摘要
光致电化学(PEC)生物传感器是近年新发展起来的一种分析检测手段，由于分离式的激发信号和仪器输出信号，具有背景信号低、高灵敏度等优点，在分析检测领域展现出巨大的应用潜力。众所周知，依据生物识别元件在识别目标物前后输出光电流的变化值，PEC生物传感器能够实现对目标物的定量分析。因而PEC检测体系的灵敏度与材料的光电流响应信号密切相关。设计并制备具有高光电转换效率的新型光电材料成为提高PEC传感器性能的关键，同时也面临着巨大的挑战。随着材料种类的不断丰富，除常见的无机材料外，部分具有光电响应的有机材料也开始逐渐应用于PEC生物传感器的构建，但与无机材料相比，有机材料整体的光电转换效率较低，因而如何提高有机材料的光电流响应成为目前急需解决的问题。通过对有机材料进行设计与加工，能够整合不同材料的优点，同时形成敏化结构、异质结等加快材料间载流子的传输，从而增强材料的光电转换效率，提高其输出光电流电响应。此外，多样化的核酸信号放大策略能利用各种高效循环或功能化的DNA结构将生物体中低丰度的目标物快速转换为大量输出DNA,为信号探针的大量固载提供可能，传感器检测灵敏度显著提高。在此，本文以性能优异的新型有机光电材料为基础，结合简单高效的核酸信号放大策略构建了系列PEC检测平台用于疾病相关生物标志物的灵敏分析，具体研究内容如下: (1)无酶三循环放大策略结合有机光电纳米球构建灵敏PEC生物传感器 本工作提出在刚性平面DNA三脚架表面原位生成无敏化剂参与的光电活性3DDNA纳米球作为信号探针，结合无酶核酸三循环放大策略，构建新型阳极PEC传感器实现miRNA-141的灵敏检测。首先，简单高效的无酶三循环放大策略能将微量目标物快速转化为大量输出DNA,进而打开修饰在电极表面的DNA三脚架顶端发夹，触发滚环扩增反应(RCA)原位生成3D DNA纳米球以固载大量阳离子N,N-双(2-(三甲基碘化二铵)-丙烯)苝-3,4,9,10-四羧酸二亚胺(PDA+)。所构建的平面型DNA三脚架不仅可以调整其顶点上每个发夹之间的距离，提高顶端发夹与输出DNA的杂交效率，快速引发RCA反应生成3D DNA纳米球，而且还能有效缩短光电材料PDA+与电极表面的距离，加快电子传输，进而得到增强的光电流信号。此外，该PEC传感器背景信号低，且无需额外敏化剂使得实验操作进一步简化。实验结果表明，在0.1 fmol·L-1到100pmol·L-1浓度范围内，该PEC传感器对miRNA-141具有优异的线性响应，在疾病的早期诊断中具有较大的应用潜力。 (2)级联敏化光电材料结合DNA纳米网构建高效抗干扰阴极PEC生物传感器 与阳极PEC生物传感器相比，阴极PEC生物传感器对还原性物质具有优异抗干扰能力。但常见的阴极光电材料的电子-空穴复合率较高，低的光电转化效率易导致有限的光电流信号输出，从而降低传感器的检测灵敏度。基于此，本实验通过“一锅法”简单快速地合成了一种具有级联型能带排列的有机-无机复合材料P3HT@C60@ZnO纳米球。该复合材料不仅整合了有机材料的高光生空穴迁移率以及无机材料的强光吸收能力等优点，匹配的能带结构还有效延长了光生载流子的寿命，材料的光电转换效率得到显著提高，与初始材料相比复合材料的阴极光电流信号提升约30倍。此外，我们将所制备的P3HT@C60@ZnO纳米球与由分枝型杂交链式反应生成的大量DNA纳米网结合，构建了新型阴极PEC生物传感器用于p53的灵敏检测。测试结果显示，在0.1 fmol·L-1到10 nmol·L-1的线性范围内，该生物传感器检测对p53具有良好的线性响应，传感器的检测限低至0.37 fmol·L-1。为构建具有优异抗干扰能力的阴极超灵敏PEC检测平台提供了一种新途径，在疾病诊断和生物分析中具有巨大的应用潜力。
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