A sandwich-type electrochemiluminescence immunosensor based on graphene quantum dots for the detection of carcinoembryonic antigen

本研究基於石墨烯量子點標記二級抗體作為生物探針(GQDs-Ab2)，藉由GQDs的發光特性製備出一簡單靈敏的電致化學發光（ECL）免疫傳感器，用於檢測癌胚抗原（CEA）。具有優異的光穩定性和高比表面積的石墨烯量子點提供了有效的生物界面來控制Ab2的負載量，因此增強了此ECL感測器的敏感性。本研究採用三明治免疫分析方法(sandwich-type)將癌胚抗體與CEA固定於電極上，首先將癌胚抗體(Ab1)利用共價鍵結固定於石墨烯量子點-金奈米粒子修飾電極(GQD-Au NPs/GCE)上，然後通過抗體抗原專一性鍵結將CEA和GQDs-Ab2固定於修飾電極上。此次ECL檢測的原理是透過二級抗體上的石墨烯量子點與溶液中的過硫酸鉀反應產生發光訊號，達到顯著的信號放大效果。此製備的電致化學發光感測器顯示出優異的偵測範圍(0.005 - 50 ng/mL)、偵測極限(2.0 pg/mL)和良好的選擇性。In this study, we designed a simple and sensitive sandwich-type electrochemiluminescence (ECL) immunosensor based on GQDs labelled secondary antibody (GQDs-Ab2) as a bioprobe to detect the concentration of the tumor marker carcinoembryonic antigen (CEA) on a GQD-Au NPs modified glassy carbon electrode (GQD-Au NPs/GCE). GQDs with excellent light stability and high specific surface area provided an efficient biointerface to control the loading amount of Ab2. First, the primary antibody, anti-CEA (Ab1) was immobilized on the GQD-AuNPs modified electrode by covalent binding, then the antigen and GQDs-Ab2 were successfully immobilized by specific interactions to form a sandwich-type immunocomplex. The principle of ECL detection was that the ECL intensity will be increase by the ECL reaction between GQDs and K2S2O8 after binding GQDs-Ab2 to CEA. The prepared ECL immunosensor showed high sensitivity and wide liner for detection CEA in the range of 0.005 - 50 ng/mL and the limit detection was 2 pg/mL.摘要 i Abstract ii 總目錄 iii 圖目錄 v 表目錄 viii 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 抗體抗原 2 1.2.1 抗體抗原簡介 2 1.2.2 抗體的基本結構 2 1.2.3 癌胚抗原 4 1.3 生物感測器 5 1.3.1 生物感測器之介紹 5 1.3.2 生物感測器之基本構造與組成 6 1.3.3 生物感測器之分類 13 1.4 免疫感測器 16 1.4.1 光學式癌胚抗原免疫感測器 16 1.4.2 質量感應式癌胚抗原免疫感測器 17 1.4.3 電化學式癌胚抗原免疫感測器 18 1.4.4 電致化學發光式癌胚抗原免疫感測器 19 1.5 石墨烯量子點 23 1.5.1 石墨烯量子點之簡介 23 1.5.2 石墨烯量子點之製備 24 1.5.3 石墨烯量子點在電化學上的應用 30 1.6 電化學方法 34 1.6.1 電致化學發光法(electrochemiluminescence, ECL) 34 1.6.2 循環伏安法(cyclic voltammetry, CV) 38 1.7 儀器原理 40 1.7.1 穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscope, TEM) 40 1.7.2 傅立葉轉換紅外光譜(Fourier Transform Infrared Spectrometer, FT-IR) 41 第二章 實驗方法與步驟 42 2.1 實驗藥品 42 2.2 實驗儀器 43 2.3 實驗步驟 44 2.3.1 電極前處理 44 2.3.2 合成石墨烯量子點 44 2.3.3 合成石墨烯量子點-金奈米粒子 45 2.3.4 石墨烯量子點與抗體之接合 45 2.3.5 癌胚抗原免疫感測器之製備 46 第三章 結果與討論 47 3.1 石墨烯量子點及石墨烯量子點-金奈米粒子之探討 48 3.1.1 石墨烯量子點之鑑定 48 3.1.2 石墨烯量子點-金奈米粒子之鑑定 49 3.1.3 石墨烯量子點與抗體接合之鑑定 51 3.2 利用電化學方法偵測癌胚抗原之探討 52 3.2.1 電致發光免疫感測器之機制 52 3.2.2 癌胚抗原電致發光免疫感測器之電化學特性 53 3.2.3 癌胚抗原電致發光免疫感測器之時間探討 54 3.2.4 癌胚抗原電致發光免疫感測器之校正曲線探討 58 3.2.5 癌胚抗原電致發光免疫感測器之選擇性探討 60 第四章 結論與未來展望 61 4.1 結論 61 4.2 未來展望 61 第五章 參考文獻 6