学位论文研究课题孙丽娟

1、陕西师范大学化学化工学院硕士研究生学位论文开题报告题 目：通用型双极电化学发光阵列生物传感器的研究学号：121664姓名：孙丽娟学科专业：分析化学研究方向：生物电分析导师姓名：张成孝职称：教授报告主持人：报告日期： 填表日期：年月日填 表 说 明1、开题报告是硕士生培养的重要环节，研究生需在导师的指导下认真完成，具体要求参见陕西师范大学化学化工学院关于研究生学位论文开题报告的规定。2、开题报告文献综述部分的基本要求：（1）国内外本研究课题的发展现状、趋势及问题等，字数6000字左右。（2）参考文献量应不少于30篇，对于个别新兴研究领域其文献量可酌情减少；参考文献中最新研究文献（近五年内发表的文

2、献）不少于三分之二，外文文献不少于四分之三；（3）文献引用格式需符合陕西师范大学学位论文参考文献格式要求的相关规定。3、完成时间：研究生应在入学后第三学期初（9月1日至10月1日）进行，具体时间各学科可按实际情况进行安排；2012级研究生应在2013年11月15日前进行开题。4、硕士生开题报告书应首先获导师认可方可参加开题。5、打印要求：此表用A4纸双面打印，各栏空格不够时，请自行加页。6、开题报告通过、修改、签字完毕后，交学院办公室存档一份。选题基本情况（）本研究题目为： 1. 导师课题的一部分 ( )；2. 委培单位的课题 ( )；3. 其它（须具体说明） 。选题分类 （）1. 基础研究

3、( )2. 应用研究 ( )3. 综合研究 ( )4. 其 他 ( )选题来源 （）1. 973、863项目( )2. 国家自然科学基金项目 ( )3. 中央、国家各部门项目 ( )4. 陕西省项目( )5. 西安市项目 ( )6. 企、事业单位委托项目（ ）7. 国防项目 （ ）8. 其他 （ ）一、立题依据1.项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）近几年，无论在发展中国家还是在发达国家，心血管疾病（cardivovascular CVD）都是人类

4、死亡的一个重要原因。根据世界世界卫生组织（WHO）的推测，预计到2015年，心血管疾病将是引发发展中国家人口死亡的首要病因。因此，发展稳定性高、特异性强、灵敏、可实现对多种心血管疾病标志物同时检测的方法对与心血管疾病的早期发现和治疗具有极其重要的意义1。生物传感器2是一类以生物分子识别物质(如酶、抗体、核酸、细胞等）作为生物敏感单元，对目标检测物具有高度选择性的检测器。由于生物传感器具选择性好，灵敏度高、分析速度快、可检测的目标范围广等优点，而在心血管疾病的早期诊断方面起着重要的作用3。目前报道的心血管疾病的标志物有C反应蛋白(C reaction protein简称CRP)、心肌肌钙蛋白I（

5、Cardiac tropinin I 简称c TnI）、心肌肌钙蛋白T（Cardiac tropinin T 简称c TnT）、肌红蛋白（Myoglobin 简称Mb）、白细胞介素-6（interlukin-6 简称IL-6）、白细胞介素-1（interlukin-1 简称 IL-1)、低密度脂蛋白（low-density lipoprotein 简称LDL)、髓过氧化物酶（myeloperoxidase 简称MPO) 、肿瘤坏死因子-（tumor necrosis factor alpha 简称 TNF-)、脑钠肽（brain natriuretic peptide简称BNP）等。对于心血管

6、疾病标志物检测的方法有化学发光分析法、荧光分析法、电化学分析法、电化学发光分析法等。在这些方法中，电化学发光分析法(Eleertogneerated chmilmuniesecnce，简称ECL)，是对电极施加一定的电压进行电化学反应，反应产物之间或反应产物与体系中的某种组分发生化学反应，产生激发态物质，激发态物质回到基态时产生发光，用光电倍增管等测量发光强度，从而对物质进行定性或定量的分析的方法4。它作为电化学分析方法与化学发光分析法的产物，具有检测限低、线性范围宽、仪器简单、受电极污染小等优点。相对于化学发光，具有可控性强的优点；相对于电化学分析法，具有检测限低的优点；相对于荧光检测，具有

7、无光漂白，不需要光源和分光系统等优点，因而引起了国内外分析化学家门的极大兴趣。国外的Bard，Rusling，Miao，Walt研究小组，国内长春应用化学研究所，南京大学，福州大学，中国科技大学，南开大学，华东师范大学，青岛科技大学，西北大学，济南大学，陕西师范大学等，在电化学发光体系和生物分析，尤其是心血管疾病标识物应用研究方面取得了一系列的研究成果。目前，国内外利用电化学发光技术进行心血管疾病标示物的传感技术，主要集中于新型电化学发光体系、分子识别物质固定化、信号放大和检测系统等单个传感器的研究，涉及多组分物质检测的电化学发光阵列传感方法和器件的研究相对较少。双极性电极是一个不与外电源连接

8、而置于驱动阴极和阳极之间电解液中的导体5,6，与传统的三电极体系相比，双极性电极应用于电分析化学的主要优点是不需要电线的直接连接，简单的电源甚至电池就可以满足供电，双极性电极的电位容易控制。因而可以通过建立双极性电极阵列来实现多组分的同时检测。目前电化学发光分析法的检测器主要分别为光电倍增管和CCD, 其中以CCD作为电化学发光分析法检测工具的方法称为电化学发光成像法。目前商品化的光电倍增管很难实现多信号的同时采集，而CCD却可以实现多信号的采集。基于电化学发光成像是一种全新的成像技术，兼有化学发光成像法和电化学发的优点，不仅能够提供发光强度和电化学信号，而且能够进行光学成像7，该法不仅能提供

9、传统分析化学所能确定的“是什么”和“有多少”的定性以及定量概念，而且可以提供 “什么位置有什么”、“有多少”的信息8。因而，电化学发光成像实现多组分同时检测方面有着很大的优势。 在目前的研究中，对于双极性电极阵列应用于电化学发光传感器中实现多组分同时测定的研究还未见报道。基于此，该研究拟建立一种用于多组分同时测定的通用型双极电化学发光阵列生物传感器。本文将就近6年电化学发光生物传感器，阵列生物传感器、电化学成像分以及和双极性电极应用方面的一些研究进展进行综述。1. 电化学发光生物传感器的研究电化学发光生物传感器(Electrochemiluminescence biosensor)是将特异性分

10、子识别物质如酶、抗原/抗体、DNA作为分子识别物质固定在换能器上，将待测物质的浓度转变为电化学发光检测信号的分析器件。电化学发光生物传感器以其实验装置简单、选择性好、灵敏度高、分析速度快、操作简便等特点，在分析化学的研究中起着越来越重要的地位，已广泛用于生命科学、环境分析、药物分析等领域。电化学发光生物传感器根据是否标记电化学发光信号物质分为标记型和非标记型两类模式。非标记型电化学发光生物传感器是将电化学发光信号物质通过吸附或插入等非标记的方法引入传感器中，利用目标物质与传感器相互作用前后，电化学发光信号的变化而进行检测的传感器。非标记型电化学传感器不需要复杂的标记电化学发光信号物质的过程，是

11、一种简单易行的传感模式，但灵敏度相对较低、干扰较大。标记型电化学发光生物传感器是指利用电化学发光信号物质对目标物质或分子识别物质进行标记得到电化学发光信号探针，利用信号探针指示分子识别物质与目标物质相互作用的传感器。标记型的电化学发光生物传感器以其高灵敏度备受人们的关注。南开大学的Yin等人9设计了一种非标记电化学发光检测凝血酶的生物传感器。原理如图1.1所示，该传感器以Ru(phen)32+为信号物质，凝血酶适体为分子识别物质，将有27个碱基的单链巯基凝血酶适体自组装于金电极表面，封闭剂封闭后，含有20个碱基的互补DNA与适体杂交结合于金电极表面。随后，将Ru(phen)32+信号物质插入双

12、链DNA中，形成电化学发光传感器。当体系中存在凝血酶时，凝血酶适体特异性地识别凝血酶而使双链DNA打开，释放信号物质，基于电化学发光强度的降低值进行检测。 图1.1 电化学发光适体传感器检测凝血酶原理图Figure 1.1 Schematic for the principle of the developed ECL aptasensor for detecting thrombin.2008年，张成孝小组10以钌联吡啶衍生物标记的发卡型DNA作为分子识别物质，构建了一种高选择性检测目标单链DNA的电化学发光传感器(如图1.2)。该传感器对互补DNA序列的检出限为9×10-11 M

13、，能有效区分单碱基错配与完全匹配DNA，解决了直接固定直链DNA电化学发光DNA探针而造成的高背景缺点，也克服了先固定化检测单链DNA再杂交电化学发光DNA探针模式非传感的缺点。图1.2 基于杂交的发卡型DNA探针目标DNA原理图Fig. 1.2 Schematic diagram of the hairpin-DNA probe detection for DNA hybridization.2011年该小组11以钌联吡啶作为信号物质，溶菌酶适体(LBA)作为分子识别物质，报道了一种新型的非标记电化学发光适体传感器检测溶菌酶的方法。检测原理如图1.3所示，溶菌酶适体(LBA)带有大量负电荷，

14、一端带有巯基，通过巯基自组装于金电极表面。溶菌酶与静电吸附在适体上的电化学发光信号物质Ru(bpy)32+竞争结合固定在电极上的适体。在溶菌酶存在时，带阳离子的溶菌酶与带阴离子的适体(LBA)序列易于形成LBA-lysozyme复合物，此时溶菌酶适体(LBA)上的阴离子减少使得通过静电吸附作用吸附在适体上的Ru(bpy)32+减少，基于电化学发光信号降低值进行检测。图1.3 非标记电化学发光检测溶菌酶原理图Fig. 1.3 Schematic diagram of the label-free aptasensor for the detection of lysozyme.2. 阵列生物传感

15、器的研究阵列生物传感器是一种用可检测的信号实现高通量生物学信息的转换和获取的传感器件，是多个生物传感器的集合体。它由分子识别物质和换能器组成。阵列生物传感器具有分析通量高、样品用量少等优点12。基于不同的检测技术，发展了荧光阵列生物传感器、电化学生物传感器、电化学发光生物传感器等。2.1 荧光阵列生物传感器Doong等人13利用溶胶-凝胶技术，将辣根过氧化物酶、谷氨酸脱氢酶和乙酰胆碱酯酶分别与不同的荧光物质共同固定于载玻片上，采用荧光法同时测定老年痴呆症的几种生物标示物- 淀粉样多肽、谷氨酸和乙酰胆碱，对应的检测限分别为 0.63nM、0.55mM和1.0mM，并且没有明显的交叉干扰。Huan

16、g14等人以光量子表面作为传感平台构建了高灵敏检测肿瘤标示物的蛋白阵列，实现了24种抗原的同时测定。在构建的光量子表面的传感平台上，青色素5在其激发波长处能够产生光学共振，从而可以提高了青色素5的荧光强度，使得阵列传感器的灵敏度大大提高，该研究获得了较低的检测限（2 pg/mL）。2.2 电化学阵列生物传感器Polsky等人15通过在阵列电极上可寻址固定探针DNA和捕获抗体，发展了用于乳腺癌基因（BRCA1）和人白细胞介素-12（IL-12）同时检测的传感阵列。图1.4是可寻址的固定探针DNA和捕获抗体的示意图。先将对氨基苯甲酸的重氮盐可寻址的修饰在5个指定的电极上，通过羧基和氨基的反应实现探

17、针DNA的固定，再将修饰有重氮盐的抗体通过电化学还原沉积在其余的四个电极上。此方法成功的将不同生物分子可寻址地固定在阵列电极的指定位置上，制得的阵列传感器有好的选择性，在复杂基质中也能实现对目标物的准确检测。2008年，该小组16以修饰有重氮盐的生物素标记的抗体为模型，以亲和素标记的金纳米和亲和素标记的HRP为信号，详细探讨了重氮化抗体在电极上的固定条件。以重组的肿瘤坏死因子（TNF）、 白细胞介素（IL-12）和人白细胞介素-1（IL-1）为模型，采用夹心模式，以HRP标记的抗体为信号抗体，考察了基于电化学重氮盐法构建的可寻址多物质同时检测的阵列传感器的分析性能49。图1.4电化学还原重氮盐

18、法构建的可寻址型DNA和抗体阵列传感器的示意图Fig. 1.4 DNA and antibody probe electrode array selectively functionalized via electroaddressable deposition of diazonium salts.2.3 电化学发光阵列生物传感器2009年，Walt小组17报道了一种利用光纤阵列和聚苯乙烯微球对多种抗原实现同时检测的电化学发光方法。原理图如1.5所示：首先将捕获抗体各自固定在聚苯乙烯微球上，通过抗原-抗体的相互作用，将生物素标记的抗体与目标抗原结合，通过链霉亲和素与生物素的相互作用，将钌联吡

19、啶络合物标记的链霉亲和素与生物素标记的抗体结合，从而形成聚乙烯微球-抗体/目标抗原/生物素标记的抗体/钌联吡啶络合物标记的链霉亲和素复合物，将上述含有不同目标抗原的聚苯乙烯微球填充到经刻蚀并涂覆金层的光纤束的微孔中，从而形成电化学发光阵列，通过电化学发光成像来收集电化学发光信号，从而实现了对人血管内皮生长因子（VEGF）、白细胞介素-8 （IL-8）和金属蛋白酶-1（ TIMP-1）的同时测定。 图1.5多重夹心结构电化学发光成像同时检测VEGF、IL-8、TIMP-1Fig. 1.5 Multiplexed Sandwich Immunoassays Using Electrochemilu

20、minescence Imaging for the detection of VEGF , IL-8 and TIMP-12011年，美国Rusling研究小组18以肿瘤标示物为对象，结合纳米放大技术，以抗原/抗体之间的作用为基础，建立了检测肿瘤标示物的电化学发光分析方法。研制了一种电化学发光阵列芯片，实现了对白介素6 (IL-6)和前列腺特异性抗原(PSA)的同时检测。检测原理如图1.6 所示，碳纳米管修饰的石墨芯片为传感器平台，Ru(bpy)32+作为电化学发光信号物质，二氧化硅纳米粒子包裹的Ru(bpy)32+连接的抗体为信号抗体，在白细胞介素-6和前列腺特异性抗原存在下，分别形成夹心

21、复合物，用电化学发光成像技术对白细胞介素-6和前列腺特异性抗原的进行同时检测。由于采用二氧化硅纳米粒子多负载信号物质Ru(bpy)32+的策略，白细胞介素-6的检测限为0.25 pg/mL，前列腺特异性抗原的检测限为1.0 pg/mL。这种多负载信号物质的策略和阵列芯片的使用实现了高灵敏同时检测多组份物质，此工作将为同时检测多组份物质提供新的思路。图1.6 电化学发光免疫同时检测前列腺特异性抗原和白细胞介素-6Fig. 1.6 ECL Immunoarray detection of PSA and IL-6. 国内电化学发光阵列传感方面的工作近年来也得到人们的关注。2009年华东师范大学Fa

22、ng 等人19利用电化学固定化方法，选择性的固定二氧化硅/壳聚糖包覆钌联吡啶于金阵列电极表面，构建了基于固定化钌联吡啶的电化学发光阵列化学传感器，进行了TPA的分析检测。2011年西南大学的Fu等人 20以印刷碳电极为检测平台，4个碳电极为工作电极，利用电化学发光免疫阵列传感进行人、兔和鼠免疫球蛋白的检测。通过人为控制PMT的检测位点，分别施加电压进行三物质的顺序检测。2012年南京大学的Chen等人21利用量子点CdS和钌联吡啶之间的电化学发光能量转移，在ITO电极上利用免疫竞争法进行了癌胚抗原、甲胎蛋白和前列腺抗原的同时检测。2012-2013年济南大学的Yu 等人22-24分别以钌联吡啶

23、和碳纳米点为电化学发光信号物质，结合流动注射、微芯片技术和电化学发光免疫分析技术，进行了癌胚抗原、甲胎蛋白和前列腺抗原等肿瘤标识物的电化学发光顺序检测。3.双极性电极在电化学发光分析中的应用研究3.1双极性电极系统原理：双极性电极（bipolar electrode）是一个不与外电源连接而置于驱动阴极和阳极之间电解液中的导体25,26。它是一个与离子导体相连接的电子导体。当一个足够高的电场施加于离子相时，即使双极性电极与外电源没有直接的电连接，法拉第反应也能在双极性电极的两端发生。与传统电化学三电极系统中的工作电极相比，双极性电极有三点不同：（1）不与外电源直接电线连接；（2）电极与溶液间的电

24、位差决定于溶液中的电场，而不是直接决定于电位仪控制的界面电位；（3）双极性电极上阳极端发生氧化反应，阴极端发生还原反应，即面对着驱动阳极的一侧起着阴极作用，面对着驱动阴极的另一侧起着阳极作用，而传统的工作电极上只发生氧化反应或还原反应中的一种。经过十年的发展，双极性电化学已经不再是无人问津的课题，而是逐渐发展成为能够将电化学方法集成于芯片实验室的一种非常有前途的新技术。一个电化学反应能否发生，决定于电极与溶液间界面电位差的大小。换句话说，电子转移的驱动力是界面电位差，而不是电极或者溶液的绝对电位27。在传统的三电极电化学系统中，工作电极的电位通过恒电位仪控制，而溶液的电位不能直接控制，如图1.

25、7a所示。也就是说，界面电位差由工作电极来决定。当工作电极的电位控制在比溶液中电活性分子发生反应的电位更负时，电子从电极转移到溶液中的还原组分；同理，电化学氧化时，电子转移的方向相反。如图1.7b所示。在工作电极与对极间测量到的电流直接与电化学反应的速率成正比。图1.7 三电极系统与双极性电极系统构造图Fig.1.7 Configuration of three-electrode and bipolar-electrode双极性电极的构造与传统体系有点相反。即溶液与电极间的界面电位差决定于溶液中的电场分布。尽管在双极性电极的实验中,溶液和电极的作用互换,但我们仍然可以对界面电位差进行控制。双

26、极性电极的构造如图1.7c所示。一个与外电源没有连接的导体材料被放置在一个微通道中。通道的两端各有一个驱动电极，由一个简单的直流电源为这两个驱动电极提供电压降Etot。因为通道电阻很高，施加于通道两端的Etot大部分沿通道线性降落。与类似的并联电路进行对比，能够帮助理解双极性电极如何响应Etot，如图1.8a，1.8b， 1.8c。当电流通过双极性电极时，就会在其两端产生电位差。根据并联电路中，各支路两端电压相等的原理可知，双极性电极两端的电位差Eelec等于Etot在该位置处、相同长度的电解质溶液上产生的电压降。因此，Eelec是通道总压降Etot的一部分(图3.2c)，是Etot和电极长度

27、lelec的函数。图1.8 双极性电极系统原理图Fig.1.8 Schematic diagram for bipolar-electrodeEtot代表了双极性电极的两极上耦合的两个法拉第反应的总驱动力。对于同时发生的这两个氧化还原反应，Eelec值必须高于这两个反应式量电位的差值。当RsRe（即通道中的电流主要由离子迁移承担）时，体系中Eelec可以通过(1)式估算：(1)这说明，对于一个给定的电场强度（Etot/lchannel），电极越长，则产生的Eelec值就越大，相应的ibpe也就越大。因此，Etot值的大小能否触发电化学反应，既决定于溶液组成，也跟电极长度和通道长度的比值有关。对

28、于已经报道的大部分结果，Etot的范围在2030V之间，没有超过100V的。因此，廉价的电源就能用来进行许多有趣的双极性电极实验。3.2 双极性电极在用电致化学发光法检测电活性分子研究国际上对于双极性电极的研究小组主要有：美国Richard M. Crooks教授 (The University of Texas at Austin)；法国Francois Mavre教授 (Universite´ Paris Diderot)；瑞典Leif Nyholm教授 (Linko¨ping University)；德国Ulrich Tallarek教授 (Philipps-UniV

29、ersita¨t Marburg)等，国内有南京大学徐静娟教授和陈洪渊院士研究小组。2001年，Andreas Manz等人首次将电化学发光检测应用于双极性电极中28，提出利用双极性电极阳极端的电化学发光间接报告阴极端的法拉第电流这一非常有发展潜力的策略29,30，利用溶液中阴极端O2和H2O的电化学还原可检测阳极端的10-16 mol Ru(phen)32+ (10-6 M) 和 4.5´10-16 mol Ru(bpy)32+ (5´10-6 M)；2008年，Crooks等人开始研究双极性电极微电化学阵列30，他们设计了一个无电线连接的DNA微电化学阵列，如

30、图1.9所示，将阴极端固定有相同序列单链DNA探针的3个微金双极电极 (1.00×0.25 mm)，即将所制备的DNA微电化学阵列暴露于用4-nm Pt纳米粒子标记的与目标DNA完全匹配的DNA杂交后，置于PDMS微通道（长1.2 cm，宽1.7 mm，高28mm）中，通道装有Ru(bpy)32+和TPrA水溶液，基于杂交，标记的Pt纳米粒子催化溶解氧的还原，对这一反应所需要的电子来源于Ru(bpy)32+和TPrA的氧化。因此，在双极性电极的阳极端产生电化学发光。双极性电极具有长度可调固有的性质，在微电化学阵列的电极数量上可以大大地增加而不受到限制，而且仍保持着常规三电极阵列的所有

31、优点。尽管没有考察检测灵敏度，但是为双极性电极电化学发光DNA检测开创了新途径。2008年，Crooks等人31还发展了由1000个金微双极性电极的微电化学阵列，每一个双极性电极长500 mm、宽50 mm，用一对驱动电极就可以使所有1000个双极性电极活化而在阳极端发射光。然而，和微流控装置相比，电解池的构造却非常的简单：将上面载有电极的玻璃板浸入盛有电解质、Ru(bpy)32+和TPrA混合溶液的池子中，并在池子的两端各放置一个不锈钢板作为驱动电极即可。平行放置的驱动电极能够保证池子中的电场是匀强电场（如图1.10 b所示）。当通道总电压Etot足够高时，即使没有DNA的参与，每个双极性电

32、极的阳极也会产生电化学发光（如图1.10c所示）。该装置并没有涉及DNA，为了只达到验证的目的，阴极反应只简单的设计为在金双极电极直接还原氧气为水。图1.10d表示的是图1.10c中三个白色箭头所指横排处，所有电极的电化学发光强度分布图。该研究工作虽然没有涉及DNA等生物检测，但是，均匀的发射强度表明这些大容量的阵列在传感应用领域具有巨大的应用潜力。2011年，南京大学徐静娟教授和陈洪渊院士研究小组32,33成功地利用ITO芯片双极性电极建立了电化学发光检测细胞的新方法。 图1.9 微型双极性电极电化学发光DNA阵列传感器Fig.1.9 A schematic of a microdevice

33、 showing three BPEs and the driving electrodes and an illustration showing an approach for sensing DNA.图3.4 大规模双极性电极电化学发光阵列Fig.3.4 Optical micrograph(a)、electrolytic cell configuration(b)、Electrochemiluminescence micrograph (c) and ECL intensity profile(d) of an array comprising 1000 individual BPEs

34、参考文献1 M. Perfézou, A. Turner, A. Merkoçi, Cancer detection using nanoparticle-based sensorsJ, Chemical Society Reviews, 2012, 41(7): 2606-2622.2 J. Lin, H. Ju, Electrochemical and chemiluminescent immunosensors for tumor markersJ, Biosens. Bioelectron, 2005,20: 1461-1470.3 A. Qureshia, Y.

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36、lar Electrodes: A useful tool for concentration, separation, and detection of analytes in microelectrochemical systemsJ, Analytical Chemistry, 2010, 82: 87668774.6 F. Mavre, K. F. Chow, E. Sheridan, B. Y. Chang, J. A. Crooks, R. M. Crooks, A theoretical and experimental framework for understanding e

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43、Polsky, J. C.Harper, D. R.Wheeler, S. M. Dirk, D. C. Arango, S. M. Brozik, Electrically addressable diazonium-functionalized antibodies for multianalyte electrochemical sensor applicationsJ, Biosensors and Bioelectronics, 2008, 23(6): 757764.17 F. Deiss, C. N. LaFratta, M. Symer, T. M. Blicharz, N.

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