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磁弹性纳米传感芯片的制备与生物检测

【摘要】:在经济高速发展与科技创新的驱动下,人类对自身的健康问题引起了高度的重视,疾病的早期排查与诊断成为时代发展的必然趋势。传统的诊断途径主要是采用医院的大型仪器对患者进行组织或血样的检测,该方法技术成熟、结果准确,但在疾病初步预防与排除阶段其费用较高、耗时较长,并且对于一些经济较为落后的地区,此类医疗设备无法普及。随着科技的发展,微小型生物传感设备在疾病标志物检测领域有良好的应用前景,但由于现有的生物传感设备制备工艺或检测手段复杂、成本较高、灵敏度较低,将其投放于临床检测还需进一步的改善。因此,开发一种制备过程简单、成本低、耗时短、灵敏度高的生物传感芯片用于疾病标志物检测是十分必要的。磁弹性传感芯片由于其成本低、尺寸小、便携、操作简单、响应快速等优点引起广泛关注,多年来成为生物传感器的热门传感基底。磁弹性传感芯片基于磁弹耦合效应,在外加磁场或外加应力的作用下产生磁能与机械能的相互转换,实现将识别反应转化为可记录的频率信号或磁导率信号的过程。制备高性能的磁弹性传感芯片并将其应用于疾病标志物的检测具有良好的价值与意义。因此,本文提出了两种磁弹性传感芯片:磁致伸缩免疫传感芯片与纸基磁弹性生物传感芯片,并将其应用于糖尿病肾病的标志物人血清白蛋白(HSA)的检测,深入地研究了它们的各项传感特性,为生物传感芯片的制备提供了新思路,并为早期预防糖尿病肾病提供了有效的方法。本论文具体研究如下:(1)研究了磁弹性传感芯片的传感机理与制备工艺,深入分析了磁弹耦合效应,研究了其应用于生物检测的作用机制。基于磁致伸缩效应,将表面微纳加工处理后的磁致伸缩材料切割成尺寸为5mm×1mm×28μm的小型芯片,制备得到磁致伸缩传感芯片,通过共振频率的改变反映待测物的响应。基于磁致弹性效应,采用NiFe_2O_4纳米粒子与纤维素纸结合得到NiFe_2O_4/纸基纳米复合材料,并在其表面物理沉积巯基化的金纳米粒子,制备得到纸基磁弹性传感芯片,通过测量传感芯片磁特性的改变实现生物检测。(2)提出一种磁致伸缩免疫传感芯片,在镀金的磁致伸缩传感芯片表面修饰巯基乙胺以形成自组装膜,基于抗体-抗原特异性结合原理,进而在其表面通过共价键的形式固定了抗HSA抗体用于检测HSA。牛血清白蛋白的修饰不仅可以避免非特异性吸附,还减少了空间位阻效应。采用拉曼光谱、X射线光电子能谱和原子力显微镜对抗体固定过程进行了表征。实验结果表明,所制备的磁致伸缩免疫传感芯片可以实现对HSA高灵敏度、高特异性、高稳定性的检测。(3)提出一种纸基磁弹性生物传感芯片,基于抗体免疫分析法,在表面沉积了巯基化金纳米粒子的NiFe_2O_4/纸上修饰捕获探针抗HSA抗体,用于检测大分子蛋白质HSA。采用能谱分析,扫描电子显微镜和傅里叶红外光谱分析证实了NiFe_2O_4纳米粒子成功附着在纤维素纸上。为了提高纸基磁弹性生物传感芯片的传感响应,在制备过程中对NiFe_2O_4纳米流体的工作浓度和NiFe_2O_4纳米流体浸染纸的次数进行了优化。实验结果表明,所制备的传感芯片实现了对HSA低成本,特异性和灵敏的检测,检测限符合健康诊断标准。此外,NiFe_2O_4/纸的提出为磁弹性生物传感芯片提供了一种新型的、环保的、便捷的传感基底。

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