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1、湖南大学硕士学位论文乳糖传感检测与癌细胞现场红外分析研究姓名：杨文月申请学位级别：硕士专业：分析化学指导教师：蔡青云20080422硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 20世纪80年代以高技术群为代表的新技术革命，把生物技术、新材料和信息技术并列为新技术革命的重要标志。人口、地球环境、食物、能源与健康等重大问题的解决，莫不寄希望于生命科学的发展和材料的创新。本论文针对生命科学领域中的相关问题，开发了无线磁弹性传感技术，测定了与人类健康息息相关的食品中的乳糖含量； 研究了现场红外-衰减全反射傅立叶变换红外光谱技术在人乳腺癌细胞生长过程分析中的应用；此外，文章还针对材料开发相关问题，探索了碳纤维的
2、催化石墨化及其机理。 (1) 牛奶中乳糖的无线传感分析：本文基于无线无源传感器的原理，在磁弹性传感器表面固定一层pH聚合物，制备了pH传感器，然后再在该pH传感器的表面固定-半乳糖苷酶、 葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的复合酶， 获得了乳糖传感器。利用底物在多酶作用下水解最终生成H+，使溶液pH值变小，导致传感器表面pH敏感膜发生收缩，从而使表面质量负载减少导致传感器共振频率增加的原理，分析了乳糖标准溶液的浓度，线性范围为216 mmol/L, 检测下限达0.72 mmol/L。将该传感器应用于实际牛奶样品中的检测，效果与光谱分析数据相当。 (2) 乳腺癌细胞生长过程的现场红外分析：基于红外光谱能够
3、反映物质结构的特点，采用衰减全反射傅立叶变换红外（ATR-FTIR）光谱，在线分析人乳腺癌细胞生长全过程的物质变化，实现了对人乳腺癌细胞生长的在线实时无损监测。通过比较正常人乳腺细胞与癌细胞的区别，为红外光谱诊断癌症的工作提供了数据材料；通过探索癌细胞的生长行为，为癌细胞的生长过程机理研究做出了贡献，同时该方法的建立为进一步研究抗癌药物对癌细胞作用机制提供了可行性依据。 (3) 磁场诱导化学镀Ni-P对碳纤维催化石墨化的影响研究：针对聚丙烯腈（PAN）碳纤维难石墨化的问题，采用磁场诱导的方法，在化学镀镍的过程中获得了颗粒均一的镀层表面。考察了镀层均匀程度对碳纤维石墨化度的影响。通过扫描电子显微
4、镜（SEM）图比较了两种不同的化学镀层，通过X射线衍射（XRD）表征研究了石墨化度跟镀层的均匀程度的关系。 关键词：磁致弹性；生物传感器；衰减全反射傅立叶变换红外光谱；乳糖；乳腺癌细胞 乳 糖 传 感 检 测 与 癌 细 胞 现 场 红 外 分 析 研 究 II Abstract Since 1980s, biotechnology, new materials and information technology have been regarded as the symbols of technical innovation, which are important to the area
5、s of population, environment, food, energy, health and so on. This dissertation focuses on the areas of life science and materials. We developed a magnetoealstic biosensor to determine the lactose in milk sample, studied the application of in situ attenuated total reflectance Fourier transform infra
6、red (ATR-FTIR) spectroscopy in analysis of cancer cells. Finally, we investigated the graphitization of carbon fibers. (1) Analysis of lactose in milk samples by wireless sensing: We developed a wireless biosensor for analysis of lactose in milk by co-immobilizing -galactosidase (GLA), glucose oxida
7、se (GOD) and catalase onto a magnetoelastic ribbon-like sensor which was pre-coated with a layer of pH-sensitive polymer. The lactose can be hydrolyzed to produce acid finally by the multi-enzyme, resulting in the pH-responsive polymer shrinking, and consequently the resonance frequency (r) of the s
8、ensor increasing. The shifts in frequency were linearly proportional to the concentration of lactose from 2 mmol/L to 16 mmol/L with a detection limit of 0.72 mmol/L. The sensor was applied to the milk samples, and the results were the same as that of spectroscopic analysis. (2) In situ evaluation o
9、f breast cancer cell growth with ATR-FTIR Spectroscopy: Base on the powerful ability of Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy to elucidate the structure of biological samples. We introduced ATR-FTIR to in situ evaluate the growth of human breast cancer cell, and elucidated the distinguishin
10、g phase of the cell cycle with 3D ATR-FTIR spectroscopy. The different spectroscopy between cancer cell and normal cell offered information to the cancer screening. This study not only provides a time sketch of cancer events but also shows the potential to the mechanism of the anti-cancer drugs acti
11、ng on the cells. (3) The investigation of effect on the graphitization of carbon fibers with electroless deposition of Ni-P catalyst under a magnetic filed: In the process of electroless deposition of Ni, a magnetic filed was added to obtain a homogenous, smooth and orientated coating. SEM images de
12、termined the surface of two different coatings. A conclusion that the graphitization is independent on the degree of smooth of coating surfaces was achieved by XRD data. 硕 士 学 位 论 文 III Key Words: magnetoelastic; biosensors; attenuated total reflection Fourier transform infrared spectroscopy; lactos
13、e; breast cancer cell 湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本
14、人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 硕 士 学 位 论 文 1 第第 1 章 绪 论 章 绪 论 二十一世纪人类赖以发展的生命科学、信息科学、环境科学和材料科学四大支柱科学己在迅速发展，分析化学在为这些科学研究与应用提供方法和手段的同时也迎来了新的发展机遇。从目前国际化学发展的趋势和热点来看，化学科学的前沿和热点集中在1, 2：(1) 以可持
15、续发展为目标的绿色化学；(2) 化学反应动态学和理论化学；(3) 在研究生物活体及光电磁物理功能与结构和化学性质的关系的基础上合成功能化合物；(4) 生命体系中的化学过程；(5) 非常规条件下的化学行为；(6) 人类健康相关的分析方法和超快速、超微量、在位(in situ)、在体(in vivo)、活体分析和检测手段；(7) 分子以上层次化学与纳米化学以及化学反应中的尺度效应；(8) 能源材料（包括电极材料、电解质材料、储氢材料等） 、磁性材料、介电材料、信息存储材料、传感材料、催化剂等材料的开发创新等多个方面。 分析化学已吸收了大量的物理方法、生物学方法、电子学和信息科学的方法，发展成为分析
16、科学，应用范围也大大拓宽了。分析方法的十化：微型与芯片化、仿生化、在线化、实时化（real time） 、原位化（in situ） 、在体化（in vivo） 、智能与信息化、高灵敏化、高选择性化、单原子化和单分子化。单分子光谱、单分子检测、搬运和调控技术受到越来越多地重视3, 4。本章将从生物传感技术、现场红外技术和碳材料等几个方面进行综述。 1.1 生物传感分析 生物传感分析是一类能将生物反应转变为电信号从而实现定量测定的分析手段。在临床检测、药物研究、食品分析、国防、环境等方面有着广泛的应用。 1.1.1 生物传感器发展概况 生物传感器5是一类能将生物反应转变为电信号从而实现定量测定的分析仪器。该器件充分利用了生物过程中普遍存在的特异性，如酶与其相应底物或其他配体的特异结合，抗体与抗原的特异结合，外源凝集素与碳水化合物的特异结合，以及核酸与其互补序列或抗体的特异结合。 生物活性分子的高度特异性决定了他们可以作为生物传感器的一部分，也正是这一点使得生物传
