基于新型二维材料MXene和Fe3O4适体传感器的制备和应用
这是一篇关于外泌体,循环肿瘤细胞,Ti3C2 MXene,磁性纳米粒子,电化学,适体传感器的论文, 主要内容为现代医学的发展使得越来越多的“不治之症”逐渐被攻克。随着人类寿命的延长和生产力水平的不断提升,健康的生活方式和优质的生活质量已经变成人们更为普遍追求的目标。尽管医疗水平正在不断提升,但癌症仍是损害人们健康的第一杀手。目前为止,除甲状腺癌外,其他癌症的治愈率仍然较低、预后效果仍然较差,这与癌症难以实现早期诊疗的特性密切相关。由于缺乏典型的早期症状和高度侵袭性的生物学特征多种癌症无法被及时察觉,导致很多晚期患者错过了黄金治疗时间。因此,如何实现癌症的早期筛查和诊断就成为提升癌症治愈率和改善患者生存质量的关键。目前,癌症诊断方式主要集中在组织活检和影像学检查上,但它们也还存在着价格高昂、辐射伤害、特定部位限制和难以实现肿瘤组织异质性分析等缺陷。这也使得人们仍在不断探索更为灵敏、准确、侵入性小的癌症早筛策略。这样的背景下,液体活检应运而生。液体活检是指利用人体体液作为标本来源进行检测和分析的体外诊断技术,液体活检的标志物主要包括循环肿瘤DNA(ctDNA)、循环肿瘤细胞(CTCs)和外泌体。其中应用CTCs实现诊断肿瘤试剂盒的商业化开发最为顺利,而来源于癌细胞的外泌体则被认为是一种最有希望的微创液体活检生物标记物。相对于CTCs,外泌体具有能够提供活肿瘤细胞信息的优势,已然成为目前肿瘤标志物研究的热点。在此,我们基于CTCs和外泌体开发了两种应用于肿瘤液体活检的检测平台。一、开发了一种实现4T1细胞灵敏捕获和检测的电化学适体传感器。制备了二维MXene纳米片作为具有优异电化学性能的传感界面,合成了氨基官能团化的Fe3O4纳米粒子作为具有大比表面积和良好捕获能力的载体。通过酰胺反应将羧基修饰的适配体连接在Fe3O4-NH2捕获载体上。进一步地,利用上皮细胞黏附因子(EpCAM)适配体与4T1细胞之间特异性作用实现细胞的捕获。并通过改变细胞浓度的方式确定了传感器电流信号与4T1细胞浓度间的线性关系,以达到定量检测CTCs的目的。所设计的传感器检测范围在102～106 cells/mL,检测限为39 cells/mL,稳定性和重现性良好。二、设计了一种基于新型三明治结构实现4T1外泌体高度灵敏识别和检测的电化学适体传感器。进一步地,我们在细胞囊泡层面,实现了外泌体的捕获与检测。并在之前研究的基础上,将一种适配体转变为两种适配体与外泌体结合组装成三明治结构的传感器。氨基官能团化的Fe3O4纳米粒子设计为具有大表面积和快速富集能力的传感界面,二维MXene纳米片则被设计为具有优异电化学特性的信号放大器。具体而言,CD63适配体连接的Fe3O4纳米探针可以作为捕获探针用于捕获目标外泌体。EpCAM适配体修饰的MXene纳米片则通过外泌体锚定于电极表面,以通过识别剩余的蛋白质位点来增强捕获的外泌体的定量检测结果。采用这种设计,制备的生物传感器显示出用于4T1外泌体传感的宽线性范围(102 particles/μL～107 particles/μL),以及 43 particles/μL的低检测限。此外,该传感平台可以使用与适配体1和2(CD63和EpCAM)相对应的表面蛋白来确定四种不同的肿瘤细胞类型(4T1、Hela、HepG2和A549),并且在血清样品中也具有良好的特异性。这些初步结果证明了建立一种灵敏、准确和廉价的电化学传感器来检测外泌体浓度和种类的可行性,并为外泌体在液体活检和早期癌症诊断等临床应用提供了重要的参考价值。
多参量水质在线监测系统的设计与实现
这是一篇关于水质监测,化学需氧量,电化学,LoRa,LabVIEW的论文, 主要内容为湖库是人类生活用水和饮用水的主要来源。工农业废水和生活污水的大量排放是导致湖库水体污染的主要原因。对湖库水质进行长期的监测是预防水体污染的重要措施。目前,对区域湖库水质的监测主要以人工现场采样,后将样品运输到实验室进行检测分析,存在耗费时间长、检测效率低和维护费用高等缺点,无法满足水质实时在线监测的需求。因此,本文设计并实现了一种多参量水质在线监测系统,可同时监测水温、p H、电导率、溶解氧、浊度、氨氮、硝酸根和化学需氧量多个水质参量的水质信息,系统续航能力强,无需人工值守。本文的工作主要如下:(1)针对湖库水质的监测需求,搭建了一种具有“多传感器采集-无线数据传输-上位机数据处理”结构的水质在线监测系统,相比其他水质监测系统,简化了微控制器部分,将微控制器中的数据处理部分利用上位机进行解析和处理。对系统硬件的各个模块进行了选型,并对系统的整体功率和功耗进行了计算,搭建了对应的供电系统,设计了基于Lab VIEW的上位机软件,对软件的结构和功能进行了设计,通过编写对应的解析子程序对多个水质数据进行解析,实现多参量水质数据的在线读取。(2)针对水质化学需氧量无法在线监测的现状,搭建了水质化学需氧量在线监测系统。系统包括检测电极、微反应器、读取模块和上位机软件。制作了金纳米颗粒/金(Au NPs/Au)电极,对电极进行了表征和性能测试,制作了PDMS微反应器,微反应器与电极构成检测模块。设计了基于Arduino和恒电位电路组成的读取模块以及可执行计时电流法测量的上位机软件。(3)对搭建的水质在线监测系统进行系统功能测试。包括水质传感器数据读取测试、太阳能控制器数据读取测试、系统丢包率测试,并对采集的水质数据进行分析和总结。结果表明,本文设计的水质在线监测系统具有监测参数多、监测速度快、系统可靠性高的特点,能实现10千米距离内的多参量水质数据采集,适用于湖库水质在线监测。
超声协同电化学氧化降解煤气化水中有机物的研究
这是一篇关于煤气化水,难降解有机物,超声,电化学,苯酚的论文, 主要内容为本文研究了超声/电化学联合技术处理煤气化水中难降解有机物的可行性。考察了 pH、电压、铁碳质量比和时间的影响,探索了超声与电化学技术之间的协同作用,并对其作用机理和反应动力学进行研究。实验的内容和结果如下:(1)探索微电解填料外加电场的方式,外加电场能促进微电解反应,苯酚去除率提高 28.73%。(2)采用仅超声、仅电化学和超声/电化学技术处理苯酚模拟废水。计算超声和电化学技术之间的协同因子Syn,Syn为98.02%,表明超声与电化学技术之间存在显著协同作用。(3)考察溶液初始pH、外加电压强度、铁碳质量比和时间对仅电化学和超声/电化学联合技术处理苯酚效果的影响。电化学处理苯酚的去除率在最佳条件下可达74.70%。超声/电化学处理苯酚的去除率最佳条件下可达88.61%。对反应过程进行动力学分析,均更符合二级动力学反应方程。(4)超声/电化学联合技术处理苯酚和吡啶的出水进行GC-MS分析。结果表明,苯酚和吡啶均被有效降解成为小分子易生物降解的物质,说明超声/电化学联合技术不但能降解芳香烃类化合物,针对杂环类化合物同样有效。(5)对不锈钢网进行SEM表征分析,活性炭和铁屑进行SEM、EDS和IR表征分析。表征结果表明不锈钢网可作为电极长期或循环使用。超声/电化学联合技术并没有改变不锈钢网、铁屑和活性炭的结构,反应过程中铁屑和活性炭会不断消耗,需要定时进行补充。实验结果表明超声联合电化学技术降解有机物切实可行,可显著提高废水可生化性,为后续生化处理实现达标排放提供条件。
多参量水质在线监测系统的设计与实现
这是一篇关于水质监测,化学需氧量,电化学,LoRa,LabVIEW的论文, 主要内容为湖库是人类生活用水和饮用水的主要来源。工农业废水和生活污水的大量排放是导致湖库水体污染的主要原因。对湖库水质进行长期的监测是预防水体污染的重要措施。目前,对区域湖库水质的监测主要以人工现场采样,后将样品运输到实验室进行检测分析,存在耗费时间长、检测效率低和维护费用高等缺点,无法满足水质实时在线监测的需求。因此,本文设计并实现了一种多参量水质在线监测系统,可同时监测水温、p H、电导率、溶解氧、浊度、氨氮、硝酸根和化学需氧量多个水质参量的水质信息,系统续航能力强,无需人工值守。本文的工作主要如下:(1)针对湖库水质的监测需求,搭建了一种具有“多传感器采集-无线数据传输-上位机数据处理”结构的水质在线监测系统,相比其他水质监测系统,简化了微控制器部分,将微控制器中的数据处理部分利用上位机进行解析和处理。对系统硬件的各个模块进行了选型,并对系统的整体功率和功耗进行了计算,搭建了对应的供电系统,设计了基于Lab VIEW的上位机软件,对软件的结构和功能进行了设计,通过编写对应的解析子程序对多个水质数据进行解析,实现多参量水质数据的在线读取。(2)针对水质化学需氧量无法在线监测的现状,搭建了水质化学需氧量在线监测系统。系统包括检测电极、微反应器、读取模块和上位机软件。制作了金纳米颗粒/金(Au NPs/Au)电极,对电极进行了表征和性能测试,制作了PDMS微反应器,微反应器与电极构成检测模块。设计了基于Arduino和恒电位电路组成的读取模块以及可执行计时电流法测量的上位机软件。(3)对搭建的水质在线监测系统进行系统功能测试。包括水质传感器数据读取测试、太阳能控制器数据读取测试、系统丢包率测试,并对采集的水质数据进行分析和总结。结果表明,本文设计的水质在线监测系统具有监测参数多、监测速度快、系统可靠性高的特点,能实现10千米距离内的多参量水质数据采集,适用于湖库水质在线监测。
基于STM32的水质COD检测系统设计与实现
这是一篇关于化学需氧量,COD,STM32,电化学,实时检测的论文, 主要内容为在城市建设高速发展、资源开发力度增大的同时,我国水污染状况也随之加重。水质污染程度的轻重,通常以化学需氧量(COD)作为综合评价指标,而目前传统的COD检测方法受各种缺陷的限制,已无法满足我国水质监测工作的要求。本文通过对比不同COD检测法及检测仪器的优缺点,提出一种基于嵌入式技术,结合电化学快速检测法的COD检测系统,实现了水质COD数据、温湿度数据快速自动检测,及数据管理的功能。本文主要完成COD检测系统硬件和软件的设计与实现,主要工作内容包括:(1)结合背景提出方案。分析目前国内外COD检测仪发展现状后,根据当前存在的问题及未来发展趋势,提出基于嵌入式技术,结合电化学快速检测法的便携式COD快速检测系统,并根据功能需求设计了系统总体方案。(2)系统硬件设计。硬件架构以STM32F4芯片为核心,对主要功能模块进行控制及数据处理。将水样采集模块、恒电位检测模块、温湿度检测模块、LCD显示屏模块、GPRS和Wi-Fi通讯模块与主控芯片进行连接,并完成电路设计,实现COD快速检测系统硬件平台的搭建。(3)系统软件设计。系统下位机软件包括系统主程序,和系统初始化、RTC时钟、COD数据采集、温湿度数据采集、通讯传输等子程序;上位机系统采用基于B/S三层架构,结合MySQL数据库的Web端数据管理系统,实现用户远程登录、查看检测数据、控制和管理等功能。(4)系统测试与分析。使用该系统装置对3组已知浓度的标准溶液进行COD值检测,结果表明COD浓度越高时检测误差越小,最大误差不超过-4%,精度高于国标GB11914-89规定的标准检测法。结论:基于STM32的COD检测系统,具有精度高、速度快、无二次污染等特点,满足水质COD值自动检测的设计要求,可以替代进口设备,以降低检测成本、提高检测效率。
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