体系的催化与促进电子转移作用
• 2O₃-SPE生物传感器的酶动力学响应'>5.2.3.2 AChE-Al₂O₃-SPE生物传感器的酶动力学响应
• 2O₃-SPE生物传感器来监测有机磷农药'>5.2.3.3 利用AChE-Al₂O₃-SPE生物传感器来监测有机磷农药
• 5.2.3.4 生物传感器中酶活性的再生
• 5.2.3.5 实际样品分析
• 5.2.4 结论
• 参考文献
• 第六章 论文总结及进一步工作建议
• 6.1 引言
• 6.2 蛋白质等生物大分子识别阵列
• 6.3 微流控芯片
• 6.4 重金属离子传感器
• 6.5 有机磷农药等环境毒物小分子的监测
• 在校期间论文发表及专利申请情况
• 致谢