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2022/5/6 Weekly Seminar
发布时间:2022-05-06

Weekly Seminar

Title: The TDs/aptamer cTnI biosensors based on HCR and Au/Ti3C2-MXene amplification for screening serious patient in COVID-19 pandemic

Journal: Biosensors and Bioelectronics

IF:10.618

Original link: https://doi. org/10.1016/j.bios.2021.113482

Reporter: 刘欣 2021级硕士

                                               

准确测定心肌肌钙蛋白I (cTnI)对急性心肌梗死(AMI)有重要意义,可作为COVID-19致死性心脏损伤前筛查重症患者的有效指标。该课题组提出了一种基于阿霉素(Dox)-鲁米诺(luminol)电化学发光(ECL)信号或以亚甲基蓝(MB)Dox的电化学(EC)比值传感策略。肌钙蛋白适配体(tro4-apt)与cTnI有较高的亲和力,确保了传感器的特异识别能力,Au/Ti3C2-MXene上固定的DNA纳米四面体DNA (TDs)构建了良好的传感基质,该研究使用杂交链式反应技术(HCR)提高检测灵敏度。ECL Dox-luminol/Current DoxCurrent MB/Current Dox0.1 fM-1 pM0.1 fM-500 fM范围内与cTnI浓度有良好线性关系,检出限分别为0.04 fM0.1 fM。该生物传感器具有良好的特异性、敏感性、重复性和稳定性,已应用于实际样品的cTnI测定,效果与ELISA试剂盒相当,有望用于COVID-19重症患者筛查,降低死亡率。


临床研究表明,新冠感染其高死亡率与心脏并发症等重症直接相关,cTnI是公认的急性心肌梗死(AMI)心力衰竭最显著的生物标志物。血液中的cTnI水平反映了心肌损伤的程度,因此,cTnI的准确、灵敏检测对心脏病患者至关重要。目前,许多研究旨在利用免疫传感器检测cTnI,包括ECLEC两种具有高选择性和敏感性的传感器。然而,这些免疫传感器是通过物理吸附或共价方式构建的将抗体以随机模式固定在电极表面,可能导致其分布不均和空间取向随机,导致抗体活性明显丧失,这可能最终影响免疫测定的重复性和灵敏性,并阻碍其应用。最近,基于适配体的生物传感器已被构建用于cTnI检测,由于电化学传感体系具有较好的特异性、重复性,正被广泛应用于各种疾病标志物的快速检测中。

1、检测原理图

a)为目标物的特异性识别与双功能探针的释放;(b)为比值传感检测cTnI机制

由于DNA纳米四面体的引入的,减少了传感器表面的非特异性吸附。本研究巧妙地设计了一种新的双功能探针,用于提高特异性杂交和触发HCR。空白组中,除了Dox−0.65 V有明显的SWV信号外,Dox-鲁米诺只有非常微弱的ECL信号,MB-0.24VSWV信号。实验组中,cTnIapt的特异结合释放出等量的BFP以触发纳米四面体表面的HCR反应,因此,ECL探针(dox -鲁米诺)EC指示剂(MB)将大量结合在长链dsDNA上,从而产生显著放大的ECLEC信号,信号强度与cTnI浓度相关。Dox作为电化学信号指标,将嵌入到四面体边缘上的dsDNA中以形成Dox@TDs复合物,在检测过程中提供一个稳定的EC信号作为内部参考,校准传感器之间的差异或微环境的变化。因此,使用ECL Dox-Luminol /Current DoxCurrent MB/Current Dox的双信号用于cTnI的定量分析将具有较高的准确性和可重复性。

2TDs, HCR, 双功能探针(BFP/apt表征




1. (A)凝胶电泳图像,1:100bp DNA marker2:a3:b4:ab5:ad6:abc7:abd8:abcd9: 25bp DNA marker10:H111:体系中不存在cTnI时的HCR反应12: 体系中存在cTnI时的HCR反应;13:tro4-apt14:BFP15:tro4-apt/BFP(B) TDs TEM图像;(C) TDs AFM图像;(D) (C)图中由箭头标记的TDs的高度轮廓。

凝胶电泳结果表明TDs的成功组装以及cTnI可触发HCR反应;由TEM表征得到TDs的径长约为6.12nm,与理论估计值接近(6.50±0.8nm),AFM图像显示了TDs高度范围从4.20 nm5.75 nm,接近理论值的TDs高度和边长(5.02 nm, 6.12 nm)

3Ti3C2-MXene纳米片和Au/Ti3C2-MXene纳米复合材料的表征



2. (A) Ti3C2-MXeneTEM图像(插图为Au/Ti3C2-MXeneTEM图像);(B) Ti3AlC2, Ti3C2-MXene and Au/Ti3C2-MXeneXRD图谱;(C) Ti3C2-MXeneAFM图像;(D) Ti3C2-MXene 纳米片厚度;(E) Au/Ti3C2-MXene XPS图谱;(F) Ti3C2-MXeneTi的单质价态,Au/Ti3C2-MXeneTi(G)Au(H)的单质价态。

XRDTEMAFM对合成的Ti3C2-MXenes进行了表征,结果如上图所示,透射结果表明粒径<30nmAuNPs成功负载于Ti3C2-MXene纳米片上。通过AFM分析得到的Ti3C2-MXene纳米片的厚度(2 D)约为2.2 nmAuCl4离子均质自还原后,在XRD谱图上出现了AuNPs的四个特征衍射峰(2B,曲线c)。此外,与Ti3C2-MXene纳米片的(002)峰强度相比,Au/Ti3C2-MXene的峰值减小可以归因于在AuCl4在还原反应中Ti3C2-MXene纳米片的部分氧化。这些结果支持了Au/Ti3C2-MXene纳米复合材料的成功合成

4、传感器构建及适用性表征

3. (A)(B)分别为CVEIS图像,其中(a)ITO(b)APTMS/ITO (c) Au/Ti3C2-MXene/ITO (d)TDs/Au/Ti3C2-MXene/ITO(e)BFP/TDs/Au/Ti3C2-MXene/ITO(f)BFP/TDs/Au/Ti3C2-MXene/ITO修饰后经HCR反应;(C)传感器检测前后的ECL/EC信号,插图为鲁米诺电位-光电化学信号强度曲线;(D)检测体系中不含以及含有cTnIMBDoxEC信号。

CVEIS曲线趋势一致,表明该生物传感器的成功组装。如图3C所示,体系中不存在cTnI时,传感器表面主要被发夹DNA链占据,仅有少量的Dox -鲁米诺,产生微弱的ECL信号。此后,随着cTnI浓度的增加,ECL信号明显增强。在−0.65 V时,嵌入TDsDoxSWV信号在不同传感器或微环境下差异不大,这意味着DoxEC信号与目标物不相关。因此,ECL Dox-鲁米诺/Current Dox的比值传感器的构建可有效消除实验误差,提高检测的准确性。鲁米诺的ECL发射在约1.3 V时上升(3C,插图),与Dox的氧化电位没有交叉。因此,Dox稳定的EC信号可作为参考信号。同样,EC/EC比值策略的可行性也在图3D中得到了证实,同样,cTnI浓度也可以根据信号响应比值(Current MB/Current Dox)进行校准。

5cTnI检测

4. (A) ECLSWV曲线(插图)cTnI浓度的变化图像;(B) MBDoxSWV信号随cTnI浓度变化曲线;(C) ECL Dox-Luminol/Current Dox and Current MB/Current Dox cTnI 浓度对数值为横坐标的校准曲线;(D) ECL/ECEC/EC比值生物传感器的特异性(10 fM cTnI500 fM非目标蛋白),插图是传感器对10 fM cTnI检测的重复性;(E) 传感器在5次循环或16次循环(插图)连续扫描下对10 fM cTnI检测结果的稳定性。

ECL Dox-Luminol/Current Dox为检测信号时,检测限为0.04 fM (0.96 fg/mL);以Current MB/Current Dox为检测信号时,检测限为0.1 fM2.4 fg/mL)。此外,该传感器表现出良好的特异性、重复性和稳定性。

6、实际样品应用

1. 3份健康人血清和4份患者血清的定量检测

实际样品检测结果与ELISA试剂盒效果相当,表明该传感器在体系复杂的实际样品检测中有较大应用前景

通过整合基于适体的分子识别与ECLEC信号转导和双扩增技术,构建了ECL/ECEC/EC适体传感器,用于cTnI检测,且检测灵敏,检测限低(fg/mL),结合便携式ECL/EC工作站,该类传感器有较大可能用于COVID-19患者心脏损伤症状的筛查,特别是在移动客舱医院的使用。




题目:基于苯并噻吩的2D共轭聚合物/g-C3N4异质结构具有增强的光催化活性:抗菌咔唑侧链与主链共聚的协同作用

期刊:Applied Catalysis B: Environmental

IF19.503

Reporter: 王天宇 2021级硕士

光催化技术在对抗病原微生物和降解污染物、解决全球水污染问题方面受到越来越多的关注。长期以来,无机半导体作为关键的光催化剂,在被深入研究的体系中占据主导地位,然而金属的毒性仍然是其进一步大规模应用的障碍。因此,无金属光催化剂备受关注。石墨化氮化碳(g-C3N4)是目前最具代表性的无金属光催化剂,相对较大的能带隙(Eg)(2.7 eV)限制了它的光吸收,而光生弗伦克尔激子的高激子结合能导致较低的解离概率和电荷的快速重组。为了解决这些缺点并优化g-C3N4的光电化学性能,研究者们采取构建异质结构的方式来拓宽光吸收,促进电荷分离和迁移。本文合成了以咔唑侧链BDTD单元的四种二维共轭聚合物(P4P5P7P9),以及以电子接受能力递减的二酮基吡咯(DPP)DTffBTBDD和氟苯并三唑(FBTA)A单元的四种二维共轭聚合物,并成功构建了P4/g-C3N4P5/g-C3N4P7/g-C3N4P9/g-C3N4 PHJs光催化杀菌和降解。

Px的合成路线如方案1所示。

Px/g-C3N4光催化剂的制备示意图如方案二所示。

方案一

方案二


 

 

1.         材料表征

采用扫描电子显微镜(SEM)EDS元素映射和透射电镜(TEM)对材料的微观结构和形貌进行了表征。从SEM图像(1a, d, g, j)可以看出,Px/g-C3N4表现出与g-C3N4相似的形态,由于Px的浓度有限,在PHJs中没有观察到Px的特异结构。在元素映射图像(1b, e, h, k, S1g)中,g-C3N4CN的分布与SEM图像一致,而S, OF的分布表明Px均匀分散在g-C3N4表面。在TEM图像中,大范围的颜色鲜艳的区域对应于g-C3N4,而较暗的区域属于Px。与图中g-C3N4TEM图像对比。Px/g-C3N4 TEM图像中均匀分布的暗区S1b(1c, f, i, l)说明了Px的良好分散性。基于以上表征,可以得出结论,共轭聚合物Px已成功地在g-C3N4上具有均匀的分散。

2.光电化学性能

Pxg-C3N4PHJs的傅里叶变换红外光谱(FT-IR)进行分析,确定其分子结构。从图2b可以看出,PHJsFT-IR光谱与g-C3N4相似,说明g-C3N4的结构仍然完整。图2c中,Px/g-C3N4g-C3N413.027.3处出现了两个相似的显著峰,分别与面内重复单元和(002)面间叠加有关。图2中,g-C3N4主要由CN和少量O元素组成,Px/ g-C3N4主要由CNOS组成。在C1s的高分辨率光谱中(2e) g-C3N4Px/g-C3N4的结合能中心分别为284.9 eV288.3 eVN1s光谱分别为398.4399.1400.4 eVPx/ g-C3N4 398.7399.1400.6 eV,分别属于sp2杂化氮C=N-CN-(C)3N- H(2f)。对于g-C3N4, O1s峰出现在531.8 eV左右,这是由于吸附了CO2,而对于PHJs, O1s峰出现在531.7531.8 eV,也是由于聚合物中的C=O引起的(2g)g-C3N4O1s峰为532.9 eV, PHJsO1s峰为532.7 eV,与羟基或H2O有关。Px/g-C3N4异质结构的S2p3/2S2p1/2峰被反卷积为164.0165.3 eV(2h)。此外,观察到的687.4 eV的峰为P5/g-C3N4P9/g-C3N4被分配到P5P9中引入的F原子(2i)

    

Brunauer Emmett Teller (BET)模型记录了光催化剂的比表面积(SSAs)(3a)。与纯g-C3N4相比,PHJsSSA增加,尤其是P7/g-C3N4SSA增加有助于提供更多的活性反应中心来加速光催化反应。由于共轭聚合物的疏水性,将P4P5P7P9偶联形成异质结构后,水接触角增加。在P4 (500 880 nm)的吸收光谱中观察到强烈的蓝移(图3c。消光系数高的共轭聚合物P4 ~ P9增强了捕光能力(图3d)。根据CVXPS测量,可以得出结论,Type I波段排列在g-C3N4P4P5之间,而Type II异质结构在g-C3N4P7P9之间形成(3f)。强PL峰在与Px构建异质结构后发生不同程度的淬灭,证实了载体重组在Px/g-C3N4中受到抑制(图3g)。P9/g-C3N4P7/g-C3N4的相对τP4/g-C3N4P5/g-C3N4的相对τ较短,进一步说明前者的电荷转移较快((3h)。图3i为间歇光照下g-C3N4Px/g-C3N4的光电流密度时间(i)曲线。

3.光催化性能

少量细菌在光照下被灭活,说明光源对细菌的存活可能有轻微的影响(4a和图4c)。与g-C3N4相比,Px/g-C3N4在光照下的光催化抗菌活性显著增强,这是由于其促进了电荷的分离和转移,提高了光能利用率。P7/g-C3N4的光催化抑菌性能最好,这是因为P7/g-C3N4的扩展光吸收和促进电荷分离之间的相对平衡。而P4/g-C3N4的光催化抑菌活性在Px/g-C3N4中表现最差,这是由于P4/g-C3N4的电荷分离转移不理想,水润湿性差。图4e中,大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的形态分别为杆状和球形,未经光催化处理,其结构完整,表面光滑。而P7/g-C3N4在光照条件下处理45 min后,细菌的细胞壁和细胞膜发生了严重的凹陷、收缩和破裂等损伤,说明Px/g-C3N4是通过破坏细菌的细胞壁和细胞膜来杀死细菌的。

不同光催化剂对RhB的光催化降解曲线如图5a所示。吸附解吸平衡后,g-C3N4吸附了约16%RhB,而Px/g-C3N4体系吸附RhB的浓度下降了约20%。退化不同光催化剂催化RhB的动力学曲线如图5b所示。可以看出,RhB的降解过程符合简化的Langmuir-Hinshelwood模型,方程为-ln (Ct/C0) = ktP7/g-C3N4k值是g-C3N47.7倍,这与光催化杀菌的结果很好地吻合。图5c中,经过3次循环后,这些PHJs的光催化活性没有明显下降,满足了工业应用的光催化稳定性要求。此外,实验还收集了光催化反应后Px/g-C3N4异质结构的XRD谱图(5d)Px/g-C3N4光催化降解前后的XRD谱图没有明显差异,表明其具有良好的晶体结构稳定性。

本文合成了四种bdt基的共轭聚合物Px,并与g-C3N4结合制备了用于光催化杀菌和降解的PHJs (Px/g-C3N4)。咔唑侧链有助于Px吸收蓝光和紫外光,并使Px具有抗菌性能。不同A单位的主链共聚有助于调节Px的能级,使长波光得到更好的利用。结果表明,这些Px/g-C3N4的光催化活性明显高于纯的g-C3N4。其中,以BDDA单位的P7/g-C3N4光催化活性最高,照射45 min90 min后对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌率超过99.7%,对RhB的降解率达到97.6%

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121401