电化学发光成像技术在潜在指纹显现与成分识别中的应用

摘要

生命科学、临床医学、环境科学及材料科学等领域的迅速发展对分析化学及分析仪器提出了越来越高的要求。高灵敏度、高通量、多信息化和可视化是当前分析仪器和分析科学发展的一大重要趋势。电化学发光成像就是顺应这一时代背景发展起来的一种有效的分析手段。作为一种全新的成像技术，电化学发光成像目前在研制便携式、微型化、高通量电化学发光生物传感器方面逐渐引起人们的重视。然而该领域的研究尚处于起步阶段，仍然存在着广阔的研究空间。
　　指纹鉴定是进行个人识别的最可靠的方法之一，在法庭科学中用来有效地查证、揭露和证实犯罪。尽管指纹显现方法繁多，但是目前仍然需要建立一种简单、快速、适用范围广以及造价低廉的新方法。另外，指纹的成分分析近年来引起人们越来越浓厚的研究兴趣。本项研究基于电化学发光成像高灵敏、反应可控、快速成像以及对于生物分析兼容性的特点，将其用于潜在指纹的显现与成分识别，旨在发展一种集成像分析、生物分析、指纹识别于一体的前瞻研究，为电化学发光成像技术在生命科学和法庭科学中的应用提供新的方法和思路。进行的具体工作如下:
　　首先自行组建了一套电化学发光成像系统。该系统由电化学工作站和成像装置组成。其中，电化学工作站用于电化学反应的控制和电化学信号的接收;成像装置用于发光图像的采集，并将图像输入计算机进行后期处理。成像装置是该系统的核心部件，主要包括一个高分辨率数字冷却CCD相机、一个高通透微距镜头以及一个升降样品台。
　　利用该成像系统，展开了潜在指纹的电化学发光成像研究。通过在空间上选择性地控制电极表面的电化学发光反应，可以实现潜在指纹的反相成像和正相成像两种显现模式。在反相模式中，指纹覆盖的电极表面会由于沉积的有机脂肪酸等惰性物质而对电子转移造成抑制作用，因此Ru(bpy)32+/TPrA体系产生的电化学发光图像可以间接反衬出指纹的嵴线纹路。考察了反应电位、发光体Ru(bpy)32+浓度对显现效果的影响。反相模式可实现潜在指纹中不同二级结构特征和三级结构特征的检测成像，并适用于陈旧指纹的成像分析。在此基础上，进一步研究和完善了不同承载客体及其他电化学发光体系。在不锈钢片上，成功实现了潜在指纹的显现。并用采集胶带将日常物面（如硬币、桌面、光盘和电脑屏等）上的残留指纹转移到不锈钢导电基底上，证明了该方法的实践价值。利用鲁米诺/K2S2O8（或H2O2）进一步拓展了电化学发光反应体系。
　　合成了具有生物反应活性的二（2，2'-联吡啶）（2，2'-联吡啶-4，4'-二甲酸）钌的N-羟基琥珀酰亚胺酯(Ru(bpy)2(dcbpy)NHS)，实现了潜在指纹的正相模式显现。在正相模式中，电化学发光活性分子Ru(bpy)2(dcbpy)NHS可以通过分子上的N-羟基琥珀酰亚胺酯与指纹氨基酸中的氨基发生共价结合，从而标记到指纹上;继而与共反应剂DBAE在一定电位下产生电化学发光反应，显现出指纹的形貌。利用MALDI-TOFMS验证了Ru(bpy)2(dcbpy)NHS与指纹氨基酸的共价连接，考察了反应电位、发光体浓度及反应时间对显现效果的影响。正相模式可以对痕量汗潜指纹进行有效显现。
　　结合酶联免疫分析技术，实现了潜在指纹中目标成分的特异性高灵敏电化学发光检测。首先以人IgG人工模拟指纹为检测对象，验证了方法的可行性。将指纹依次与羊抗人IgG、HRP标记兔抗羊IgG孵育一定时间，通过抗体与目标物的特异性免疫反应使HRP标记到指纹上。然后利用电化学反应使电解质溶液中的溶解O2还原生成H2O2，在指纹HRP的催化作用下，H2O2与底物溶液中的鲁米诺产生波长425nm的化学发光，进而显现出指纹纹路。考察了免疫反应温度、反应时间及抗体浓度对显现效果的影响。用BSA模拟指纹作为对照，结果表明抗体对人IgG模拟指纹的标记是特异性的。进一步地，将该方法用于真实血指纹中人IgG的成功检测。
　　最后，在上述方法的基础之上，进一步引入生物素-链霉亲和素放大系统，实现了汗潜指纹中人汗腺抗菌肽Dermcidin、人表皮生长因子和溶菌酶等目标代谢物的电化学发光检测。该方法在进行潜在指纹显现的同时，可以实现人汗腺代谢物的特异性识别，有望发展成为一种简单、便携、通用的指纹检测技术，用于兴奋剂检测、病患临床诊断以及爆炸物检测等领域，具有重要的医学诊断和安全保障价值。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 电化学发光概述

1．1．1 电化学发光的研究发展历史

1．1．2 常见的电化学发光体系及其反应机理

1．2 电化学发光在分析化学中的应用

1．2．1 电化学发光与分离技术的联用

1．2．2 固定化电化学发光

1．2．3 电化学发光商业化仪器

1．3 电化学发光成像

1．3．1 检测装置

1．3．2 电化学发光成像在生物分析中的应用

1．3．3 电化学发光成像在电极表面结构和活性位点表征中的应用

1．4 潜在指纹显现技术

1．4．1 指纹与指纹鉴定

1．4．2 潜在指纹显现技术

1．4．3 潜在指纹显现技术研究进展

1．5 本论文的选题意义和设计思路

第二章 基于空间选择性可控反应的潜在指纹电化学发光成像

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂与材料

2．2．2 仪器与设备

2．2．3 工作电极的预处理

2．2．4 用于反相电化学发光成像的指纹样本制备

2．2．5 用于正相电化学发光成像的指纹样本制备

2．2．6 电化学及电化学发光测试

2．2．7 电化学发光成像

2．2．8 光谱测试

2．2．9 MALDI TOF MS测试

2．3 结果与讨论

2．3．1 空间选择性可控的电化学发光成像基本原理

2．3．2 潜在指纹在Ru(bpy)32+／TPrA体系中的反相电化学发光成像

2．3．3 基于Ru(bpy)2(dcbpy)NHS共价标记作用的潜在指纹正相电化学发光成像

2．4 本章小结

第三章 基于酶联免疫分析的潜在指纹成分识别及其电化学发光成像

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂与材料

3．2．2 仪器与设备

3．2．3 实验方法

3．2．4 电化学及电化学发光测试

3．2．5 电化学发光成像

3．3 结果与讨论

3．3．1 人IgG模拟指纹的单酶法检测与电化学发光成像

3．3．2 汗潜指纹的多酶法检测及其电化学发光成像

3．4 本章小结

第四章 结论与展望

附录

参考文献

作者简介及攻博期间取得的研究成果