电化学显微镜分析论文提纲

论文题目：基于扫描电化学显微镜的生物传感和化学反应过程动力学研究

摘要：扫描电化学显微镜（Scanning Electrochemical Microscopy,SECM）自问世以来已被应用于许多与电化学相关的各个领域的前沿课题,如电化学生物传感,电化学反应动力学研究以及表界面性质研究等等。在基于SECM的电化学生物传感平台的设计中,SECM的探针作为信号接收设备,而SECM的基底则作为信号载体,这种信号载体与信号接收体互相分离互不干扰的“载-接分离”的设计避免了基于传统大电极的电化学生物传感器中信号载体和信号接收体同为一根工作电极使得信号载体覆盖在接收体表面导致信号接收效率下降的缺陷。也是基于“载-接分离”的优势,SECM的基底可以被设计成响应多种分析目标的高选择性目标物筛选平台,这就为多目标高通量的电化学生物传感器的设计提供了设备基础。这种传感器在具备电化学本身高灵敏度特性的同时,又结合了基于一定设计的基底的高选择性,同时又能进行多目标物的高通量分析。因此基于SECM构建的电化学生物传感器将高灵敏度高选择性与高通量结合在一起,在对一些重大疾病或者复杂体系的生物传感研究中有良好的应用前景。SECM可以做到对基底样本的高分辨率电化学成像,随着探针面积的降低,SECM成像的分辨率可以达到纳米级别。虽然如此,在传统的SECM电化学成像过程中有一处瓶颈,就是在对基底样本的扫描过程中,单次扫描只能够响应一种分子,这就导致单次扫描得到的信息过于单一。而多次扫描会消耗太长时间从而致使获得的信息不具有同时性,这就会对一些随时间进行状态会发生变化的基底样本（如细胞）产生影响。因此设计一种单扫描多目标响应的新型SECM就显得至关重要。由于超微电极表面面积可以做到纳米级别,且操纵超微电极的压电陶瓷也可做到纳米级别的步长操纵,故而SECM具有很高的空间与时间分辨率,这为许多超快反应的反应动力学研究以及反应过程中产生的不稳定中间体的检测提供了研究手段。对许多涉及到电化学反应的分析方法或者生命活动而言,了解其中涉及到的的电化学反应机理及动力学过程有助于更进一步深层次地认识到分析方法或者生命活动的本质。因此使用SECM对这些电化学过程进行动力学研究就显得更有意义。本文首先基于SECM的“载-接分离”优势设计了针对与癌症有关的肿瘤标记物的传感平台;并在已有的基底信号放大的基础上对探针进行修饰改进,设计了集精准定位与信号放大于一体的探针,从而构建了高灵敏度的双信号放大的DNA生物传感平台;此外,本文在传统的SECM基础上开发了单扫描多目标响应的程序化SECM并将其应用于细胞不同状态的鉴别中,为识别细胞状态提供了同一时段下多方面的信息,从而提升了判断细胞状态的准确性;最后本文利用SECM在空间与时间上的高分辨率研究了联吡啶钌-三丙胺电化学发光体系中三丙胺氧化的动力学过程,借此验证了之前提出的联吡啶钌-三丙胺电化学发光过程机理。本论文主要研究工作如下:（1）构建了一个基于扫描电化学显微镜的同时检测四种肺癌肿瘤标记物的生物传感平台。通过在蛋白生物芯片上构建甲胎蛋白（AFP）,癌胚抗原（CEA）,神经元特异性烯醇化酶（NSE）以及细胞角蛋白19片段（Cyfra21-1）的抗体-抗原-抗体的三明治结构,结合抗体上标记的辣根过氧化酶（HRP）对溶液中对苯二酚的氧化与由SECM的产生-收集模式在探针上收集的基底氧化产物对苯醌完成了对四种抗原的同时检测。溶液中目标蛋白浓度在5ng/m L至1μg/m L之间时,探针信号电流与溶液中目标蛋白的浓度的对数值之间存在良好的线性关系。此外,传感平台有良好的特异性,对目标蛋白的检测不会受到其它同时检测的蛋白影响。这一传感平台实现了对肺癌肿瘤标记物的同时检测的同时,也为高通量蛋白生物分析与临床应用提供了可能性。（2）将扫描电化学显微镜与修饰微电极技术结合,构建了一个基于PEDOT修饰铂微电极与酶标DNA超级链结合的双信号放大DNA生物传感平台。经修饰后的超微电极仍然可以用来做SECM在反馈模式下的基本定位与成像实验。构建的传感平台对目标DNA的检测限可以达到0.076f M,从而提供了一个超灵敏DNA传感平台。此外,设计的平台可以用来扫描DNA芯片,为之后的高通量高灵敏度生物传感分析奠定基础。（3）开发了一种单扫描多目标响应的程序化扫描电化学显微镜技术。在原有的扫描电化学显微镜技术的基础上,将探针原有的恒电位替换为设计好的电位波形,从而实现多目标扫描成像,突破了传统扫描电化学显微镜在一次成像中只能响应一种分子的限制。而程序化设计也使得收集到的电流信号基本消除了充电电流的影响,提高了信噪比。基于这一新方法,通过对三种不同分子同时响应的成像准确地判定了细胞的状态。（4）基于扫描电化学显微镜的探针产生-基底收集模式对电化学发光体系中三丙胺的氧化过程的化学反应过程动力学进行了研究。随着探针与基底之间距离d值的变化,在基底电极上分别检测到了自由基TPr A?与阳离子自由基TPr A+?。通过实验结果与由COMSOL模拟的结果对比得到了TPr A+?去质子化过程的动力学常数,并通过计算得出TPr A+?的半衰期。实验结果表明TPr A+?参与到了TPr A-Ru（bpy）32+体系的电化学发光过程,说明了在只有TPr A氧化,没有Ru（bpy）32+氧化的情况下也有ECL发光现象出现的原因,验证了之前对TPr A-Ru（bpy）32+体系电化学发光过程机理的假设。这一研究工作提供了一个新的研究化合物断键成键过程中的电子转移的手段,为进一步研究其他共反应剂参与的ECL反应机理奠定了基础。

关键词：扫描电化学显微镜;双催化信号放大;程序化扫描电化学显微镜;化学反应动力学;三丙胺阳离子自由基

学科专业：分析化学

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 扫描电化学显微镜技术的发展

1.1.1 扫描电化学显微镜的原理

1.1.2 扫描电化学显微镜的主要应用领域

1.2 基于扫描电化学显微镜的生物传感技术

1.2.1 基于扫描电化学显微镜的生物传感技术的特点与优势

1.2.2 基于扫描电化学显微镜的生物传感技术的应用

1.3 扫描电化学显微镜在研究化学反应过程动力学中的应用

1.3.1 基于扫描电化学显微镜的电化学反应过程动力学研究的特点与优势

1.3.2 扫描电化学显微镜在均相与异相反应过程动力学中的应用

1.4 本论文的研究意义与主要内容

1.4.1 论文的研究意义

1.4.2 论文的研究内容

参考文献

第二章 基于扫描电化学显微镜的同时检测四种肺癌肿瘤标记物的传感平台构建

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂与仪器

2.2.2 建立在蛋白芯片上的“抗体-抗原-抗体”三明治结构的构建

2.2.3 基于扫描电化学显微镜的肿瘤标记物检测

2.3 结果与讨论

2.3.1 传感平台构建的实验参数优化

2.3.2 基于扫描电化学显微镜的蛋白微阵列成像

2.3.3 定量检测四种肺癌肿瘤标记物

2.3.4 传感平台对四种肿瘤标记物的选择性讨论

2.4 结论

参考文献

第三章 基于超微电极修饰与扫描电化学显微镜的双催化信号放大DNA生物传感平台的构建

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂与仪器

3.2.2 电聚合修饰超微电极过程

3.2.3 PEDOT修饰的超微电极表征

3.2.4 PEDOT修饰微电极在SECM实验中的可行性

3.2.5 DNA超级链的自组装过程

3.2.6 PEDOT修饰超微电极与扫描电化学显微镜结合检测目标DNA

3.2.7 DNA生物芯片的制作与成像

3.3 结果与讨论

3.3.1 超微电极的聚合修饰过程及参数优化

3.3.2 PEDOT修饰的超微电极的电化学与SEM表征

3.3.3 PEDOT修饰的超微电极的稳定性讨论

3.3.4 PEDOT修饰的超微电极应用在SECM中的可行性讨论

3.3.5 基于PEDOT修饰的超微电极与基底自组装超级链的双重信号放大讨论

3.3.6 定量检测目标DNA

3.3.7 DNA芯片的成像

3.4 结论

参考文献

第四章 基于多目标同时成像的程序化扫描电化学显微镜对细胞状态的识别

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂与仪器

4.2.2 基于程序化SECM的反馈模式成像

4.2.3 PC12细胞的培养

4.2.4 基于程序化SECM的细胞成像

4.3 结果与讨论

4.3.1 程序化SECM的波形设计

4.3.2 程序化SECM的相关参数讨论

4.3.3 基于程序化SECM与反馈模式的金属条带成像

4.3.4 基于程序化SECM的细胞成像

4.3.5 基于程序化SECM对不同状态下的细胞成像

4.4 结论

参考文献

第五章 基于扫描电化学显微镜对三丙胺氧化过程中三丙胺阳离子自由基的动力学研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.2.1 试剂与仪器

5.2.2 25μm基底金微电极的制作与电化学表征

5.2.3 铂-聚吡咯(Pt/ppy)参比电极的制作

5.2.4 探针与基底的位置校准

5.2.5 基于产生-收集模式下的反应中间体检测

5.3 结果与讨论

5.3.1 金探针与金基底电极的电化学表征

5.3.2 硝基苯与三丙胺的电化学行为分析

5.3.3 探针与基底之间距离的确定

5.3.4 基于TG-SC模式对三丙胺氧化反应产物及反应过程中间体的检测

5.3.5 基于COMSOL的实验结果与动力学常数模拟

5.4 结论

参考文献

第六章 总结与展望

6.1 全文主要内容及结论

6.2 论文的创新性

6.3 展望

致谢