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磁弹性传感器表面优化设计及其在生化检测中的应用研究

 
【摘要】:生化传感技术发展迅速,在环境监测、临床医学和畜牧业等领域发挥着不可或缺的重要作用。传统意义上的传感器已无法满足现代生物化学检测的需求,这就对生物化学传感器的设计提出了更高的标准和要求:高灵敏度、低成本、微型便携以及多功能化等。磁弹性传感器由于其无线无源等独特优良的响应特性、低廉的成本以及良好的便携性而备受关注,设计高性能的磁弹性传感器并将其应用于人类高度关注的健康、环保领域具有重要的现实意义和实用价值。但是,目前磁弹性传感器仍然存在灵敏度相对较低、体积较大、特异性差、稳定性及整体性能不理想等问题,具有一定的应用局限性。因此,本论文立足于开发新型的磁弹性传感技术,针对快速高灵敏生化检测需求,致力于表面优化设计研究,构建了可应用于环境检测、猪瘟疫情防控、癌胚抗原检测的多种新型无线磁弹性传感器,深入系统地研究了其各项敏感特性,验证了其优异的传感性能。具体研究内容如下:1.研究了磁弹性传感器的表面优化处理方法。利用有限元软件COMSOL Multiphysics建模仿真计算,优化传感器的尺寸为5 mm×1 mm×28μm;在磁弹性铁基非晶合金薄膜Metglas 2826 MB表面依次溅射厚度为100 nm的铬层和金层,提高其抗腐蚀性和生物兼容性,制备得到性能稳定的磁弹性传感芯片,表征测试结果显示纳米金颗粒(AuNPs)均匀沉积于芯片表面,实现了表面特性的优化处理;提出采用放大响应信号的测定方法,优化表面功能化结构设计,进一步提高灵敏度、降低检出限;通过减小线圈直径,设计共振频率测试系统解决了小尺寸磁弹性传感器信号测量的关键问题。2.针对环境检测问题,提出了基于磁弹性传感器的重金属离子和农药小分子阿特拉津检测的新方法,探索了检测机理并研究了其响应特性,解决了磁弹性传感器应用于重金属离子和农药小分子检测的关键共性问题。(1)提出采用牛血清白蛋白(BSA)功能化修饰对磁弹性传感器表面进行改性优化,实现了对重金属离子的微量实时无线检测。测试结果表明:传感器对Pb~(2+)、Cd~(2+)、Cu~(2+)均表现出良好的线性响应特性,检测限分别为3.3×10~(-7) mol/L、2.4×10~(-7) mol/L、2.3×10~(-7) mol/L,优于国家标准;检测灵敏度分别为9.4×10~7 Hz/mol?L~(-1)、7.1×10~7 Hz/mol?L~(-1)、4.7×10~7 Hz/mol?L~(-1),规律排序为Pb~(2+)Cd~(2+)Cu~(2+),对相对原子质量较大的重金属响应更为灵敏。相比基于置换反应的检测方法,该传感器对Pb~(2+)的检测灵敏度提高了约4个数量级,检测限降低了约5个数量级。(2)提出了基于竞争免疫分析法的磁弹性传感检测方法,实现了对农药小分子阿特拉津(ATZ)的微量实时特异性检测。采用竞争法优化传感器表面功能化结构,并且采用蛋白A实现阿特拉津抗体(anti-ATZ)的定向固定。优化anti-ATZ的修饰浓度和ATZ-BSA偶联物的浓度参数分别为50μg/mL和40μg/mL。测试实验结果显示:在1 ng/mL~100μg/mL浓度范围内,传感器的共振频率偏移量与ATZ浓度呈线性反比关系,灵敏度为3.43 Hz/μg?mL~(-1),检测极限低至1 ng/mL,远远低于健康饮用水中规定的标准上限。3.针对猪瘟疫情防控问题,提出了基于磁弹性传感器的猪瘟病毒(CSFV)和猪瘟E2抗体(anti-CSFV E2)检测的新方法,探索了检测机理并研究了其敏感特性,解决了磁弹性传感器应用于猪瘟疫情防控的关键问题。(1)设计了一种便携式磁弹性猪瘟病毒检测试纸,实现了对CSFV高灵敏特异性的快速实时检测。采用猪瘟病毒抗体功能化修饰对磁弹性传感器表面进行改性优化,并且设计实现了便携式磁弹性试纸。测试结果显示:磁弹性试纸对CSFV检测具有高灵敏性和特异性,在0~2.5μg/mL浓度区间呈线性响应,随着CSFV浓度进一步增大呈次线性变化,响应灵敏度可达到95 Hz/μg?mL~(-1),检测极限低至0.6μg/mL。(2)提出了基于酶促催化产生沉淀放大信号的磁弹性传感检测方法,实现了对anti-CSFV E2高灵敏特异性的快速实时检测。采用间接法(三夹式免疫序列)优化传感器表面功能化结构,测试实验结果表明:相比现有的检测方法,该传感器对anti-CSFV E2检测表现出优异的敏感特性和特异选择性,在5 ng/mL~10μg/mL浓度范围内呈线性响应,响应灵敏度可达到56.2 Hz/μg?mL~(-1),检测极限低至2.466 ng/mL。4.提出采用癌胚抗原抗体(CEA-Ab)功能化修饰对磁弹性传感器表面进行改性优化,研制了一种新型的磁弹性癌胚抗原(CEA)传感器。优化CEA-Ab修饰浓度为50μg/mL,采用BSA封闭减少非特异性吸附和空间位阻效应。测试结果显示:该传感器对CEA检测表现出高特异性,线性响应区间为0.1 ng/mL~100 ng/mL,检测极限低至2.5 pg/mL,远远低于健康成人血清中CEA浓度上限,其综合性能优于目前文献报道的CEA检测方法。
【学位授予单位】:太原理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TP212

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