基于磁控DNA直接电位响应的抗生素电位传感研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 牟俊松 |
| 答辩日期 | 2024-05-16 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 丁家旺 |
| 关键词 | 动态电位分析,核酸适配体,非平衡检测,单颗粒,机器学习 Dynamic potentiometric analysis Aptamer Nonequilibrium measurement Single particle Machine learning |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 其他题名 | Studies on potentiometric sensing of antibiotics based on direct potentiometric responses of magnetic-field-driven extraction of DNA |
| 英文摘要 | 近年来，随着电位传感新方法的开发、新型功能材料的应用以及对可穿戴设备等新领域的探索，聚合物膜电位型传感器技术引起人们新的关注。然而，受疏水性化学配体的限制，该技术主要用于电解质和重金属等各类离子的检测。通过引入核酸适配体和多肽等新型生物识别分子，该技术的应用范围有望进一步扩展。但是，强亲水性生物识别分子难以被萃取进入聚合物膜相，从而无法产生直接的电位响应。此外，传统的电位型生物传感分析方法大多依赖于静态响应模型，仅能捕获有限的稳态电位信息。而非平衡电位型传感器利用电流/电位、光或磁控等调控手段，能够产生动态的电位响应，并记录丰富的生物化学信息。本论文发展了基于磁控DNA直接动态电位响应的电位型生物传感器，突破了高亲水性DNA难以进入聚合物膜相产生直接电位响应的限制，并将其用于海水样品中抗生素的灵敏检测；发展了机器学习增强的磁控电位传感分析技术，该技术能够从动态电位响应的数据特性中提取关键的环境变化信息，并用于多种抗生素的快速鉴别和准确定量；发展了基于单个磁珠的电位型核酸适配体传感器，有效提升了海水中抗生素的检测灵敏度。本论文的具体研究内容如下：1. 基于磁控DNA直接电位响应的电位型传感器检测土霉素。高亲水性DNA分子难以被萃取进入疏水性聚合物膜相，无法直接引起相界面电位变化，从而限制了传统的聚合物膜电位型传感器对DNA分子的直接检测。此外，离子结合化学配体的缺乏，以及DNA分子与离子交换剂的作用机制不明，严重制约了该类传感器的发展。本文利用核酸适配体自身多电荷的聚阴离子特性，以核酸适配体同时作为识别分子和信号报告分子，发展了基于磁控DNA直接电位响应的聚合物膜电位型传感器。该传感器通过施加外部磁场，对核酸适配体功能化磁珠进行动态控制，调控核酸适配体在聚合物膜相界面的吸附/萃取、分子结合及离子交换过程，从而使DNA分子在聚合物膜电极上产生快速、灵敏和稳定的电位响应。核酸适配体与目标物作用后，自身电荷及电荷密度发生改变，从而引起聚合物膜电极的电位信号变化，进而实现对目标物的定量分析。以土霉素检测为例，本论文发展的磁控核酸适配体电位型传感器对土霉素的检测范围为1.0 × 10-9 - 1.0 × 10-5 M，检出限为0.49 nM（3σ）。基于磁控DNA直接电位响应的电位传感分析，拓宽了聚合物膜电位型传感器的应用范围。2. 基于机器学习增强的磁控电位分析技术快速鉴别与定量分析多种抗生素。电位型生物传感器在实际应用中易受信号噪声的干扰，导致其对目标物的识别灵敏度和选择性降低。此外，传感器阵列正逐步取代传统的单一传感器，以实现多种分析物的准确检测。然而，将大量高维的传感数据转化为有价值的生物化学信息，是电位型生物传感器面临的挑战之一。本研究构建了磁控核酸适配体电位型传感器阵列，利用不同核酸适配体对靶标的亲和力差异，获取各类分析物的电位响应特征图谱。通过将该图谱与线性判别分析和机器学习技术结合，我们实现了对五大类共十一种抗生素的分类鉴别。此外，本研究选用对四环素类抗生素分子具有半选择性的核酸适配体，成功区分了结构高度相似的四环素、土霉素和金霉素分子。我们进一步将动态电位分析技术与长短期记忆网络（LSTM）相结合，实现了多种抗生素分子的快速、可靠鉴别与准确定量。该技术成功应用于海水中两种抗生素的快速鉴别与定量分析，展现了其在环境监测和公共健康领域的应用潜力。3. 基于磁控电位分析技术与自适应学习技术的电位型生物传感器。上述研究中，电位型传感器终端获取大量原始数据后，必须将其传输到外部计算单元或云计算系统处理传感信号，需要大量的计算资源。另外，LSTM模型需要人为监督，无法进行自我训练和更新，从而限制了其在实际环境中的应用。本文发展了具有自适应学习功能的电位型生物传感系统。通过在传感器内部署自适应LSTM算法，优化记忆更新机制，该传感器能够大幅减少计算负担，提高数据特征的捕捉效率，并实现了对海水样品中抗生素的快速鉴别与定量分析。本研究发展的自适应LSTM模型能够自动学习和提取复杂生物化学信号中时序特性及其动态变化，并能在环境变化和传感器更换等可变条件下进行自我训练和模型更新。在单次训练实验后，该模型对十一种抗生素的分类准确率为97.12%，对五种抗生素浓度及其浓度的预测准确率为95.76%。我们所构建的电位型生物传感器无需依赖外部设备，能自动收集和分析数据，进行实时检测分析，并根据环境变化调整监测策略，提高对目标物的检测灵敏度和分析效率。4. 基于单个磁珠分析的高灵敏电位型核酸适配体传感器。核酸适配体筛选通常需要多轮富集过程，且易产生非特异性结合，导致对靶标的亲和力和特异性不足。另外，磁控电位型核酸适配体传感器的检测灵敏度亟待提高。本研究发展了基于单个磁珠分析的磁控核酸适配体电位型传感器。该传感器以具有高双电层电容的还原氧化石墨烯作为离子-电子转导层引入聚合物膜电极，并采用模板辅助法控制其在电极表面的形貌，增加了聚合物膜传感界面的离子交换活性位点，提升了核酸适配体的电位传感信号。此外，本研究采用微滴雾化技术精确调控单个核酸适配体功能化磁珠到达聚合物膜电极。磁珠表面的DNA分子与膜相中的离子交换剂结合形成离子对，促使溶液相与膜相之间进行离子交换作用，并产生明显、灵敏和稳定的电位响应，从而实现了对抗生素分子的高灵敏检测。以硫磺二甲氧嘧啶检测为例，本文发展的磁控核酸适配体电位型传感器对硫磺二甲氧嘧啶的检测范围为1.0 × 10-11 - 1.0 × 10-8 M，检出限为4.2 pM（3σ），相比于前文中的磁控核酸适配体电位型传感器降低了3个数量级。本研究方法与智能传感技术的结合，在对微量污染物的连续、高灵敏监测等方面具有较广阔的应用前景。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/40069]  |
| 专题 | 中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 牟俊松. 基于磁控DNA直接电位响应的抗生素电位传感研究[D]. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：烟台海岸带研究所
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