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2024年12月27日发(作者:sh脚本未预期的文件结尾)
摘要
本论文可分为两部分:
一.生物传感器中生物分子固定化方法的研究.生物传感器中生物活性物质的固定是
改善传感器性能最关键的步骤之一.传统的f司定方法如共价键合和包埋法等对同定
在传感界血i上的生物活性物质的活性影响较大,如采用静电吸附或非特异吸附来实
现生物活性物质的同定,可以很大程度上解决上述问题.本文试利用壳聚糖,改性褐
藻酸钠和纳米二氧化钛等几种=i_fi同性质的物质通过静电吸附或者非特异吸附来实
现生物活性物质的同定.
1)研制了一种基于壳聚糖和溴化氰改性褐藻酸钠凝集作用的日本血吸虫安培免
疫传感器。褐藻酸钠一抗体复合物通过静电吸附作用被凝集到含石墨一石蜡一壳聚
糖组分的电极表血,然后与抗原和酶标抗原进行竞争反应,以邻氨基酚为电子媒介,
通过测定酶催化下双氧水对其氧化的电流大小来间接测定抗原的浓度。响应电流与
血吸虫抗原在O.64—40
ttg/mL之间呈准线性关系。线性回归方程为:
卜一17.308c+34.572,相关系数r为O.985。
2)利用纳米二氧化钛颗粒与碳粉的协同作用,制备了一种高灵敏度的过氧化氢
传感器.辣根过氧化物酶通过与纳米二氧化钛之间的静电力和碳粉的非特异吸附而
同定在电极表面,以邻米二酚为电子媒介,对过氧化氧进行了测定.HRP酶的响麻电
流在2.4×10。4--3×10。7mol/L的H202的浓度范同内呈线性关系,灵敏度为o.1101
AL
mol。cm~,校正系数为0.993(n=13)。
二.酶联荧光免疫体系中底物的研究.酶联荧光免疫体系中的关键部分在于生物活性
物质的同定和荧光底物的选择.本文试发展几种新的荧光底物用于酶联荧光免疫体
系的榆测.
3)将纳米Ti02颗粒用作固定抗体的载体,以辣根过氧化物酶标记c3补体
(HRP.c3).HRP-C3与待测c3发生竞争性免疫反应,反应的HRP—C3可催化荧光底
物3,3’,5,5,.四甲基联苯胺(TMB)转化为无荧光物质,由测得TMB+H202混合底物溶
液的荧光降低的大小判断待测c3的浓度,荧光值与C3补体在6.5ng/mL到75ng/mL
之间呈准线性关系,相关系数为0.973.
4)以聚苯乙烯(Ps)制成支持体,通过疏水性非特异吸附将IgG同定在其表面,然后
与GalgG和酶标GalgG进行竞争免疫反应,以双氧水和甲哌氯丙嗪混台溶液为荧光
底液,通过测定395nm处荧光增强的多少来测定Ga]【gG的浓度.荧光响应与GalgG
浓度在2ng/mL到60ng/mL之间呈准线性关系。相关系数为0.981
关键词
生物传感器,生物分子同定化,酶联荧光免疫体系,底物
Abstract
This
thesis
was
composed
oftwo
pans.
1.Studying
the
immobilization
of
biomolecules
in
biosensor,immobilization
technologies
of
biomolecules
are
one
of
the
most
important
to
improve
the
performance
of
biosensor.To
preserve
the
biological
activity
ofbimolecular
jS
paramount.There
are
many
immobilization
methods
we
can
use,such
as
covalent
bondand
non—covalent
bond.Electrostatic
adsorption
and
non.specificadsorption
havebetfer
character
to
preserve
biologicalactivity.In
this
paper,chitosan,activated
alginate
andnano—titaniumdioxide
were
USed
to
realize
immobilization
of
biomolecules.
】)A
novelschistosoma
japonicum(sj)imunnosensor
based
On
aggregation
of
chitosanand
CNBr—activated
alginate
iS
developed.The
complex
fonTledbv
CNBr—activated
alginate
and
antibody
is
aggregated
to
thesurface
of
the
paraffin—graphite-chitosan
electrode
by
electrostatic
adsorption(coacervation).The
concentration
of
sjAg
can
be
detected
by
determining
theredox
current
of
O-aminophenol,which
oxidized
by
H202
in
the
presence
of
HRP.MoreoveL
the
immunosensorshows
some
improvedperformances
including
highsensitivity,
selectivity
and
less
non—specific
adsorption.The
sensor
exhibits
a
linear
response
to
sjAg
inthe
concentration
range
0.64
to
40
ggmL一.The
equation
can
be
expressed
as;
I=一1
7.308c+34.572.correlationCOCfncient0.985.
2)A
nano—titanium
dioxide
embedded
carbon
paste
electrode
fn-Ti02ECPE)was
developed.As
a
model
enzyme,horseradish
peroxidase
fHP.p)was
immobilized
to
electrode
surface
involvingstrong
synergic
interaction
of
the
ellzvme
with
nano-titanium
dioxide
and
graphite
powder.The
current
response
to
hydrogen
peroxide
Oil
theelectrode
was
measured
in
a
phosphate
buffer(pH
6.9)solution
using
1.2-benzenediol
to
be
the
mediator.The
response
current
ofthe
HRP
enzyme
islinear
inthe
range
between
2.4×104and
3×10“mol
L1
H202with
a
sensitivity
of0.1101
ALmol“cm。and
a
correlation
toefficient
of
0.993(n=l31.
2.
Studing
substratein
enzyme—linkfluoroimmunoassay
system.The
fluorescence
of
substrateimmediate
influences
the
sensitivity
of
fluoroimmunoassay.
3,31,5,5'-Tetramethylbenzidine
and
2-Chloro一10一[3一(4-methyl-1-piperazinyl)propyl]
-1
OH—phenothiazine(prochlorperazinel
are
used
for
the
substrateof
immunoassay.
3)A
novel
enzyme—link
fluoroimmunoassay
system
using
3,3’,5,5'-Tetramethyl
-benzidine
as
substrate
to
determine
the
complement
3(C3)was
developed.
HRP—labled
complement
3
can
catalyze
the
3,3’,5,5'-Tetramethylbenzidine
to
form
non.fluorescence
substence.The
concentrationof
C3
can
bedetermined
by
fluorescence
decreaseof
TMB
after
competitive
immunoreactions
as
flaRo—titanium
dioxide
to
be
carrier.The
fluorescence
intensity
was
measured
in
PBS
containin92,5x10。M/mL
TMB
and
5x1
o.。M/mL
H202atpH
6.8.The
sensor
exhibits
a
linear
response
to
C3
in
the
concentration
range
6.5ng/mL
to
75ng/mL,correlation
COCfficient
0.973.
4)
A
novel
enzyme-link
nuoroimmunoassay
system
using
2-Chloro-10
as
一【3-(4一methyl—I-piperazinyl)propyl]1
OH-phenothiazine(prochlorperazine)
substrate
to
determine
the
Goat
anti-lgG
was
developed
byusing
Polystyrene(PS)as
carrier.The
HRP.1abled
Goat
anti—lgG
to
cause
can
catalyze
theoxidation
of
prochlorperazine
can
the
increasing
of
fluorescence.Theconcentrationof
Goat
anti—IgG
be
determined
by
fluorescenceincreaseofPCP
after
competitive
immunoreactions.The
sensor
exhibits
a
linear
response
to
Goat
anti·IgG
in
the
concentration
range
2ng/mL
to
60nRhnL.eorrelation
coefficient
0.981.
Keywords
biosensor,immobilization
substrate.
biomolecule,enzyme—link
fluoroimmunoassay
of
system,
第一章
绪论
生物传感器是用生物活性材料(酶、抗体、抗原、DNA等)与物理化学换能
器相结合所构成的一类传感器件,是发展生物技术必不可少的一种先进的检测:[
具,各种生物传感器有以下共同的结构:包括讲或数种相关生物活性材料(生物
膜)及能把生物物质反应产生的信号转换为各种信号(如电,光,表面声波和体声波等1
的物理或化学换能器(传感器件),二者组合在一起,用现代微电子利自动化仪表
技术进行生物信号的再加T,构成各种可以使用的生物传感分析装置、仪器和系统。
生物传感器的作用原理是待测物质经扩散作用进入生物活性材料,经分子识别,发
生生物学反应,产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理
的信号,再经二次仪表放大并输出,便可间接知道待测物浓度。其优点包括:(11
采用同定化生物活性物质作催化剂,使价值昂贵的生物制剂可以重复多次使用,克
服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。(2)专一性强,只对特
定的底物起反廊,而且卅i受颜色、浊度的影响。(3)分析速度快,可以在较短时间
内得到结果。(4)准确度较高,通常测定的相对误差较小(5)操作系统比较简单,
容易实现自动分析(6)成本较低,在连续使用时所需费用较低。
(7)有的生物
传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。因此在生产
控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。同时它们还指
明r增加产物得率的方向。生物传感器用于分析具有选择性高、分析速度快、操作
简易、仪器价格低廉等特点,且可进行在线或活体内直接测定,因此长期以来受到
世界各国的广泛关注[1“。生物传感器在识别过程中使用的典型的成分包括:酶,抗体,
寡核苷酸以及整个细胞.因此可分为酶传感器、组织传感器、微生物传感器、DNA
传感器、免疫传感器几大类u4J.
1.1从免疫分析技术到免疫传感器
免疫在医学、生物学方面的概念是机体免疫系统对抗原物质的一种生物学应答
过程,其生理功能是识别和排除抗原性异性物质,以维持机体的生理平衡与稳定。
机体进行免疫应答反应产生抗体或致敏淋巴细胞。任何一种物质当其通过非肠道的
途径进入动物体后,能使该动物产生抗体,并和抗体特异性结合,被称为抗原。根
据抗原的来源和制备方法,通常可将抗原分成二类:天然抗原即包括细菌、病毒、
蛋白质、多糖和结合蛋白;人T抗原即指通过人T合成方法,将半抗原(有机小分
子)结合到蛋白质上形成的完全抗原;合成抗原即人工合成的多肽抗原。抗体是一
种特效试剂,具有与抗原发生特异性结合反应的球蛋白。抗原抗体结合的反应特点
是:特异性结合;按一定比例结合:结合具有可逆性、结合常数很高:结合具有阶
段性‘”。1”。随着单克隆技术及生物T程技术的发展,人们能够方便廉价地获得抗体,
基于抗原抗体特异性结合的免疫分析技术已广泛地应用在医学、临床、生物、化学、
环境、农业、工业、分析等领域l”‘27】。
免疫分析技术分为非标记免疫分析法和标记免疫分析法128“】。非标记免疫分析
包括凝聚反应分析法、免疫浊度测定法、琼脂扩散分析法、微量免疫电泳。标记免
疫分析法包括放射免疫分析法和非放射免疫分析法放射免疫分析法又分为放射免
疫分析法和免疫放射分析法,非放射免疫分析法又分为酶免疫分析法、酶联免疫吸
附分析法、酶标电化学分析法、荧光免疫分析(fluorescence
immunoassay
FIA)、荧
光偏振免疫分析、时间分辨荧光免疫分析、电化学免疫分析(electrochemical
immunoassay
ECIA)、化学发光免疫分析、化学发光酶免疫分析、流动注射免疫分
析(flow
injection
immunoassay
F11A)、胶体金免疫分析、克隆酶给予体免疫分析、
多组分免疫分析、脂质体免疫分析、控温相分离免疫分析。
目前在临床上应用的免疫分析主要有:
1)放射免疫分析
2)免疫放射分析
3)均相酶免疫分析
4)酶增强免疫分析
5)酶免疫分析
20世纪80年代以来,生命科学的发展为免疫传感技术的发展提供了强有力的
帮助。将抗原抗体的特异性反应与酶联放大效应相结合,形成了酶联免疫传感器,
这种传感器是将免疫组分固定在信号转换器上,使免疫反应、酶催化反应、信号产
生、信号榆测集成在一起。由于抗原抗体反府的特异性和酶联反应的信号放大作用,
使得该类传感器较其它生物、化学传感器具有更高的选择性和灵敏度。
1.2免疫传感器的分类
免疫生物传感器按换能器分为光导纤维免疫生物传感器、压电免疫转感器、热
传导免疫传感器、电传导免疫传感器、电化学免疫传感器。
2
1.2.1光化学免疫传感器
光化学免疫传感器是测量免疫反应后引起的光学信号变化量的一类传感器。光
学信号包括光吸收、荧光、磷光、反,折儆射等,所以具有较大的发展空间。依发
射光信号的来源又可分为荧光免疫传感器、化学发光免疫传感器和电化学发光免疫
传感器。
1.2.1.1荧光免疫传感器
荧光免疫传感器是将荧光榆测与免疫分析相结合的高灵敏度分析技术,主要类
型有:直接荧光免疫传感器、酶促荧光免疫传感器、底物标记荧光免疫传感器、时
间分辨免疫传感器和荧光偏振免疫传感器等。Toppozada【3”等将抗体固定于光纤上,
以荧光素标记可卡冈,利用抗原抗体发生免疫反应后引起荧光淬灭从而测定了可卡
冈;Plowman
f381小组用二种荧光素分别标记抗原、抗体,通过荧光激发传递使一种
荧光被吸收,其吸收量与样品中待测物质成正比,由标准曲线推算出含量;
Pulido.Tofino
P等用溶胶凝胶技术包埋抗体,把流动注射和荧光检测结合起来对
isoproturon进行了检测‘”];Rico
CM等用流动注射和荧光检测结合固定蛋白A检测
r茶碱,该过程可消除许多干扰物的干扰[40l;VodinhT等成功的运用光纤免疫荧光传
感器测定人类胎盘中DNA.苯核加和物””.Aoyagi
H21和Bart【431分别研究了一种无试
剂荧光增强免疫估感器测定人体lgG和荧光素标记抗原用于测定爆炸性的三甲撑
三甲硝基胺的流动免疫传感器。这类直接荧光免疫传感器一般灵敏度1i高,受非特
异吸附影响较大。
酶促荧光免疫传感器是建立在酶联免疫传感器基础之上的一门高灵敏度传感
技术。Huiquanz
t441等以对羟基苯丙酸作为辣根过氧化物的底物,酶催化产物具有荧
光,通过测定了底物荧光强度间接测定了MorquioA综合症;Huangl45j研究了以3,
6.荧光素二磷酸酯为荧光底物,开发了一种高灵敏度测定2,4·硝基酚的新型ELISA
技术。这类方法是利用具有潜在荧光的底物作为酶标物催化放大的显示系统,由于
累积放大和荧光的高敏感性,使方法学的灵敏度提高很多,一般为pg级,对羟基
苯乙酸唧],对羟基苯丙酸㈣】,阿魏酸旧1等都曾用作辣根过氧化物酶的荧光底物.但
是已有的辣根过氧化物酶的荧光底物存在以下不足:1)酶催化反廊速度慢,荧光产物
的荧光较弱且发射波长与蛋白质相近.2)对H202敏感,H202对荧光底物的影响很
大.31荧光产物的stocks位移小.开发新型酶联底物是发展该项技术研究的关键所
在。
由于一般荧光技术的缺点是荧光寿命短、背景荧光高,这些背景荧光主要来自
3
散射光(样品池中的胶体颗粒和溶剂分子引起)和非特异荧光(|n|靖中蛋白质及其
他化合物),一种新型荧光免疫技术一时间分辨荧光免疫技术应运而生。Peirea[461
等以2一荼二氟丙酮酸酯为荧光载体,将Eu”通过一种很强的双功能螯合剂与抗体的
氨基相连,利用时问分辨荧光免疫技术测定_『兔抗人lgG;J魄”71等利用对羟基苯
乙酸为HRP底物,通过标记酶催化产物与稀土金属铽(T
b2_。)形成有时间分辨荧
光的螯合物从而测定了lgG。稀土离子的荧光特点一是寿命长(比背景荧光长3-4个
量级);二是Stokes位移大:螫合物荧光强,可获得高信嘈比及高灵敏度。
l
2.1.2压电免疫传感器
压电免疫传感器是以压电晶体(材料)为基体而制成的高灵敏度质量响应特性
的体声波传感器【48-51】。压电晶体的濒率变化与质量变化成正比,并符合如下关系:
△F=CQ产△m/A,具有建构简单、价格低廉、检测下限低等特点;但易受外界因素
如电磁场、溶液密度及粘度、流变特等影响;其检测准确度难以保证等缺陷。
1.2.1.3热传导免疫传感器
热传导免疫传感器是基于测量化学和生物反麻中热量变化的量热计原理而制
成的热电堆(thermistors)传感器152,531,同样具有建构简单、价格低廉等特点,但
榆测灵敏度低,所报到的热传导免疫传感器研究工作较少。
1.2.1.4电传导免疫传感器
电传导免疫传感器是基于检测换能器(电极)与溶液之间的导电性变化而建立
的[54-57】。可以采用酶标记技术,通过免疫反应和酶健化反应的放大效应,使溶液中
的离子种类或数日发生改变,从而改变溶液的导电性能达到检测的目的,如用尿酶
标记二抗【581,可用来放大溶液的电导率的变化来完成对hCG的榆测;也可以通过
改变传感器表面的导电性能和影响离子在电极表面的迁移速度而达到检测的目的,
如在构建尿液中的甲基安菲他敏(methamphetamin,MA)的免疫传感器时【5…,用戊
二交联法将MA抗体圊定在销电极上,当MA与免疫传感器发生免疫反应时导致
免疫识别分子层与电极之间传导率降低。但是,这类传感器易受实测样品中的离子
强度影响和存在较高的背景,榆测灵敏度4i够。
l_2.1.5电化学免疫传感器
电化学免疫传感器可分为:电位型和安培型免疫传感器。
(1)电位型电化学免疫传感器是基于离子选择电极原理而发展起来的5。锄。在
零电位下,酶催化反应生成离子产物,能引起电极表面电位发生改变,电位变化正
比于离子活度的对数值,其关系遵循能斯特方程:
E=Eo+RT/zFln
a。。
把酶联免疫u及附分析方法(ELtSA)与pH敏感的场效应晶体管(PET)结合
构成了电位型场效应晶体管电化学免疫传感器,用来测定许多抗原,如a
--fetoprotein,carcinoembryonic抗原,和hepatitis
B病毒表面抗原等【634s];溶液的
多离子性及离子活度与离子浓度之间的复杂关系给电位型电化学免疫传感器在实
测样品中的应用带来了难以克服的结果的不确定性。同安培免疫传感器相比,1邑具
有灵敏度低(榆测限一般为微摩尔级)及线性范围上限低等缺点。
(2)电化学中的安培测定是在恒电位(电势)下,使电子从具有氧化还原特
的分子流向或流出电极,形成的电子流是一个动态过程,其大小可用三电极系统测
量了,即’1:作电极用来承载电化学反应;参比电极用来控制T作电极的工作电位:
对电极用来从参比电极上获取电流。实际操作中可采用两电极系统,即将工作电极
用做虚拟的参比电极。安培测量具有操作简便、仪器价格低廉、固有的准确度和快
速的特性,促使人们努力地发展竞争性及非竞争性电化学免疫传感器陋,6”。安培型
免疫传感器在生物免疫传感中r宁有晕要的地位,是电化学生物传感器发展的罩要方
向。
1-3免疫分析定量方法
1.3.1竞争型免疫分析法
竞争型免疫分析法又称饱和分析法,它的原理建立在被测物质及其酶标记物同
某种特异试剂(抗原或抗体)进行竞争结合的基础上_每周定抗体的传感器在用酶
标记抗原与对应的待测抗原的混合液培养,让它们竞争键合到固定的抗体上,酶标
记抗原量一定时,待测抗原浓度越高结合在传感器表面上的酶标抗原的量越少,从
而酶催化产物越少。
1.3.2竞争型酶抑制免疫分析法
这种方法是在竞争型免疫法基础上发展起来的,一般用于半抗原测定。其原理
是:如欲测定某一种小分子化合物(称半抗原H),先制备该药物抗体,其次使
药物与酶(Ea)连结,成为酶标记药物(Ea-H),同定抗体的传感器在酶标半
抗原溶液中培养后,酶标半抗原结合到传感器表面,结果,阻挡了底物进入酶的活
性位置,使酶失活(Ei)。当结合酶标半抗原的传感器又在待测半抗原溶液中培
养时,待测半抗原可置换传感器上酶标半抗原,使酶标释放出来,酶得以复性。待
测半抗原浓度越高,复性酶越多,其催化产物越多。
1.3.3夹心型免疫分析法
夹心型免疫分析过程:首先将抗体固定在传感器的表面,加入抗原培育后,形
成抗原抗体复合物,洗掉过量(或未反应)的抗原,再加入酶标抗体培育,使示踪
酶标结合到待测抗原上。最后在测试体系中加入底物,通过测定酶转化产物,从而
间接ii‘算待测抗原的含量。一般夹,13,法适于榆测大分子抗原,灵敏度高,但较竞争
法繁琐。竞争法即可榆测大分子,其衍生的方法——竞争型酶抑制法适于检测半抗
原分子,分析过程相对简单快速,但灵敏度小投夹心免疫分析法。
1.3,4无分离竞争抑制法
近年来,在上述竞争免疫方法的基础上,发展了一种无分离步骤的异相免疫分
析技术‘6”。在这种方法的分析过程中,以酶及生物素标记抗体,它与待测的抗体竞
争地吸附到同定有抗原的乳胶板上。未参与免疫反应的示踪物由于生物素与亲和素
之间强烈的相互作用而结合到固定有亲和素的乳胶板上,这部分酶标物中的酶由于
生物素.亲和素之间互相作用而失活。在测试体系中加入溶液,只有参与免疫反应
的酶标物能催化底物的转化而产生响麻信号,未参与免疫反应的酶标物冈失活,无
需要分离洗脱。
1.4免疫传感器的固定方法
在免疫传感器的制作中,抗原或抗体同定在转换器上是一个非常重要的步骤。
这将直接影响传感器的重现性、检测限及其循环使用等性能。常用的固定方法有:
u及附法、包埋法、共价键合法、分子自组装法等。
1.4.1吸附法
吸附法是一种通过物理吸附作用将免疫组分固定于转换器表面的方法,这是一
种相对较简单的闶定方法。转换器表面经过适当地处理或修饰后,用抗体或抗原溶
液浸泡或涂覆,抗体或抗原由于分子间作用力而直接固定在转换器表面,形成具有
识别反应功能的生物敏感层。高分子膜吸附法:先在电极表面上修饰一层合成高分
子或生物高分子,然后将生物功能物质吸附到高分子膜上,制备成感应膜,再与转
换器结合,构成传感器【”】;无机材料吸附法:利用无机材料如分子筛或氧化铝等的
强烈的吸附特性,以次作为载体,先将分子筛用聚乙烯醇调制后固定于电极表面,
然后使生物功能物质吸附同定于分子筛膜内,即可构成生物传感器‘7“711:纳米颗
粒表面吸附法:Karyakin小组[721报道了利用抗体自身的巯基于金作用特点将其直接
同定在金表面的方法;静电自组装吸附法:静电自组装技术己广泛应用于生物识别分
子的固定,其圊定生物活性组分活性保持较高,通过适当处理,传感器可以重复使
用。采用廉价的微流管装置与静电自组装技术相结合,发展了基于流动注射的电化
学免疫传感器p…。这类方法同定免疫组分无需使用化学试剂,对生物组分的活性影
响很小,同定化生物敏感层的稳定性较好,可经过酸碱处理后使表面再生从而达到
连续分析的需要
1.4.2包埋法
包埋法是将生物组分直接包埋在一些高分子载体,如电聚合物、碳糊、溶胶等
基质中,从而将免疫分子同定在转换器上的~种方法。高分子载体包埋法——将生
物功能物质与合成高分子Nation或生物高分子丝素蛋白经溶剂混合而使酶包埋于
其中,制备成具有酶活性的感应膜,再把它覆盖到转换器表面,构成生物传感器
174,751;电聚合高分子包埋法一将单体和生物功能物质同时混合于电解液内,通电
使单体在电极表面电聚合成高分子,与此同时可以将酶或抗体包埋于高分子膜内,
直接同定于电极表面,构成生物传感器[76-781;碳糊圊定法一将酶用石腊油等溶剂
调匀,再加入石翠粉调制成糊状物,填充于玻璃管内制备成碳糊电极[79,80].这类方法
一般包埋的生物分子较牢同,聚合物膜的孔径和几何形状可以调控,并且可以固定
较高浓度的生物分子,稳定性较好,但该类方法对生物组分活性有影响,传感器使用
寿命较短的缺点
14.3共价键合法
其价键合法是通过化学试剂将生物组分以共价键形式固定在转换器表面上的
一种同定方法…。要引入共价键合官能凼,首先必需对转换器表商进行处理或修饰,
然后将生物功能物质以共价、离子或配位等方式同定于转换器表面.如在转换器表
面经氨基硅烷化处理.电层积纳米金颗粒或在表面上自组装一层含氨基或羧基的硫
醇等都可以在转换器表面引入氨基或羧基官能团,然后用乙基-3-二甲基碳二证胺
作偶联剂,以羧酸氨基键的形式可以将生物组分同定于转换器件表面:或者用多功
能的试剂,如戊二:醛与酶蛋白分子相且结合,起着桥梁的作用,从而使酶固定于转
换器表旺【1f82-851:也可以使用成二醛以席夫碱形式将物质组分固定于换器上,此方法
比前述二种同定方法同定免疫组分稳定性都好,但操作较复杂,且化学试剂可能损
害生物组分的活性,导致特异性反应1i能发生捧“。
1.4.4定向固定法
这类方法一般以同定于转换器表面的另外的分子作为桥梁将生物组分同定在
转换器上。如蛋白A可以与免疫球蛋白(抗体)的Fc段结合,通过同定的蛋白A,
可以将抗体同定于转换器表面‘”i将相应抗体通过蛋白A固定在可控多孔玻璃上可
对除草剂atrazine进行检测,检测限可达到long,已成功用于环境检测[“】;又如,利
用过渡金属的螯合性质,以氧化钛和氧化锆处理纤维素、尼龙等有机物以及玻璃、
硅胶等无机物㈣,并经洗涤后,活化的载体放入免疫组分中反应。金属部分配位基
用于载体螯合外,{:;|{留着的配位基可参予免疫组分的结合。如抗体中的羧基、氨基、
羟基等都可参加载体的连接。这种方法一般将免疫纽分如抗体定向同定后,有利用
于发挥其生物功能。
1.4.5其他方法
除了以上方法,近来有一+些新的方法和技术应用于在转换器上同定生物识别分
子。利用聚合物材料的水溶性对pH值敏感的特点,用阳极电化学氧化或阴极还原
水使电极表面附近的PH值发生改变,而使聚合物沉积在电极表面,生物识别分子
可随聚合物沉积在电极表血j而完成对生物组分的固定,具有重复性好、生物组分活
性高的特点∞】i利用微型化的电喷涂(electrospraying)技术,可用来进行生物分子
组分的同定,采用这种方法固定生物活性物质,具有微样量、多位点固定多种生物
活性物质、4;易发生交叉感染、活性高、熏复性好的特点叫1;基于光异构化的半抗
原单分子层电极,发展了可罩复性使用的安培免疫传感器‘”’93】;利用碳糊电极吸附
蛋白质的特性,发展了安培和伏安型免疫传感器,在酸或碱性介质中对碳糊电极进
行氧化处理,可以去掉完成免疫反应测量的电极表面上的蛋白质分子,使电极重新
获得u及附蛋白质的能力而用于下次免疫测定,具有良好的熏复性‘”矧;利用磁性纳
米颗粒,采用电磁性的电极,可以方便地完成对生物识别分子的同定,同定方法简
单、晕复性好‘….
1.5酶传感器
除了在pH值灵敏性,离子强度稳定性以及对抑制剂的敏感性这些方面存在一些
限制条件外,酶已广泛的用于传感和探测酶的底物(并且r分有用).通过胆红素氧化
酶(Bilox)以及当分解胆红素导致氧分压浓度值减少可检测胆红素.检测下限可达到
O.1
u
M,但是胆红素酶并小是很稳定9”.另有人报道检测丙酮酸盐的双层酶传感器,
即把由乳酸氧化酶利乳酸脱氢酶构成的双酶层固定在光纤尖端,此反应的榆测是基
于反府中生成了荧光物质(还原态)烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH).同样把谷氨酸脱
氯酶同定在微米大小的荧光传感器的末端上可定量检测谷氨酸,其浓度检测限为0.2
ti
M,质量检测限为3埃摩尔【981.基于葡萄糖氧化酶(Gox)氧化葡萄糖的动力学机制
所制备的几种新型的氧传感器已经运用在流动体系中葡萄糖氧化酶被直接固定在
氧传感膜L或者微柱反应器中的可控微孔玻璃上.耗氧量可通过氧气探针强度变化
或衰减时间来计算.葡萄糖和乳酸在各自的氧化酶作用下产生的过氧化氨诱导扩
散在玻碳电极表面的发光胺化学发光可用于测定过氧化氧,检测限可达到皮摩尔例.
基于辣根过氧化物酶为基础的酶传感器用于过氧化氯的测定已有详尽的报道.
陈小红等在热导石墨电极上以DNA膜为电子媒介催化HRP氧化过氧化氢.HRP通
过共价键和到DNA表面口oo].将HR只二茂铁和卟啉在玻碳电极上滴干成膜可对过氧
化氢响应检测限为0.5
uM[101]协建军等将HRP共价键和到金电极上的自组装单层
膜上做了研究‘”1用溶胶一凝胶碳糊电极包埋电沉积聚毗咯和HRP制备的过氧化氢
传感器也有报道【10”戡江红等用废弃的蚕丝蛋白成膜同定HRP制各的过氧化氢传
感器对废弃物的回收利用提供,一个参考【l”J.
1.6本论文的工作构思:
结合现有文献报道及在本实验摩的原有的基础上,拟进行新的生物分子固定方
法的研究,对以往同定方法进行改良或提高,利用几种传感原理,以发展几种免疫
传感器。
11研制一种基于壳聚糖和溴化氰改性褐藻酸钠凝集作用的日本血吸虫安培免疫
传感器。褐藻酸钠一抗体复合物通过静电吸附作用被凝集到含右墨~石蜡一壳聚糖
组分的电极表面,然后与抗原和酶标抗原进行竞争反应,以邻氨基酚为电子媒介,
通过测定酶催化下双氧水对其氧化的电流大小来间接测定抗原的浓度。
2)利用纳米二氧化钛颗粒与碳粉的协同作用,制备一种高灵敏度的过氧化氢传感
器.辣根过氧化物酶通过与纳米二氧化钛之间的静电力和碳粉的非特异吸附而固定
在电极表面,以邻苯二酚为电子媒介,对过氧化氧进行测定.
3)用纳米Ti02颗粒为同定抗体的支持体,以辣根过氧化物酶标记C3(HRP—c3),
HRP.C3与待测c3发生竞争性免疫反应,HRP—C3催化荧光底物3,3’,5,5’一四甲基联
苯胺(TMB)转化为无荧光物质,由TMB+H202混合成的底物溶液的荧光降低的大小
判断待测C3的浓度,
4)以聚苯乙烯(Ps)制成立持体,通过疏水性非特异吸附将lgG同定在其表面,然后与
羊抗人lgG和酶标羊抗人IgG进行竞争免疫反应,以双氧水和甲哌氯丙嗪混合溶液
9
为荧光底液,通过测定395nm处荧光增强的多少来测定羊抗人IgG的浓度
O
第二耄基于壳聚糖一改性褐藻酸钠凝聚作用的
B本血吸虫安培免疫传感器
2.1前言
日本【山吸虫病是一种广泛传播且威胁人类健康和生命的寄生虫疾病,近期研
近年来,电化学免疫传感器用来实现对目的物的检测己引起人们较大的兴趣
町更新的免疫传感器i…1,刘国东等【姗也报道了一种基于石墨一石蜡一抗原作敏
奉文利用壳聚糖和溴化氰改性的褐藻酸钠间的静电吸附作用,制备了一种新
究发现。匕可能与多种癌症和某些疾病有关。血吸虫病主要流行于弧洲,非洲,
拉丁美洲等地区,每年约有超过5亿人口受到这种疾病的威胁。目前诊断血吸虫
病的方法主要包括:酶联免疫(ELISA)、电泳免疫、放射免疫及斑点免疫法‘…。07】
等,近年来还有采用PCR扩增技术测定血吸虫DNA的方法[…”。但这些方法大多
繁琐费时,且需要使用一些昂贵的实验仪器。此外在实际检测中上述方法大多为
定性和半定量的测定,有些方法的灵敏度欠佳,常常出现漏检和错检的情况。
[i091。在免疫传感器的实际应用中,传感器的重复使用性和维持生物组分活性是
这类传感器的两个关键的问题。传感器的生物组分可采取直接包埋或共价周定的
方法。由于抗原抗体间免疫反应的亲和常数较大,通常传感器活性界面的再生需
在高离子浓度和强酸性条件下进行,闲而易使固定在电极表面的抗原(抗体)失
活。为克服上述缺陷,Fabregs等【l州报道了一种磁性颗粒的免疫测定方法,但制
备过程较复杂,且所须时间较长。此外,还提出了一种基于刚性导电生物组分的
化层的可更新的电化学免疫传感器,这些传感器均需通过抛光电极表血使传感器
的活性界向得以更新。由于生物组分被长时间包埋和物理抛光打磨过程均易导致
生物组分的活性降低,罔此,上述方法都存在一定的缺陷。
的电流型免疫传感器。利用壳聚糖和褐藻酸钠之间有较强的静电吸附作用,且在
一定条件下可以成膜【112]I如将壳聚糖掺入石蜡一石器电极中,与褐藻酸钠偶联
后的抗体所形成的复合物可被吸附到石蜡一石墨一壳聚糖复合组分的电极表面
形成较牢周的抗体层,再与HRP酶标抗原作用,以邻氨基酚为电子媒介,通过
测定酶催化下双氧水对其氧化的电流大小来间接测定抗原的浓度。这样可避免包
埋在电极材料中的抗体在长时间放置后失活。由于壳聚糖和褐藻酸钠可以在电极
表面形成一层可使小分子通透的极性薄膜}””,冈此4i影响电极的导电性,也可
减少电极的非特异性吸附。由于电极材料中=,fi直接包埋生物组分,使用后的电极
可以通过简单的表面处理进行再生。
2.2试验部分
2.2.1
仪器
电化学系统273(EG&G
PARC,美国)用于循环伏安及计时安培测量,
所连接的电脑采用4.30版的Model
270研究软件。实验中采用二电极体系,饱
和甘求电极为参比电极,铺电极为对电极,所有电位均参照饱和甘汞电极电位。
进行计时安培电化学测定时,电解池中溶液麻采用磁力搅拌器不断搅拌:CSS501
型恒温槽用于控制孵育温度。
2.2.2材料
日本血吸虫抗原(SjAg)及抗体(SjAb)均取自湖南医科大学寄生虫研究所;
所提取的分子量为32
kD的日本血吸虫成虫抗原进行一步纯化后其浓度为2.8
mg/mL。日本山吸虫抗原水溶液在O℃下经真空蒸发得到淡黄色粉末状同体。
用2500条LJ本【【l|吸虫免疫成年兔子35
d,被感染的兔血清中的日本血吸虫抗体
用饱和硫酸铵沉淀法提纯。辣根过氧化物酶(HRP,1000
U/mg,Rz=3.0)、石墨
粉、二羟甲基氨基甲烷(Tris)及壳聚糖均购白上海申索生物试剂公一J;切片石
蜡购自中国人民解放军89942部队试剂厂,使用前未进一步纯化:褐藻酸钠购自
Sigma公司。所用溴化氰按文献[114]方法制备。其余试剂均为分析纯;实验用水
为二次蒸馏水。
2.2_3酶标抗原的制备
酶标抗原的制备按文献[1051方法进行。将5.0mL
HRP溶解于O.5
mol/L
pH值为
5.0的醋酸钠缓冲溶液中,加入O.25
mL
0.I
mol/L的Nal04溶液,在4℃下反应
30
min。而后自U入0.5
mL
2.5%(v/v)的乙二醇溶液,室温F放置30rain,用
碳酸钠缓冲溶液(pH
9.5)调pH值至9.0,
然后加入5.0
mg曰本血.吸虫抗原,
将溶液于4℃下放置过夜。在4℃下放置2h后,4℃下置于pH值为7.4的0.1
mol/L磷酸缓冲液中透析过夜,将所得透析残留液于GS-25过柱,即得纯化的
HRP—S1Ag(0.5
mg/mL)。
2.2.4溴化氰改性褐藻酸钠的制备
取适量的溴化氰(0.08
g)加入到定量的褐藻酸钠溶液中(O.12g溶于1.0mL
水中)于O℃下反应30rain。然后加入预先用冰水冷却的冰醋酸调节pH值至8.8,
立即加入0.11
g
Tris,4。C下不断搅拌反应24
h;将混合物的pH值调节到8.0,
所得溶液在0.0l
molL~pH=7.5的Na28407一H3803缓冲溶液中透析三天。透
析后的残留物在70"C下于真空中蒸发。
2.2。5改性褐藻酸钠~血吸虫抗体复合物的制备
取溴化氰改性褐藻酸钠5.4mg溶于1
mL水中,置于冰水浴中冷却,加入4mg
的溴化氰,搅拌下,逐滴加入新配制的质量数为20%的NaOH,保持pH值为11,
再加入冰醋酸调节DH值至8.5后,加入日奉血吸虫抗体500
ttL(O.5
mg/mL),搅
拌过夜。透析~天后置于4℃下保存。
2.2.6石墨一石蜡一壳聚糖电极的制备
称取0
1
g的壳聚糖溶于适量的醋酸中,搅拌下逐滴加入饱和碳酸钠溶液垒
pH=8.0,得~一乳胶状溶液,加入1.2
g碳粉,搅拌后抽滤,得黑色胶状物。另取
一定量的石蜡溶解于乙醚中,加入与石蜡质量比约为3:2的黑色胶状物和一定
量的碳粉,充分搅拌得一均匀的组分,其中壳聚糖质量分数约为2%。将碳糊在
窜温下放置10
min,至绝大部分乙醚挥发,然后压入PVC管中约1
cm。电极不
用时于室温下r态保存。
2.2.7免疫传感器的制备
免疫传感器的构造见文献…。将免疫电极插入2
mL
85/ag/mL澳化氰改性褐
藻酸钠一抗体的培养液中,于2TC下放置30
min。电极表面分别用水和PBS液
洗涤两次,插入到抗原与酶标抗原的混合溶液中,于2TC下孵育30
min。取出
电极,再分别用水和PBS液洗涤电极表面两次。
2.2.8免疫传感器的再生
将使用过的传感器置于10
mL
0.5mol/L
pH值为10的NaCl--NaOH溶液中
放置约40
min,取出,用水洗涤电极表面两次,然后将其置于10
mLpH
5.7的醋
酸~醋酸钠缓冲溶液中放置10
vain,取出电极,用水洗涤,传感器即口_『获得再生
…郢.
2.2.9测定方法
取不同浓度的抗原和100
pL酶标抗原溶液混合后稀释至1
mL,待用。安培
分析在20
mL
pH值为5.7的醋酸~醋酸钠缓冲溶液和10
mL的5x10。mol/L的
邻氨基酚(0一AP)混合溶液中进行。T作电位为.150mV。待背景电流稳定后,
加入20
uL
2xlO。moUL的H202,记录响应电流值。
2.3结果与讨论
2_3.1循环伏安实验
HRP在№02存在下催化氧化氨基酚,这类底物已被用于伏安酶联免疫分析
中…61。刘匡『东等㈣系统研究了邻、问、对位氨基酚的氧化还原特性,在此类异
构体中,邻氨基酚表现出最好的活性。邻氨基酚在HRP存在下可被H202氧化为
稳定的氧化产物3.氨基i分嚼嗪…7]o实验过程中酶量的大小可通过循环伏安法或
汁时安培法测定催化产物的电流而确定。采用石蜡~石墨一壳聚糖材料的电极研
究了底物及其催化产物的循环伏安特性。在没有H202时,o—AP在666
mV处有
一1i可逆的氧化峰(Fig.2.1(a))。将石蜡一石墨~壳聚糖电极经吸附抗体后加
入抗原孵育,再加入H202,原氧化峰消失,在一200--一100
mV处产生一个新的还
原峰(Fig.2.1(b))。为获得一个灵敏的安培响应电流值,应选择。~个最佳工作
电位。在.300—0
mV之间,记录催化产物在孵育过的石蜡一石墨~壳聚糖电极
上的安培响应。实验结果证明,一150
mV为最佳T作电位。
一《3芑gjo
Potential(mY)
Fig
21
Cyclic
Voltammgrams
ofO-AP
inthe
absence(a)and
present(b)of
H202
using
a
paraffin--graphite--chitosan
electrodein
a
pH
5.7
HAc-NaAcbuffer
solution,Scanrate:50
mVs-I.
2.3.2实验条件的优化
壳聚糖量的多少将直接影响其表面所吸附褐藻酸车|】』一抗体复合物量的多少,
同时也影响着电极的导电性和其它物理性能。取壳聚糖质量分数分别为10%、
5%、2%、1%的传感器进行试验,结果表明质量分数为2%时的响应电流最大。
在奉实验中取壳聚糖的用量为2%。
褐藻酸钠一抗体复合物量的多少将直接影响到键合在其表面的抗原的量,以
同定酶标抗原的用量为40
pg,n1L,改变褐藻酸钠一抗体复合物的用量作试验,
表明褐藻酸钠一抗体的浓度在80—100
pg/mL范周内测定时的响应电流值较稳
定(Fig,2
2)。实验中采用85
lJg/mL褐藻酸钠一抗体复合物溶液。
一§§
con∞mb∞ofAcnvmedAlginate—SjAbl(vSmlll
Fig
22
Current
versus
concentration
ofactivated
alginate
crosslinked
SjAb
plot.1mmunosensor
incubated
inO.I
molU’HAc—NaAc
buffer
solutionof
pH
5.7
containing
1
0
ggmL~SjAg-HRP
conjugate.
孵育时阃对响虑电流值也有。定影响【11
81,实验表明,电流信号随孵育时间的
增加而增大,30
min时已基本达到稳定,冈此,选择30
min作为孵育时间。孵
育温度也影响免疫传感器的性能。通常,37。C为免疫反应最佳孵育温度,但此温
度下长时间的孵育会降低酶标抗原中酶的活性。本实验中选择孵育温度为27%。
此外,温度较高则会对石蜡电极的物理性能产生影响,影响电极的灵敏度。
免疫传感器的响应信号依赖于传感器表面反麻的酶标抗原量。为了以最小量
的HRP—StAg去获得最大的电流响应,在孵育过程中改变HRP—StAg的量进行实
验。结果表明电流响应随HRP—SiAg量增加而线性增加(Fig.213),当溶液中
HRP-StAg量达到40
pg/mL时,电流响应值趋于稳定。实验中采用40
gg/mL的
HRP—StAg浓度。
I“伽“口H。Ⅺ
Fig
2.3
Current
verstls
logarithm
of
concentration
plot,fa,
SjAg-HRP
HRP—transferrin
conjugate.[mmunosensor
incubatedin
O.1mol/L
buffersolutionof
pH
5.7
containing
85
gg/mL
activated
alginate
SjAb.c.HRP-transferrin
conjugate
response
in
blank
electrode
Ⅺ
≈
∞
一{|E
b
"
o
Fig
2.4
Response
current
versus
concentrationofo—AP
plot.
此外.底物浓度对电流响庸值的影响较大。根据Michalelis—Menten方程,酶
mmol/L之后,响应电流值趋于
mmol/L(Fig.2.4)
免疫传感器的性能参数主要包括达到稳定基线电流时间的长短、背景电流的
6
conjugate。b
HAc—NaAc
crosslinked
催化反麻的电流响应值与酶催化反应的最大速率相对麻且与酶的活性披结合在
传感器表面的HRP.SiAg的量呈比例。在低浓度范嗣内,传感器的响应电流与底
物的浓度呈线性关系。当。一AP的浓度增加全0,5
稳定。实验中采用底物的浓度为0.5
2t313免疫传感器的响应特性
大小、灵敏度、晕现性和r作电位范周等。以石蜡为粘合材料,可以得到一个低
的背景电流羽I宽的T作电位……。在.300
mV到200
mV之间,原传感器的基线电
流为0.6
p.A到0.3
uA。在固定+r作电位为一150
mV下,结合改性褐藻酸钠一抗
体复合物后的传感器的基线电流为O.8/aA,表明在免疫传感器表面形成薄膜后不
影响电极的导电性。同一传感器在经20余次再生后,基线电流保持为O,8士O.04
gA。取再生后的传感器在同浓度培养液中反应后测量,其偏差为4.5%(n=5)。实
验结果见Table
2.1。表明传感器在经过简单的强碱和强离子强度的溶液处理后,
传感器表面可获得有效的再生。此外,在实验中榆验了,免疫传感器的非特异性吸
附。取溴化氰改性褐藻酸钠一抗体复合物的溶液(85
pgrn/L)中反应后的电极插
入酶标转铁蛋白抗原溶液中孵育后,电极响应值很小,而同浓度的酶标转铁蛋白
抗原溶液在空白电极上电流响应较大(Fig.2.3),说明电极在经过褐藻酸钠一
抗体吸附后,在电极表面形成薄膜,从而可使电极的非特异性吸附降低。
Table
2.I.Reusability
and
reproducibility
of
immunosensors
8Each
response
current
readingcorresponds
to
a
measurement
cycle
whenthe
tested
immunosensor
was
newly
polished
followed
by
incubation
and
amperometric
measurement
procedure
Immunoassay
incubated
in
lmL
0.1molL’‘HAe-NaAcbuffer
s91ution
ofpH
5.7
8containing
40
p,gmL—HRP—labled
SjAg
Concentration
of
SjAg
in
sample
was
6
gg/mL。一Measurement
with
difierent
electrode.
Fig.2.5是最优条件下测得血吸虫抗原的校正曲线,响应电流与血吸虫抗原在
O.64—40
pg/mL之间里准线性关系。线性回归方程为:
l=.17.308c+34.572相关系数r为O.9849。
}n】jl£c&BE
b瞄f尉^gyc岬m咖
Fig
2.5
Current
versus
logarithm
ofconcentration
plot
for
a
paraffin—graphite—chitosan
immunosensor
after
the
competitive
immunoass8y
buffer
s01.ionof
pH
5-7
molL-。HAc-NaAc
O.1
in
lmL
incubated
Immunoassay
containing
40}_tgmL~HRP—iabled
SjAg.
2.3.4初步应用
Table
2.2是4i同感染程度的兔血清中SjAg浓度的测定,结果显示响应电流
随感染程度增加而降低。表明传感器可用于直接检测SjAg的浓度。
Table
2.2
RabblI
Amperometrk竺!!!!竺!!!竺!兰!
Infect
degree
一
sⅧm
sⅢ口1es
1
4
Current/(u
A1
Detect
concentration/(1l
ggrnl)ELISA/(“咖1)
5.31
8.61
12.03
14.56
31
44
55
26.6
23.5
20.0
17.8
4.98
,8
1。
8.08
11.8
14.28
44
280
2.4结论
基于改性褐藻酸钠和壳聚糖的凝聚作用而构制了日本【缸吸虫电流型免疫传感
器,采用竞争酶联免疫分析法,以HRP.SjAg作示踪剂,邻氨基酚作酶的底物,
测定}二|奉血吸虫抗原。该传感器具有制作简单、价格低廉操作方便。测量快、蛋
白质非特异性u及附影响低、敏感血可更新的特点。它可以用于判定样本中血吸虫
抗原的量,为预防血吸虫和判断治疗血吸虫病的疗效提供了有效的榆测方法。
第三章包埋纳米二氧化钛的碳糊电极固定辣根过氧化酶用
于过氧化氢的检测
3.1前言
纳米二氧化钛可以吸附溶液中的染料。这种的很强的吸附作用可能源于染料
表面羧基与Ti”间的螯合作用。基于这个发现,Emmanuel
Topoglidis和James
R.DurrantI”o。1211提出了新的固定蛋白质的方法。他们研究出用二氧化钛的纳米渗
透层来固定蛋白质,蛋白质通过静电吸附作用固定到纳米二氧化钛的表面,然后
用分光光度法来检测这一过程。此外,他们还得到二氧化钛的等电点(1EP)大
致为6.0的结沦。捧于纳米颗粒比如纳米金在分析中生物物质的固定中的应用成
功,作者尝试将纳米二氧化钛包埋入碳糊电极里的方法研制同定酶的生物传感
器。用辣根过氧化酶(HRP)做为模型来制备过氧化氢传感器。
传统的酶修饰电极小能很好的满足灵敏度,置信度以及操作简便的要求【l”】。
已有研究报道固定辣根过氧化酶(HRP)到电极上,比如与聚合物交联[1”’123]
与石墨油糊混合”“,或通过电沉积过程混合成膜或滴下法成膜【10“””,通过在
自组装的单层膜上共价键合[102]等方法,这些方法或多或少均存在~些问题。本文
的实验表明,这种用纳米二氧化钛作电极载体所制成的电极在过氧化氯的检测中
表现出很高的稳定性和灵敏度。我们在实验中测试了HRP的u及附时间,底物的
浓度,支持电解质的pH值以及应用的电位对传感器的性能的影响。
3.2实验部分
3.2.1试剂
辣根过氧化酶(RZ=3.0,250
Umg‘)购自上海丽珠东风生物技术有限公司
(L海,中崮),其他试剂均为分析纯的,所有的溶液都是用二次水配制的。
纳米二氧化钛来自浙江明日纳米材料有限公司(浙江,中国)。TEM测得颗
粒的半均尺寸为I
5nm如图3.1所示。通过KYKY-2800电子传输显微镜获得。
磷酸缓冲溶液的pH值在5.0—8
0,用0.067mol/LKH:P04和0.067
mol/L的
Na2HP04配得。支持电解质为O.1mol/L
KCI。含1
mmol/L邻苯二酚f1,
2_benzenedi01)的待测溶液通氮除氧10分钟,且在整个实验过程中都在氮气的环
境中进行。所有的实验都在警温下进行。所有的电位都相对于饱年u甘汞电极。
Fig
3.1
TEM
image
ofnano—titaniumdioxide
particals.
3.2.2装置
循环伏安法和计时安培法都是在model273电化学系统(EG&G
Princeton
Applied
Research,Princeton,NJ,USA)上进行,采用三电极体系,温度为25±l℃。
铂电极为对电极,饱和的甘汞电极为参比电极,n.二氧化钛ECPE为工作电极。
3。2‘3酶电极的制备
纳米二氧化钛粉末(O.0059),碳粉(O.1209),石蜡(O.0809)混合,用lmL
乙醚溶解.用超声波超5分钟,再在空气中干燥10分钟。然后将混合物寨入直
径为6mm,深I
cm[801的PVC管中,放置一天待其变硬。这样,一个n.二氧化
钛ECPE便做好了。然后我们将电极放到含有5mg/LHRP的PBS(pH6.9)的溶
液中,4"C下放置12小时,再用二次水冲洗丁净。制好的酶电极储存在PBS(pH6.9)
的缓冲液中备用。
3.3结果与讨论
3.3.1
l,2-benzenediol在n一二氧化钛ECPE上的电化学特性
图3.2所示为酶电极在没搅拌的除氧的O.067
mol/L含I
mmol/L
1,
2-benzenediol的PBS(pH
6.9)中的循环伏安曲线,其中a为乔含H202,b为
含2.4mmol/l_,H202。(图3.2(a))是没有H202的情况下所得的1,2-benzenediol
的循环伏安曲线。在2.4mmol/L
H202的存在下,还原峰的峰电流增加了,而氧
化峰的峰电流减少了(图3.2(b))。这些现象表明,1,2-benzenediol可以从CCPE
表面有效的将电子传递到固定在纳米二氧化钛上的HRP的氧化还原中心。基于
酶的催化反应的过程可蛆如下表示:
HRP(Fe3+)+H202_÷Int,(1)+H20
Int.(1)+QH2一Int.(II)+O
Int.(II)+QH2—+HRP(Fe")+Q+H20
Q+2e—QH2
Int.1(氧化态+5)和II(氧化态+4)代表反应中的中间产物,QH2,Q分别代表
1,2-benzenediol和它的氧化产物(O-苯醌)。Int.I被还原为Int.II之后,II通过
氧化还原介质QH2而形成HRP(Fe3+)的原始形式。O一苯醌则在电极上得到2
个电子而被还原为1,2-benzenediol。
Fig
3.2
Cyclicvoltammograrns
inO.067
tool
L“phosphate
buffer
solution(pH6.9)
containing
1
mmol
L一1,2一benzenediol
without(a)and
with
2.4mmol
L一1
H202(b).
Scanrate:50mV
S-I
3.3.2实验条件的选择
小同的实验条件会影响到安培测量的结果,主要是介质的浓度,支持电解质
的pH值,吸附的时间以及T作电位。
为了克服辣根过氧化酶在异类电子传导中传输速度慢的问题,通常在制备酶
电韦鹱的过程中采用一些有高异类电子传导能力的小分子作电子媒介[124]在用于
HRP酶的电子媒介中,1,2.benzenediol是最佳的电子媒介之一,它能快速的将电
了从电极表面传导到Int.I或II【””。在低浓度的电子媒介中,电流响应通常会受
到酶一电子媒介动力学的限制。当电子媒介浓度很高时,电流响戍又会受到酶一
底物动力学的限制。但是,较高浓度的1,2-benzenediol的背景电流也较高。所以,
实验中我们采用1.0
mmol/L的1,2-benzenediol。
图3,3为酶电极在pH为4-9的磷酸缓冲液,其中含1,0
mmol/L对苯二酚和
2.4mmol/LH202中的响应。由图可知,响应电流在pH5.6有明显的增加。在pH6.9,
酶电极有最大的灵敏度。这个pH接近可溶性酶的选择性pH(6-7)[126]在实验
中我们采用pH
6.9为最佳pH值。
Fig
3.3Effect
ofpH
on
theelectrode
response
studied
byamperometric
method
for
2.4mmol
L‘’H202
inPBS
withvarious
pH
containing
1
mmol
L一1
1,2-一benzenedi01.
Operatingpotential-2
17mV
US
SCE
纯的纳米二氧化钛可以吸附蛋白质,但是它的吸附速率很低。整个吸附过程
达到饱和需要1。30天‘”…。但意外的是所制备的酶电极吸附时间12小时后,它
的响麻电流就可以达到稳定。主要原冈可能是源于碳粉和纳米二氧化钛的协同吸
附。旨先HRP通过碳粉的非特异性吸附很快的聚集到电极表面,然后再与纳米
二氧化钛通过静电吸附而得以同定。冈此吸附时间我们选择12小时。
图3.4为应用电位的/1i同对生物传感器响应的影响。随着电位由一50mV增加
到一300mV,传感器的灵敏度也随之增加,到一217mV时开始减少a冈此计时安培
法中我们采用一217mV(VS.SCE)。
Fig.3.4
Dependence
of
steady-state
current
on
appliedpotential
at
the
electrodein
pH
6,9
PBS
containing
1
mmolL-1
1,2一benzenediol
in
the
presence
of
2.4
mmol
L一1
H202
3.3.3电极晌应特性
图3.5所示的是在选择的实验条件下(一I二作电位为一217mV
VS
SCE,pH为6.9
的PBS缓冲溶液,其中含1.0
mmol/L1
2-benzenedi01)每次加201.d
36.5mmol/L
的H202时得到的典型t拘i:l时安培曲线。
电极表现出对H202快速而灵敏的响应。
在H:O:的校正曲线范闸内,传感器的电流响应可以在t0
S内达到稳态电流的
95%。这样的快速响应源于电子媒介和HRP之间非常接近的缘故。
Fig
3.5
A
typical
current-time
response
curve
forsuccessive
additions
of20止of
36
5
111moI—H202
fortheHRP
enzyme
electrode
in0.067
mol
L‘’phosphate
buffer
solution(pH
6.91
containing
1mmol
L^l
1,2-benzenediol,Operating
potential一217
mVⅧ.SCE
图3.6所示为l—IRP酶的响应电流在2.4x104~3x10-7mol/L的H202的浓度范同内
呈线性关系,灵敏度为0.JlOlA
Lmol。cm~,校正系数为0.993(n=13)。当H202
的浓度超过2.42x10-3mol/L时,响应达到饱和,这是因为酶.底物和酶一电子媒
介催化动力学达到了饱和。电极的榆测下限为3x10-vmol/L,在信噪比S/N为5
的情况下。我们将n—Ti02
ECPE的碳糊电极与没有包被纳米j氧化钛的电极做了’
个比较,结果显示,后者对H20z没有明显的响应(数据没显示)。所制备的ECPE
的榆测下限比之前报道的基于碳糊的电化学传感器要低。线性范围,灵敏度以及
响应时间的对比见表5.1。
Fig
3.6Calibration
curve(inset
refers
to
lowconcentration
range).Samples
were
diluted
by
0.067
toolL一1
phosphate
buffersolution
of
pH
6.9:thedata
were
the
average
values
fromthree
paralleldeterminations.
Table
3.1
Comparison
oflinear
range,sensitivity
and
response
timewith
:竺竺竺!
H202
biosensors
Linear
range
Sensitivity
Response
time
pPy/CCE[1031
5.0×10。to2.0×10_4
O.024儿ApM。1<20
CPE
11031
10’7
to
10‘50,0026
gAgM“42
Sol-gel
Qlass/CPE[127】
2.0×1
0。5
to
2.6×10‘3
0.052
gAgM‘1
…-
M0ntmOril
JOnitemodified
GC[128]2.O×10击to
3.0×10-。
…一
3--20
n-Ti02ECPE
3.0X10-7
to
2.4X10.4
0,031
p,AgM"l<10
3.3.4
HRP酶传感器的重现性
HRP酶电极响应电流的重现性是在H202的浓度为0.24mmol/L时测定的。8
组数据的相对标准偏差(RSD)为3.7%。所制备的小同的辣根传感器,在H202
为O.24mmol/L的浓度下电流检测的偏差系数为4.3%,这个数据是可以接受的。
3.3.5
I_口盱酶传感器的储存及其稳定性
在溶液中HRP有着很好的稳定性。冈此,HRP电极在未使用的时候储存在
PBS中(pH
6.9),温度为4"C。该传感器的稳定性通过测量其对0..24mmol/L的
H202的响庶来榆测,以一个月为一个周期,每天检测一次。该传感器的响应电
流在15天后,减少到90%,25天后,响应为最初时的80%。35天后,仅为初
始值的60%。冈此,这种HRP酶电极在保留HRP的活性方面还是很有效的。
3.4结论
基于纳米二氧化钛的碳糊酶电极是一种制作简单且比传统电极灵敏度高的
新型电极。实验结果证明了包埋纳米二氧化钛到碳糊电极里,在固定酶例如辣根
过氧化酶,来检测分析物如过氧化氧的浓度是可行的。
第四章基于纳米二氧化钛为载体的可更新荧光免疫系统
测定补体3
4.1前言
补体第三成分(c31是补体两条激活途径的中心环节堋0定其含量对研究自身
免疫性疾病和变态反应性疾病的诊断,治疗和病因具有重要的意义.传统的方法如
酶联免疫法(ELlsA)和放射性免疫分析法(RIA),所需时间很长.需要高素质的榆测
人员.操作复杂【”…,放射免疫还会带来污染,在临床中使用时有很大的限制,传统
的酶联免疫分析大多数是采用紫外一可见比色分析法检测.由于受检测仪器的限制.
其灵敏度往往小高,而且这些方法测定过程中需要多次的溶液转移,给操作带来一
定的影响.冈此研究吏灵敏.简便的分析方法是必要的.
在免疫分析中,通常抗原(抗体)的同定通常是通过共价键和,直接包埋,和吸附
等方法得以实现.共价键和和直接包埋对抗原f抗体)的活性会造成很大的影响,而
且基于共价键和的免疫传感器的再生困难.Emmanuel
Topoglidis等曾用纳米Ti02
颗粒为同定蛋白质的载体‘”…,蛋自质通过静电吸附作用固定于纳米Ti02表面.本
文试用纳米Ti02颗粒为同定抗体的支持体,以辣根过氧化物酶标记C3(HRP·c3),
HRP—C3与待测C3发生竞争性免疫反麻,HRP—C3可以催化荧光底物3,3’5,5’一四
甲基联苯胺(TMB)转化为无荧光物质,所以待测C3的浓度可由底物溶液的荧光降
低的大小判断.由于抗体和支持体基于静电吸附而得以同定,冈此免疫过程小会对
抗原(抗体)的活性造成影响.通过简单的处理后,抗原支持体表面可以得到有效
的再生,闵此该装置可以进行连续的抗原抗体检_;贝!|,该方法榆测限底,可满足临床
分析的要求,
4.2试验部分
4.2.1试剂
辣根过氧化物酶(HRP,1000
Umg~,Rz=3.O)和3,3’5,5’-四甲基联苯胺(TMB)
从Sigma公司购得;c3,C3抗血清,牛血清蛋白(BsA)均购自上海申索生物试剂公
司:切片右蜡购白中国人民解放军89942部队试剂厂,使用前未进一步纯化;纳米
听两次。
4.2.5免疫反应荧光检测过程
酶联免疫荧光传感装置构造如图4.2所示。测量程序如下:第一步,4i同体
积的c3待测溶液与100l_tL
HRP—C3连接体混合,然后加入缓冲液使溶液总体积
为5mL,将史持体插入培养液中,在27
4C下培育20分钟,取出用洗液冲洗传感
表面,测量前将传感生物组分支持体置于缓冲溶液中保存;第二步,将传感生物
组分支持体同定于位于光路上的流通反应池上;包含2.5×10-6M/LTMB底物溶
液被泉入流通反应池,在298nm处激发光下,测置398nm处底物溶液的荧光强
度,接着加入5×104M/LH,O,并记录变化了的荧光值,计算荧光强度变化。
Fig.4.2
Schematic
diagram
offlow
injection
system
coupling
with
fluometry
4.2.6.支持体表面的再生
生物组份支持表面可以通过通入pH2.0的B-R缓冲溶液20分钟,用二次蒸
馏水冲洗支持体表面,复于C3抗血清液中孵育20分钟,支持体即可再生。
4.3结果与讨论
~
。冷
。冷
一
‰
:夕Q…懑毗
4.3.1定量基础
TMB用作HRP底物用在酶联免疫分析的可见比色测定中;在电化学方法方面,
TMB已用于Helicobaefer
pylori免疫分析【1151。TMB是联苯胺的甲基化衍物生,
在紫外光激发下,能产较强的荧光.在分析程序中,样品中的c3和加入的HRP—C3
竞争与支持体表面抗皿清发生免疫反应,两连接到电极上,C3(待测)浓度越
大,HRP.C3连接在支持体表面的量越少,在酶催化反应环节,HRP—C3将底物
溶液中的部分TMB转化成无荧光化合物,而使底物溶液荧光降低,所以HRP—C3
越多,荧光降低越大,相应的待测待c3浓度越少。酶催化反应及荧光发射如图
4-3所示。F波4
3显示了2.5×10-7M/LTMB+5×10—1M/LH202溶液在加入计i同浓
度HRP.C3后的荧光变化情况,从图上可知,HRP.c3引起的荧光降低具有浓
度相关性。
Fig.4.3
Fluorescence
decreaseofTMB
obtained
withtheaddition
ofdifferent
HRP.C3
concentration
for2rains
in
PBS
containin92,5x10-7M/mL
TMB
and
5x1
0"7M/mL
H202
at
pH
6.8.Concentration
ofHRP—C3
was(1ag/mL):(a)0;(b)
1.2x10。2;(c)4.8x10。;(d)6x10~.
4.3.2.pH的影响
pH不仅影响TMB荧光强度,同时也影响Ti02吸附抗体的量的多少.由于Ti02
的等电点为6旧],因此在免疫反鹿中,为获得较大的抗体吸附量,溶液pH值应略为
碱性为好,但是在碱性条件下,底物TMB的荧光很弱,增大误差,因此在本实验中,
选择DH为6.8.
4.3.3流速的影响
肖TMB—H202溶液流径流通反麻池时,与HRP-C3一C3Ab复合物接触的部分TMB
被转化为无荧光产物,所以底物溶液流速直接影响荧光强度。图4.6说明了流速对底
物液荧光的影响。流速低,荧光降低较多,若太低分析时间则会延长,本研究选用
30mL/H的液流速度。
Fig.4.4
Effectoftheflow
rate
ofthe
substrate
carrier
solution
decrease.
on
fluorescence
4.3.4实验条件优化
免疫组分支持体制备利实验过程中参数值的设置都会影响传感系统的荧光
响应特性。传感免疫组分支持体中的Ti02量直接影响传感表面可吸附抗体的两
地多少,在实验中增加支持体中Ti02的含量,发现在Ti02的含量为5%(w/w)时,支
持体的“及附能力最强,这可能是该比例是碳粉和Ti02的协同吸附能力最强的缘故.
传感免疫组分支持体上吸附的c3抗虹清的量直接影响传感表面与HRP-C3和
c3的键合。c3抗血猜浓度从0.1到1.5mg/mL,荧光降低增大,而后再增加c3
抗血清的浓度,荧光开始趋于稳定,表明暴露的抗体键合位点已经被完全键合。
【天1此,用1
5mglmL的c3抗血清作为史持体的同定抗体的浓度.。
传感体系的响应直接与传感界面键合的酶标抗原的量相关,即与培养液中
酶标抗体的用量相关。实验中期望用最少量的HRP-C3能获得最大的荧光响应
值。通过逐步增加培养液中HRP.C3的量来选择其最优值。如图4.5所示:在
lmL培养液中,当HRP—C3溶液(30
饱和值。冈此,100
u
u
g/mL)用量增加到1001.t
L时,响应达到
L的HRP—C3溶液加到最终体积为lmL的培养液中视为实
验的最佳值。另外的实验结果表明在27*(2下培育30分钟为最传的温度和培育时
间。
//
<
Fig
45Effectofthe
amountofHRP。C3
4.3.5
免疫传感装置的响应特性及初步应用
图4.6是在最优条件下测得的c3补体的校正曲线。荧光响应与c3补体在6.5ng/mL
到75ng/mL之间呈准线性关系。用同一传感生物组份支持体经pH2的B.R缓冲液进
行表面更新后测定同’一浓度的c3补体,其相对标准方差5.3%(n嗡1,说明该装置可以
为检测c3补体提供一个相对可靠的结果。
Fig.4
6Calibration
curve
forC3determinationobtained
by
the
competitive
immunoassay.Biocomposite
incubatedin0.067mol/LPBSof
pH
6.8
containing
different
amount
ofC3(analyte),1.2
pg/ml
C3一HRP
conjugate
and
0.1%(v/v)BSA.
Each
point
represents
themean_+SD
offour
determinations.
对制各的传感器装置用于榆测咖清中c3的含量的可行性进行了研究。我们
用制备的装置测定了4份由中南大学湘雅医学院提供的血清样品,并将结果与临
床中ELISA法测定结果进行了比较(表4.1)。由表可知,用该建议方法检测血
清中c3完全能满足临床分析的需要.
Table
4.1
Complement
determination
inhuman
serum
samples
Sample(a)
Sensormethode
Clinical
method(ELISA)
gL‘1
gL一1
1#
1.16±0.02(b1
1.14
2#
1.434-0.05
1.45
3#
2.184-0.07
2.3
a.Samples
weredilute2x1
04times;b.Mean±SD
of
fourmeasurment.
4.4结论
试验结果表明,基于纳米Ti02颗粒吸附免疫组分的酶联免疫荧光传感体系可
以提高c3检测的灵敏度,制备的可更新免疫组分支持体基本解决了免疫传感层
再生困难的问题,经过酸性溶液的洗涤后,支持体表面可以得到再生,该方法简单,
榆测下限较低,可以满足临床分析的需要。
第五章
基于甲哌氯丙嗪为荧光底物的可更新荧光免疫技
术用于羊抗人免疫球蛋白的测定
5.1前言
生物免疫测定方法,比如酶联免疫法,放射免疫分析,电化学免疫分析等在医学
诊断,食品和环境的方[Ⅱi有发挥了很重要的作用f118,i”】.由于放射免疫法会带来放
射性污染,酶联免疫法和荧光免疫分析法被更广泛的虑用于生物分析中.传统的酶
联免疫法一般使用比色法来测定酶催化发应.可是这种方法灵敏度4i高.电化学免
疫受溶液的多离子性及离子活度与离子浓度之间的复杂关系的影响存在灵敏度
低(榆测限一般为微摩尔级)及线性范同上限低等缺点.于是耦台了酶催化放大
技术和高灵敏度的荧光检测技术的酶联荧光免疫技术解决了这个问题.
对羟基苯乙酸‘…】,对羟基苯丙酸㈣],阿魏酸‘1321等都曾用作辣根过氧化物酶的
荧光底物.但是已有的辣根过氧化物酶的荧光底物存在以下不足:1)酶催化反应速
度慢,荧光产物的荧光较弱且发射波长与蛋白质相近.2)对H202敏感,H202对荧光
底物的影响很大.3)荧光产物的stocks位移小.甲哌氯丙嗪是一种抗呕吐剂,主要作
用于人体的神经系统l””.它对H她较稳定,可以作为辣根过氧化物酶的底物[1341我
们研究发现酶催化反应可导致其荧光增强.本实验试图用聚苯乙烯(Ps)制成支持体
通过疏水性非特异性吸附将IgG固定在其表面,然后与羊抗人lgG和酶标羊抗人
lgG进行竞争免疫反应,而酶标羊抗人lgG可催化H202将荧光底物一甲哌氯丙嗪
2-Chloro一1
0-【3一(4一methyl一1-piperazinyl)propyl]一IOH—phenothiazine(prochlorperazine)
氧化,导致荧光增强,呙此可用荧光增强的多少来测定羊抗人IgG的量.通过简单的
打磨抛光后航体支持体表面可以得到有效的再生.
5.2实验部分
5.2.1试剂
辣根过氧化物酶(HRP,1000
Umg~,Rz-3.0)和甲哌氯丙嗪
(prochlorperazine,PcPl从Sigma公司购得;IgG羊抗人lgG(GalgG),牛血清蛋白
(BsA)均购自上海申索生物试剂公司;实验中,含有O.1%BSA的磷酸缓冲溶液
(PBS),用O.067mol/L
KH2P04和0.067
mol/L的Na2HP04配制。HRP底物溶液为
包含PCP-H202,pH
5.4的PBS.其余试剂均为分析纯,试验用水为二次蒸馏水.
5.2.2仪器
目奉HITACHIf-4500型荧光光度仪用于荧光测定:Ej本SHIMADZU
multispectr.1
501紫外分光光度仪用于紫外测定;CSS501型恒温槽用于控制孵育
温度。江苏产蠕动泉产生液流.
5.2.3酶标GaIgG的制备
将5.0mLHRP溶解于0.5
molL。1
pH值为5.0的醋酸钠缓冲溶液中,加入O.25
mL0.1
molL。的Nal04溶液,在4℃下反应30rain。而后加入0.5mL2.5%(v/v)
的乙二醇溶液,室温下放置30分钟。加入GalgG1.0mg,用碳酸钠缓冲溶液(pH
9,5)调DH值至9.0,将溶液于4℃下放置过夜。再缓慢的向溶液中加入0.1mL
(5
mgmL~)Nal04溶液,在4℃下放置2
h后,4"C下置于pH值为7.4的0.1
moll。1
磷酸缓冲液中透析过夜.
5.2.4
IgG的固定
聚苯乙烯(O.059),碳粉(O.089)混合,用lmL乙醚溶解,在空气中干燥
lO分钟。待绝大部分乙醚挥发后,将所得黑色糊状混合物塞入直径为6mm,深1
cm[”1的PVC管中,放置一天待其变硬。将其表面在金相砂纸上抛光成镜,置于1
ml
1mg/mI
lgG培养液中孵育20分钟,取出,再分别用水和PBS液洗涤其表面两
次。
5.2.5免疫反应荧光检测过程
酶联免疫荧光传感装置构造如图Fig.5.1所示。测量程序如下:第一步,不同
体积的GalgG待测溶液与100¨L
HRP—GalgG连接伴混合,然后加入缓冲液使溶
液总体积为lmL,将支持体插入培养液中,在27
6C下培育20分钟,取出用洗液
冲洗传感表向,测量前将传感生物组分支持体置于缓冲溶液中保存;第二步,将
传感生物组分史持体固定于位于光路上的流通反应池上;包含2.5×104
molL。
PCP底物溶液被泵入流通反应池,在350nm处激发光下,测392nm处底物溶液
的荧光强度,接着加入5×10。6molL~H202并记录变化了的荧光值,计算荧光强
度变化。
Fig.5
1
Schematic
diagram
offlow
injection
system
coupling
with
fluometry
5.2.6支持体表面的再生
生物组份史持体表面可以通过在金相砂纸上抛光再生
5.3结果与讨论
5.3.1.GalgG的定量
a1
PCP的结构如图Fig.5.2所示
/^\N—CH3
广,N\/
颐!珂a
Fig.5.2
ConstructionofPCP
H202可以将PCP缓慢氧化成红色产物,HRP可催化该反应进程,反应过程中可
观察到蓝色中间体的产生.图Fig.5.3是PCP溶液在HRP的催化下与H202的作用
的紫外光谱.图中a为单纯的1×10。molL。PCP溶液的紫外图,b为加入H202后的
紫外图,c为在酶作用下H202氧化PCP的紫外图由图可知,底物PCP在300nm处
有明显的紫外吸收峰A,加入H202后,在51
5nm处有一处u及收峰D,加入酶之后该
峰消失,该峰也许是H202和底物PCP作用所形成的中间态物质的紫外吸收峰,加
入酶之后,H202优先和酶反应生成+5价的酶中间体,所以该峰消失;自nXNZN在
335nm处产生~个明显的峰C,C峰应该是PCP氧化最终产物的紫外吸收峰.在
295nm处的B峰随H202和酶的加入逐渐升高,B峰也许是氧化的中间产物的紫外
吸收峰.
…日lB
ngml
Fig.5.3Absorption
spectrum.a)containing
1×10。molL“PCR
b)containing
l
×10-3molL‘1
PCP
and
3×10-3molL~H202.C、containing
1×10。jmolL“PCPand
3×
10—3molL一‘H202
with
10
u
g/mL
HRP
荧光峰的选择:PCP在280nm和350rim处有两个激发峰,同样在395nm和
450nm处有两处发射峰.分别固定280nm和350nm激发扫描发射峰,发现固定
350nm的激发395nm和450nm处的两处发射峰都远远大于285nm处激发产生的
发射.由图F晤5.4可知PCP在350nm处的激发光下,在395nm和450rim处显示有
两处荧光发射.图中a为1×10-3moll’1
PCP溶液的荧光曲线.在加入3×
10。molL“H202后.450nm处的荧光峰明显降低,而395nm处的荧光峰增加很小(b).
在有酶存在的情况下,395nm处的荧光峰叫显增强,而450nm处的荧光峰被395nm
处的荧光峰所掩盖.所以我们选择395nm处的荧光峰来对免疫过程进行检测.
Fig
5.4fluorescence
spectrum.a)containing
1×10-5molL“PCE
b)containing
1
x
10-5molL“PCP
and
3×10。molL~H202
c、containing
1×10-5molL‘1
PCPand3×
1
0-5moiL一‘H,O,with
2
u
g/mL
HRR
分析程序中,样品中的GalgG和加入的HRP-GalgG竞争与lgG发生免疫反
戍而连接到电极上,GalgG(待测)浓度越大,HRP-GalgG连接在支持体表面的
量越少,在酶催化反应环节,HRP—GalgG催化H202将底物溶液中的部分PCP
转化为中间产物M1,而使底物溶液在392nm处的荧光峰荧光增强,所以HRP—
GalgG越多,荧光增强越大,相应的待测待GaIgG浓度越少。酶催化反应荧光
发射如图Fig.5.5所示。从图上可知,HRP—GalgG引起的荧光升高具有浓度相关
性。冈此可以用荧光升高值来对GalgG进行定量.
一
Fig
5.5
Fluorescence
■澎一
一
increase
of
PCP
obtained
withthe
addition
ofdifferent
HRP—GalgG
concentration
for
2rains
inPBS
containin92.5×10‘molL一1
PCP
and
5x10。6
molL。。H202
at
pH
5.4.Concentration
ofHRP-GalgG
was(gtg/mL):(a)O;(b)
2.5×10‘。;(c)5x10~;(d)9x10
5.3.2实验条件的优化
实验过程中参数的改变会传感系统的荧光响应.这些参数主要包括pH,支持体
的机械性能,流速,温度,酶标抗原和抗体的浓度大小等.
5.3.2.1
pH的影响
小仅PCP奉身的荧光强度受pH影响,而且HRP—GalgG的活性和HRP—
GalgG-lgG复合物的稳定性也受pH的影响。Fig.5.6是2,5×10。o
molL。1PCP溶
液的荧光随pH变化曲线。从图F嘻5.6上可知,溶液的荧光强度在pH5.3…7.4
之间荧光趋于降低。这可能是pH直接影响PCP的质子化过程而影响基态与激发
态的平衡的缘故.由于酸性太强对酶和抗原抗体的活性都有很大的影响,故在试验
中选择pH5
4为最佳pH值.
懈
啪
m
啪
m
m
Fig.5.6
Effectof
pH
on
PCP
fluorescence
linensity
5.3.2.2
PS免疫组分支持体的性质
在奉实验中,在PS中加入碳粉可以增加其吸附能力,同时还可以提高支持体的
机械强度.实验中,在PS与碳粉的比例为2:3时,支持体的机械性能最好.
5.3.2.3流速的影晌
当PCP—H202溶液流径流通反应池时,与HRP-GaIgG-lgG复合物接触的部分
PCP被转化引起荧光增强,所以底物溶液流速直接影响荧光强度。图Fig.5.7说
明了流速对底物液荧光的影响。流速低,荧光升高较多,若太低分析时间则会延
长,本研究选用30mL/H的液流速度。
10……∞M∞∞
……lmmI
Fig.5.7
Effect
oftheflow
rate
of
thesubstrate
increase.
carrier
solution
on
fluorescence
5.3.2.4抗体和酶标抗原浓度的影响
a.IgG的含量将直接影响到电极表血HRP—GalgG的量.19G浓度0.1到lmg/ml,
荧光升高增大,再增大浓度时,荧光强度趋于稳定,冈此在试验中选择1mg/ml
为最佳抗原浓度.
b.传感体系的响应直接与传感界面键合的酶标抗体的量相关,即与培养液中酶
标抗体的用量相关。实验中期望用最少量的HRP.GalgG能获得最大的荧光响
虑值。通过逐步增加培养液中HRP.19G的量来选择其最优值。如图Fig.5.8
所示:在lmL培养液中,当HRP.GalgG溶液(301.t
g/mL)用量增加到30H
L时,响应达到稳定。因此,30
u
L的HRP.GalgG溶液加到最终体积为ImL
的培养液中视为实验的最佳值。另外的实验结果表明在27。CT培育20分钟
为最佳的温度和培育时间。
Fig.5.8
Effectofthe
amount
ofHRP-GalgG.
c.在实验中我们同定了PCP的浓度为2.5×10。6
moll。1PCP溶液为荧光底液
在固定HRP—GalgG浓度不变的情况下,测得5×1
0。6
molL。1的H202为最佳浓度.
5.3.2.5免疫传感装置的响应特性及初步应用
图Fig.5.9是在最优条件下测得的GalgG的校正曲线。荧光响应与GalgG浓
度在2ng/mL到60ng/mL之间呈准线性关系。相关系数为0.98.同一支生物组分支
持体经过打磨抛光进行表面更新后对同浓度的GalgG进行检测,相对方差为
2.1%(n=8),说明该装置可较准确对lgG进行定量.
3.4结论
以PS制成支持体同定lgG,以甲哌氯丙嗪为荧光底物可较准确的测定GalgG的
含量.通过简单的打磨抛光后,抗原支持体表面可以得到有效的再生.该方法具有简
单,榆测限低,重现性好等优点.
结论
第一部分:1)以壳聚糖和改性褐藻酸钠凝集作用制备的日本血吸虫传感器解决
了以往同定方法中影响生物活性利再生困难的问题,同时将褐藻酸钠进行改性,极大
的降低了生物同定载体表面非特异性吸附严重的问题.2)利用纳米二氧化钛颗粒与
碳粉的协同作用,制备了一种高灵敏度的过氧化氢传感器.将纳米=氧化钛包埋
入碳糊电极里的方法研制同定酶的生物传感器可以解决传统的酶修饰电极小能很
好的满足灵敏度,置信度以及操作简便的要求.
第二部分:以3,3’.5,5’一四甲基联苯胺(TMB)和甲哌氯丙嗪(PCP)为荧光底物
解决了以往酶联荧光免疫传感器中底物的一些巧i足:1)酶催化反应速度慢,荧光产
物的荧光较弱且发射波长与蛋白质相近.2)对H2吼敏感,H:O:对荧光底物的影响很大
以3.3’,5,5’
四甲基联苯胺(TMB)和甲哌氯丙嗪(PCP)为荧光底物已经成功用于
测定C3补体和羊抗人lgG.
42
致
谢
本论文是在导师沈国励教授的悉,0指导下完成的.从论文的选题,实验方案的
拟定到文章利沧文的修改,每一项T作都凝聚了沈老师的心血.他渊博的知识。严
谨的治学态度,开阔的学术思想和勤勉的教书育人的作风永远是我们学习的榜样
对我们无微小至的关怀体现了他高尚的情操,让我永生难忘.在此.谨向导师沈国
励教授表示衷心的感谢.
感谢胡舜钦博十对我论文的选题.文章和论文的修改提出的宝贵思想和意见
他严谨的T作态度,开阔的知识面和对我生活工作上的关心使得我能在二年中顺
利完成学业在此,对胡舜钦博十表示由衷的感谢
真诚的感谢本实验童蒋健晖教授,崔卉,吴朝阳,营棒祥老师的热情帮助和大
力史持.感谢龚福春,雷存喜,宦双燕,杨郁.王桦,李继¨l,陈立新,李春香等同学
在诸多问题上的讨论和大力史持.
最后,感谢我的父母和朋友对我三年来的理解,支持和帮助
二零零二年七月于长沙
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1998,13(1):7—17
[77]Wang
J,Pamidi
PV
A,Rogers
K
R.Sol—gel
derived
thick—film
amperometric
immunosenosrs
AnalChem,1998,70(6):1171—1175
[78]Sadik
O
A,Jahn
M
J,Wallance
G
G
et
a1.Pulsed
Amperometric
Detection
of
Thaumatin
using
Antibody—conmining
poly(pyrrole)Electrodes.Analyst,1994,119(9):
1997.2000
[79]Zhou
Y
M(周弧明),Liu
G
D(刘国东),Wu
z
Y(吴朝阳),et
a1.An
Amperometric
[muunosensor
Based
on
a
Conducting
ImmunocomDositc
Electrode
forthe
Determinationof
Schistosoma
Japonicum
Antigen.Analytical
Sciences,2002,
18:l55.159
[80]Liu
G
D(刘国东),Wu
Z
Y(吴朝阳),Wang
S
P(汪世平),et
a1.Renewable
amperometric
immunosensor
for
schistosoma
japonium
antibody
assay.Anal
Chem,
2001,73(14):3219-3226
[81]Tinsley—Bown
A
M.Tuning
the
pore
size
and
surface
chemis仃y
of
porous
silicon
for
immunoassays.Phys
Star
Sol,2000,1
82(4):547—53
[82]Smith
A
M,Ducey
M
W
Meyerhoff
M
E.Nature
of
immobilized
antibody
layers
linked
to
thiocticacid
treated
gold
surfaces
Biosensorsand
Bioelectmnics,2000,1
5(3-4):
193-192
[83]Disley
D
M,Cullen
D
C,You
H
X,et
a1.Lowe
and
Covalent
coupling
of
immunoglobuIin
G
to
self-assembled
monolayers
as
a
method
for
immobilizing
the
interracial
recognition
layer
of
a
surface
plasmon
resonance
immunosensor.Bi08。“so’5
49
and
Bioelcctronics,1998,13(11):1213-1225
【84]Shriver
Lake
L
C,Donner
B,Edelstein
R,et
a1.Antibody
immobilization
using
heterobifunctional
crosslinkersBiosensors
andBioelectronics,1997,12(11):1101.1106
[85]Willliams
R
A,Blanch
H
W.Covalent
immunobilizationof
proteinmonolyers
for
biosensor
applications.Biosensors
and
Bioelectronics,1
994,9(3-4):1
59—1
67
[86]Ngeb—Ngwainbi
J,Foley
P
H,Kuan
S
S,et
a1.Parathion
antibodies
on
piezoelectric
crystals
J
Am
Chem
Soc,1986,10808):5444—5447
【87]Owaku
K
G
Masahiro
l,Yoshihito
A
M.Protein
A
Langrnuir-Blodgett
film
for
antibody
immobilization
and
its
use
in
optical
immunosensing
Anal
Chem,1995,
67:1613.1616
【88]Turiel
E,Femandez
R
Orientated
antibody
immobilization
for
atrazinedetermination
by
a
flow—through
fluoroimmunosensor.Fres
JAnal
Chem,1999,365(8):658-662
[89]Tinsley—Bown
A
M.Tuning
the
pore
size
and
surface
chemistry
of
porous
silicon
for
immunoassays,Phys
Stat
Sol,2000,1
82(4):547—53
[90]Christian
K,Andreas
H,Wolfgang
S.Immobilization
Methodfor
the
Preparation
of
BiosensorsBased
on
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Shift—Induced
Deposition
of
Biomolecule—Containing
Polymer
Films.Anal
Chem,2002,74(2):355—361
[91]Robert
M,Johannes
F,et
a1.Miniaturized
Electrospraying
asa
Technique
for
the
Production
ofMicroarrays
ofReproducible
Micrometer-Sized
Protein
Spots
Anal
Chem,
2001,73(10):2183-2189
【92]ltamerⅥRon
B,Arie
D.Application
ofPhotoisomerizable
Antigenic
Monolayer
Electrodes
asReversibleAmperometriclmmunosensors.JAmChem
Soc,1994,116(20):
9365—9366
[93]Blonder
R,Levi
S,Tao
G
I,et
a1.Development
of
Amperometric
and
Microgravimetric
Immunosensors
and
Reversible
lmmunosensors
Using
Antigen
and
PhotoisomerizableMonolayerElectrodes.JAmChemSoc,1997,119(43):10467-10478
[94]Fernfindez-Sgnchez
C,Costa-GarciaA.Competitive
enzyme
immunosensor
developed
on
a
renewable
carbon
paste
electrode
support.Analytica
Chimica
Acta,
1999,402:119-127
[95]Zhou
Y
M(周Ⅱ明),Hu
S
Q(胡舜钦),Cao
z
x(曹梓祥),et
al,An
Amperometric
immunosensor
Based
on
an
Electrochemically
Pretreated
Carbon—Paraffin
Electrode
for
Complement
III(C3)assay.Biosensors
and
Bioelectronics,2003,18(4):473_481
50
【96]Wang
J,Abdel—Nasser
K.Magnetic
bead—based
Label-Free
Electrochemical
detection
ofDNA
hybridization.TheAnalyst,2001,126(11):2020—2024
【971Li
x,Rosenzweig
z.A
fiber
optic
sensor
for
rapid
analysis
ofbilirubin
in
serum.Anal
Chim
Acta,1997,353:263-273
[98]Zhang
w’Chang
H
Dual—enzyme
fiber
optic
biosensorfor
pyruvate.Anal
Chim
Acta,
1997,350:59—65
[99]Cordek
J,Wang
X.Direct
immobilization
of
glutamatedehydrogenase
on
optic
fiber
probesfor
ultrasensitive
glutamate
detection.AnalChem,1999,71:1529—1533
【100]Chen
X
H,Ruan
CM.Characterization
of
thedirect
electrontransfer
and
bioelectrocatalysis
ofhorseradish
peroxidase
inDNA
film
at
pyrolytic
graphite
electrode.
AnalChim
Acta,2000,412:89-98
【101]Yabuki
S,Mizutani
F.Hydrogen
peroxide
determinationbased
on
a
glassy
carbon
electrode
covered
with
polyion
complex
membrance
containing
peroxidase
and
mediatoLSensors
andActuator,2000.65:49—51
[102]Sun
J
J,Fang
H
Q,Chen
H
Y
immobilization
of
horseradish
peroxidase
ona
slef-assembled
monolayer
modified
gold
electrode
forthe
detection
ofhydrogen
peroxide.
Analyst,1998,123:1365·1366
【103]Tian
F
M,Xu
B,Zhu
L
D,et
al
Hydrogenperoxide
biosensor
with
enzyme
entrapped
within
electrodeposited
polypyrrole
based
on
mediated
sol—gel
derived
composite
carbon
electrode.Anal
Chim
Acta,2001,443:9_16
[104]Qian
J
H.Liu
Y
C,Liu
H
Y’et
a1.Characterization
of
regenerated
silk
fibroin
membrance
for
immobilizing
peroxidase
and
construction
of
an
amperometric
hydrogen
peroxide
sensor
employingphenazine
methosulphate
as
electronshuttle.J
Electroanal
Chem,1995,397:157一162
[105]Bossuyt
X,Bogacrts
A,Schiettekatte
G
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998,14:99-104
[108]Blonde
R
Levi
S,Tao
G
L,et
a1.Development
of
amperometric
and
microgravimetric
immunosensors
andreversible
immunosensors
using
antigen
and
{l
photoisomerizable
antigenmololayer.JAm
Chem
Soc,1997.119:10467—10678
【109】Asandandreu
M,C6spedes
F’Alegret
S,et
a1.Amperometric
immunoensersbased
On
rigid
conducting
immunocomposites.Anal
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[1
1
0]S016
S,Alegret
S,C6spedes
F,et
a1.Flow
injection
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based
on
inagnetoimmunosenser
system.AnalChem,1998,70:1462—1467
[1
1
1]Yan
X
L,KhorE,Lim
L
Y,et
al,PECfilms
prepared
from
chitosan—alginate
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[112]Kim
S
G
LimG
T,Jonggeon
J,et
al
Separation
ofMTBE(methyl
t-butylether)and
methanolmixtures
through
polyion
complex
composite
memberames
consisting
ofsodium
alginate/chitosan
J
Membr
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Chem”:Acadamic
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York1
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[1
l
4】wu
z
Y(吴朝阳),Yah
YH
C颜永红),Shen
G
L(沈匡『励),et
al,Anovel
approach
of
antibody
immobilizationbased
on
n—butylamino
plasma-polymerized
filmsfor
sensoL
Anal
Chem
Acta,2000,41
2:29-35
【1
15]Volpe
G
Compagnone
D,Draisci
R,et
a1.3,3’,5,5’-tetramethylbenzidine
as
electrochemicalsubstrate
for
herproxidase
based
enzyme
immunoassays.A
comparative
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16】Zhang
S
S(张书圣),Jiao
K(焦奎),Chen
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New
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on
nanocrystalline
Ti02
films:an
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T,Anthony
E
G
C,Brian
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proteins
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andZnO
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r
Okawa
K
Watanabe
f
Enzyme
monolayer-andbilayer-modified
tin
。xide
electrodes
for
the
determination
of
hydrogenperoxide
and
glucose.Anal
Chem,
S,
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