原位引發(fā)聚合物刷：開(kāi)拓液晶檢測(cè)高靈敏生物分子新時(shí)代一、緒論1.1研究背景生物分子檢測(cè)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域都具有舉足輕重的作用。在生物學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)對(duì)生物分子的檢測(cè)能夠深入探究生命活動(dòng)的本質(zhì)，為揭示生命奧秘提供關(guān)鍵線索，助力科學(xué)家更好地理解生物體內(nèi)的各種生理過(guò)程和調(diào)控機(jī)制，例如基因表達(dá)分析、蛋白質(zhì)相互作用研究等。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生物分子檢測(cè)是疾病診斷、治療監(jiān)測(cè)以及預(yù)后評(píng)估的重要依據(jù)。準(zhǔn)確檢測(cè)生物分子可以實(shí)現(xiàn)疾病的早期診斷，從而提高治療效果和患者的生存率。以腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)為例，通過(guò)檢測(cè)血液或組織中的特定生物分子，能夠幫助醫(yī)生早期發(fā)現(xiàn)腫瘤，為患者爭(zhēng)取寶貴的治療時(shí)間。在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，生物分子檢測(cè)可用于檢測(cè)環(huán)境中的污染物和病原體，及時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境問(wèn)題，保障生態(tài)安全，如檢測(cè)水體中的微生物、土壤中的有機(jī)污染物等。隨著各領(lǐng)域的不斷發(fā)展，對(duì)生物分子檢測(cè)的靈敏度和準(zhǔn)確性提出了更高的要求。傳統(tǒng)的生物分子檢測(cè)方法，如酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）、聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）等，雖然在一定程度上滿(mǎn)足了檢測(cè)需求，但也存在一些局限性。ELISA檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，且需要使用酶標(biāo)記物，可能會(huì)引入誤差；PCR操作復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻，容易出現(xiàn)假陽(yáng)性或假陰性結(jié)果。因此，開(kāi)發(fā)高靈敏的生物分子檢測(cè)技術(shù)成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。液晶檢測(cè)技術(shù)作為一種新型的生物分子檢測(cè)方法，近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。液晶是一種介于液體和晶體之間的物質(zhì)，具有獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。液晶分子對(duì)表面的微小變化非常敏感，當(dāng)生物分子與液晶表面的配體結(jié)合時(shí)，會(huì)引起液晶分子取向的改變，從而導(dǎo)致液晶光學(xué)性質(zhì)的變化，通過(guò)檢測(cè)這些光學(xué)變化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的檢測(cè)。液晶檢測(cè)技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速、無(wú)需標(biāo)記等優(yōu)點(diǎn)，能夠在短時(shí)間內(nèi)獲得檢測(cè)結(jié)果，且避免了標(biāo)記過(guò)程對(duì)生物分子的影響，為生物分子檢測(cè)提供了一種新的思路和方法。然而，液晶檢測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。其中最主要的問(wèn)題是檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)限通常不足以捕捉低濃度的生物標(biāo)志物。許多疾病在早期階段，生物標(biāo)志物的濃度非常低，傳統(tǒng)的液晶檢測(cè)技術(shù)難以準(zhǔn)確檢測(cè)到這些低濃度的生物分子，從而影響了疾病的早期診斷和治療。此外，液晶生物傳感器對(duì)環(huán)境因素如溫度和機(jī)械振動(dòng)極為敏感，這種敏感性常導(dǎo)致結(jié)果的不穩(wěn)定和誤差，影響傳感器的可靠性和重復(fù)性。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，環(huán)境溫度的微小變化或輕微的機(jī)械振動(dòng)都可能導(dǎo)致液晶分子取向的改變，從而干擾檢測(cè)結(jié)果。傳統(tǒng)技術(shù)的操作復(fù)雜性也是一個(gè)主要障礙。液晶生物傳感器的制備和使用通常涉及復(fù)雜的液晶細(xì)胞制備、精密的表面化學(xué)處理和嚴(yán)格的溫度控制，這些需求不僅增加了操作的難度，也限制了其在需要快速現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景中的實(shí)用性。1.2研究目的與意義本研究旨在通過(guò)原位引發(fā)聚合物刷的方法來(lái)放大液晶檢測(cè)器信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的生物分子檢測(cè)。具體而言，擬深入探究原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的原理和方法，系統(tǒng)分析其對(duì)液晶分子取向和光學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)制，結(jié)合生物分子的特性和原位引發(fā)聚合物刷的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建基于該技術(shù)的高靈敏生物分子檢測(cè)新方法，并對(duì)多種生物分子進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證，評(píng)估檢測(cè)方法的靈敏度、準(zhǔn)確性和選擇性。本研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面看，深入研究原位引發(fā)聚合物刷與液晶分子之間的相互作用機(jī)制，有助于拓展對(duì)液晶材料在生物傳感領(lǐng)域應(yīng)用的認(rèn)識(shí)，豐富液晶物理和生物傳感的相關(guān)理論，為后續(xù)的研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用方面，成功開(kāi)發(fā)基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的高靈敏生物分子檢測(cè)技術(shù)，有望在醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)疾病的早期精準(zhǔn)診斷，提高疾病的治愈率和患者的生存率；在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)食品中的有害物質(zhì)和病原體，保障公眾的飲食安全；在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中微量污染物和生物標(biāo)志物的有效檢測(cè)，為環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡的維護(hù)提供有力支持。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在液晶檢測(cè)技術(shù)用于生物分子檢測(cè)的研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了一系列成果。國(guó)外研究起步相對(duì)較早，對(duì)液晶檢測(cè)技術(shù)的原理和應(yīng)用進(jìn)行了深入探索。例如，有研究利用液晶的光學(xué)各向異性，通過(guò)表面修飾特定的生物識(shí)別分子，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的特異性檢測(cè)。這種方法利用液晶分子對(duì)表面微小變化的敏感性，當(dāng)生物分子與表面配體結(jié)合時(shí)，液晶分子的取向發(fā)生改變，進(jìn)而引起光學(xué)性質(zhì)的變化，通過(guò)光學(xué)顯微鏡或其他光學(xué)檢測(cè)設(shè)備即可觀察到這種變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的檢測(cè)。國(guó)內(nèi)在液晶檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域也取得了顯著進(jìn)展，眾多科研團(tuán)隊(duì)致力于優(yōu)化液晶生物傳感器的性能。有研究通過(guò)改進(jìn)液晶細(xì)胞的制備工藝，提高了傳感器的穩(wěn)定性和重復(fù)性；還有研究利用新型的表面修飾材料，增強(qiáng)了生物分子與液晶表面的結(jié)合能力，從而提高了檢測(cè)的靈敏度。原位引發(fā)聚合物刷技術(shù)在生物分子檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究也在逐步展開(kāi)。國(guó)外有研究利用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）等方法，在固體表面原位引發(fā)聚合物刷的生長(zhǎng)，通過(guò)精確控制聚合反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚合物刷結(jié)構(gòu)和性能的精準(zhǔn)調(diào)控。這些聚合物刷被用于修飾生物傳感器的表面，通過(guò)改變表面的物理化學(xué)性質(zhì)，提高了生物分子的吸附量和檢測(cè)靈敏度。國(guó)內(nèi)在原位引發(fā)聚合物刷技術(shù)方面也取得了一定的成果，研究人員開(kāi)發(fā)了多種新型的引發(fā)劑和聚合方法，提高了聚合物刷的合成效率和質(zhì)量。有研究利用光引發(fā)聚合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在溫和條件下原位引發(fā)聚合物刷的生長(zhǎng)，為該技術(shù)在生物分子檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。然而，目前將原位引發(fā)聚合物刷技術(shù)與液晶檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合用于高靈敏生物分子檢測(cè)的研究還相對(duì)較少?，F(xiàn)有的研究在信號(hào)放大機(jī)制、聚合物刷與液晶分子的兼容性以及檢測(cè)方法的普適性等方面仍存在一些問(wèn)題。在信號(hào)放大機(jī)制方面，雖然已經(jīng)認(rèn)識(shí)到原位引發(fā)聚合物刷可以放大液晶檢測(cè)器信號(hào)，但具體的作用機(jī)制尚未完全明確，需要進(jìn)一步深入研究。在聚合物刷與液晶分子的兼容性方面，如何選擇合適的聚合物材料和聚合方法，使得聚合物刷能夠與液晶分子良好共存，且不影響液晶分子的取向和光學(xué)性質(zhì)，仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。在檢測(cè)方法的普適性方面，現(xiàn)有的研究大多針對(duì)特定的生物分子進(jìn)行檢測(cè)，缺乏對(duì)多種生物分子的普適性檢測(cè)方法，限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。二、相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1液晶檢測(cè)器原理液晶是一種具有獨(dú)特性質(zhì)的物質(zhì)，其分子排列介于液體和晶體之間。液晶分子通常具有長(zhǎng)棒狀或圓盤(pán)狀的結(jié)構(gòu)，在一定條件下，這些分子能夠保持一定的取向有序性，同時(shí)又具有液體的流動(dòng)性，這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了液晶許多獨(dú)特的物理性質(zhì)，如光學(xué)各向異性、介電各向異性等。在液晶相中，分子的取向并非完全隨機(jī)，而是呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。以向列相液晶為例，分子的長(zhǎng)軸方向大致平行，但分子的質(zhì)心位置是無(wú)序的，這種取向有序而位置無(wú)序的特性使得液晶在光學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出與各向同性液體和晶體的不同。液晶檢測(cè)器正是基于液晶的這些特性而設(shè)計(jì)的。其工作原理主要基于液晶分子對(duì)表面微小變化的敏感性。在液晶檢測(cè)器中，液晶通常被填充在兩個(gè)平行的基板之間，形成液晶盒。其中一個(gè)基板表面經(jīng)過(guò)特殊的化學(xué)修飾，固定有能夠與目標(biāo)生物分子特異性結(jié)合的配體。當(dāng)沒(méi)有目標(biāo)生物分子存在時(shí)，液晶分子在基板表面的作用下，呈現(xiàn)出特定的取向排列，此時(shí)液晶對(duì)光的傳播特性保持不變。當(dāng)目標(biāo)生物分子與基板表面的配體發(fā)生特異性結(jié)合時(shí)，會(huì)引起基板表面的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，這種改變進(jìn)而會(huì)影響液晶分子在基板表面的取向。由于液晶分子之間存在相互作用，基板表面液晶分子取向的改變會(huì)逐漸傳遞到整個(gè)液晶層，導(dǎo)致整個(gè)液晶層的分子取向發(fā)生變化。而液晶分子取向的變化又會(huì)引起液晶光學(xué)性質(zhì)的顯著改變，如雙折射、旋光性等。通過(guò)檢測(cè)這些光學(xué)性質(zhì)的變化，就可以判斷是否存在目標(biāo)生物分子以及其濃度信息。在生物分子檢測(cè)中，液晶檢測(cè)器的檢測(cè)機(jī)制主要涉及生物分子與配體的特異性識(shí)別以及由此引發(fā)的液晶分子取向變化。當(dāng)目標(biāo)生物分子與固定在基板表面的配體相遇時(shí)，它們之間會(huì)通過(guò)特異性的相互作用，如抗原-抗體結(jié)合、核酸雜交、酶-底物反應(yīng)等，形成穩(wěn)定的復(fù)合物。這種結(jié)合過(guò)程會(huì)在基板表面產(chǎn)生局部的應(yīng)力、電荷分布變化或化學(xué)組成改變。以抗原-抗體結(jié)合為例，當(dāng)抗原與抗體特異性結(jié)合時(shí)，會(huì)在基板表面形成一個(gè)微小的復(fù)合物區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的存在會(huì)破壞液晶分子在基板表面原本的有序排列，使得基板表面的液晶分子取向發(fā)生改變。隨著液晶分子之間的相互作用，這種取向變化會(huì)逐漸向液晶層內(nèi)部傳播，最終導(dǎo)致整個(gè)液晶層的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生可檢測(cè)的變化。通過(guò)偏光顯微鏡、橢圓偏振儀等光學(xué)檢測(cè)設(shè)備，可以觀察和測(cè)量液晶光學(xué)性質(zhì)的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的定性和定量檢測(cè)。2.2原位引發(fā)聚合物刷技術(shù)原理聚合物刷是指聚合物分子鏈通過(guò)一端以化學(xué)鍵的形式錨定在固體表面，當(dāng)接枝密度足夠高時(shí)，分子鏈之間的排斥力使其在表面伸展，形成類(lèi)似刷子的結(jié)構(gòu)。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)賦予了聚合物刷許多優(yōu)異的性能，如良好的潤(rùn)滑性、抗污性和生物相容性等。聚合物刷的性質(zhì)不僅取決于聚合物本身的化學(xué)結(jié)構(gòu)，還與接枝密度、鏈長(zhǎng)等因素密切相關(guān)。較高的接枝密度和較長(zhǎng)的鏈長(zhǎng)通常可以增強(qiáng)聚合物刷的性能，例如提高其抗污能力和對(duì)表面的保護(hù)作用。原位引發(fā)聚合是制備聚合物刷的一種重要方法，其原理是在固體表面引入引發(fā)劑，然后在適當(dāng)?shù)臈l件下引發(fā)單體進(jìn)行聚合反應(yīng)，使聚合物鏈從表面生長(zhǎng)出來(lái)。在原位引發(fā)聚合過(guò)程中，引發(fā)劑分子通過(guò)物理吸附或化學(xué)反應(yīng)固定在固體表面。當(dāng)加入單體和其他聚合反應(yīng)所需的試劑（如引發(fā)劑、催化劑等）后，在外界條件（如溫度、光照、輻射等）的作用下，引發(fā)劑被激活，產(chǎn)生自由基或離子等活性種。這些活性種能夠引發(fā)單體分子發(fā)生鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)，使得單體分子不斷加成到聚合物鏈上，從而實(shí)現(xiàn)聚合物刷從固體表面的生長(zhǎng)。與傳統(tǒng)的聚合方法相比，原位引發(fā)聚合具有許多優(yōu)勢(shì)。它可以精確控制聚合物刷在固體表面的生長(zhǎng)位置和生長(zhǎng)方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)表面性質(zhì)的精準(zhǔn)調(diào)控。由于聚合物刷是在表面原位生長(zhǎng)的，與表面的結(jié)合力更強(qiáng)，穩(wěn)定性更高。原位引發(fā)聚合的方法有多種，常見(jiàn)的包括原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）、可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合（RAFT）、氮氧化物介導(dǎo)的聚合（NMP）等。原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）是目前應(yīng)用較為廣泛的一種原位引發(fā)聚合方法。在ATRP中，鹵代烷烴作為引發(fā)劑，過(guò)渡金屬配合物作為催化劑。鹵代烷烴在過(guò)渡金屬配合物的作用下，發(fā)生鹵原子的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生自由基和低價(jià)態(tài)的過(guò)渡金屬鹵化物。自由基引發(fā)單體聚合，同時(shí)，增長(zhǎng)鏈自由基又可以與高價(jià)態(tài)的過(guò)渡金屬鹵化物發(fā)生可逆的原子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，使增長(zhǎng)鏈自由基與休眠種之間形成動(dòng)態(tài)平衡。這種動(dòng)態(tài)平衡使得聚合反應(yīng)具有活性聚合的特征，可以精確控制聚合物的分子量和分子量分布。通過(guò)調(diào)節(jié)引發(fā)劑、催化劑和單體的比例，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物刷結(jié)構(gòu)和性能的精準(zhǔn)調(diào)控?？赡婕映?斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合（RAFT）則是通過(guò)使用可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移試劑（RAFT試劑）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合反應(yīng)的控制。RAFT試劑通常是含有二硫代酯、三硫代碳酸酯等結(jié)構(gòu)的化合物。在聚合反應(yīng)中，RAFT試劑與增長(zhǎng)鏈自由基發(fā)生加成-斷裂反應(yīng)，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的自由基中間體。這個(gè)中間體可以繼續(xù)與單體反應(yīng)，也可以發(fā)生斷裂，重新生成增長(zhǎng)鏈自由基和RAFT試劑。通過(guò)這種可逆的過(guò)程，RAFT聚合可以有效地控制聚合物的分子量和分子量分布，并且對(duì)單體的種類(lèi)和反應(yīng)條件具有較好的適應(yīng)性。氮氧化物介導(dǎo)的聚合（NMP）是利用氮氧化物（如TEMPO等）與自由基之間的可逆反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)的控制。在NMP中，引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基與氮氧化物反應(yīng)，形成相對(duì)穩(wěn)定的休眠種。在適當(dāng)?shù)臈l件下，休眠種可以重新分解產(chǎn)生自由基，引發(fā)單體聚合。通過(guò)調(diào)節(jié)氮氧化物與自由基之間的平衡，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合反應(yīng)速率和聚合物結(jié)構(gòu)的控制。在液晶檢測(cè)技術(shù)中，原位引發(fā)聚合物刷可以起到放大信號(hào)的作用。其作用機(jī)制主要基于以下幾個(gè)方面。聚合物刷的引入可以增加固體表面與生物分子的相互作用面積和結(jié)合位點(diǎn)。由于聚合物刷具有較大的比表面積和豐富的化學(xué)基團(tuán)，能夠提供更多的空間和活性位點(diǎn)來(lái)捕獲生物分子。當(dāng)目標(biāo)生物分子與聚合物刷表面的配體結(jié)合時(shí)，聚合物刷可以通過(guò)物理吸附、靜電相互作用、特異性識(shí)別等多種方式與生物分子相互作用，從而提高生物分子在表面的吸附量。更多的生物分子吸附在表面，會(huì)引起更大的表面物理化學(xué)性質(zhì)的變化，進(jìn)而對(duì)液晶分子取向產(chǎn)生更顯著的影響，使得液晶光學(xué)性質(zhì)的變化更加明顯，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。聚合物刷的存在可以改變表面的物理化學(xué)性質(zhì)，如表面電荷、親疏水性等。這些性質(zhì)的改變會(huì)影響液晶分子在表面的取向和排列方式。當(dāng)聚合物刷具有特定的電荷分布時(shí)，會(huì)與液晶分子之間產(chǎn)生靜電相互作用，從而影響液晶分子的取向。親水性的聚合物刷可以改變表面的潤(rùn)濕性，使得液晶分子在表面的接觸角發(fā)生變化，進(jìn)而影響液晶分子的取向。這種表面性質(zhì)的改變可以增強(qiáng)液晶分子對(duì)生物分子結(jié)合事件的響應(yīng)，提高檢測(cè)的靈敏度。此外，聚合物刷還可以通過(guò)與液晶分子之間的直接相互作用來(lái)放大信號(hào)。聚合物刷的分子鏈可以與液晶分子相互纏繞、吸附或形成特定的相互作用，從而改變液晶分子的取向和排列。當(dāng)生物分子與聚合物刷結(jié)合時(shí)，這種結(jié)合事件會(huì)通過(guò)聚合物刷與液晶分子之間的相互作用傳遞給液晶分子，引起液晶分子更大幅度的取向變化，從而放大檢測(cè)信號(hào)。2.3生物分子檢測(cè)相關(guān)理論生物分子檢測(cè)是生命科學(xué)研究和臨床診斷中的關(guān)鍵技術(shù)，其理論基礎(chǔ)涵蓋了生物分子的特性以及多種檢測(cè)原理。常見(jiàn)的生物分子包括蛋白質(zhì)、核酸、糖類(lèi)和脂質(zhì)等，它們?cè)谏顒?dòng)中各自扮演著獨(dú)特而重要的角色。蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者，參與細(xì)胞的結(jié)構(gòu)組成、催化化學(xué)反應(yīng)、信號(hào)傳遞等多種生理過(guò)程。不同的蛋白質(zhì)具有特定的氨基酸序列和三維結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)決定了它們的功能和性質(zhì)。酶是一類(lèi)特殊的蛋白質(zhì)，具有高效的催化活性，能夠加速生物化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；抗體則能夠特異性地識(shí)別和結(jié)合抗原，在免疫反應(yīng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。核酸包括脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），它們攜帶了生物體的遺傳信息。DNA是遺傳信息的儲(chǔ)存載體，通過(guò)堿基對(duì)的排列順序編碼了生物體的遺傳密碼。RNA則在基因表達(dá)過(guò)程中起著重要的作用，參與轉(zhuǎn)錄、翻譯等過(guò)程，將DNA中的遺傳信息轉(zhuǎn)化為蛋白質(zhì)。核酸的檢測(cè)對(duì)于研究基因的結(jié)構(gòu)和功能、疾病的遺傳機(jī)制等具有重要意義。糖類(lèi)不僅是生物體的重要能源物質(zhì)，還參與細(xì)胞識(shí)別、信號(hào)傳導(dǎo)等過(guò)程。糖類(lèi)分子的結(jié)構(gòu)多樣，不同的糖類(lèi)具有不同的生物學(xué)功能。在細(xì)胞表面，糖類(lèi)常常與蛋白質(zhì)或脂質(zhì)結(jié)合形成糖蛋白或糖脂，這些糖復(fù)合物在細(xì)胞間的識(shí)別和通訊中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。脂質(zhì)是生物膜的主要組成成分，同時(shí)也參與能量?jī)?chǔ)存、信號(hào)傳遞等生理過(guò)程。脂質(zhì)的種類(lèi)繁多，包括磷脂、膽固醇、甘油三酯等。磷脂雙分子層構(gòu)成了生物膜的基本結(jié)構(gòu)，維持了細(xì)胞的完整性和穩(wěn)定性；膽固醇則對(duì)生物膜的流動(dòng)性和穩(wěn)定性具有重要影響。由于不同生物分子具有各自獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，對(duì)其檢測(cè)的需求也各不相同。對(duì)于蛋白質(zhì)的檢測(cè)，通常需要檢測(cè)其含量、活性以及與其他分子的相互作用等。在臨床診斷中，檢測(cè)特定蛋白質(zhì)的含量可以作為疾病診斷的指標(biāo)，如腫瘤標(biāo)志物的檢測(cè)。檢測(cè)蛋白質(zhì)的活性可以了解其在生物化學(xué)反應(yīng)中的功能狀態(tài)，對(duì)于研究酶的作用機(jī)制和藥物研發(fā)具有重要意義。核酸檢測(cè)主要關(guān)注其序列、拷貝數(shù)以及甲基化等修飾情況。在基因診斷中，通過(guò)檢測(cè)核酸序列可以確定個(gè)體的基因型，診斷遺傳性疾??；檢測(cè)核酸的拷貝數(shù)可以用于腫瘤的早期診斷和病情監(jiān)測(cè)，如實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)常用于檢測(cè)腫瘤相關(guān)基因的表達(dá)水平。核酸的甲基化修飾與基因表達(dá)的調(diào)控密切相關(guān)，檢測(cè)甲基化狀態(tài)可以為疾病的發(fā)病機(jī)制研究和診斷提供重要信息。糖類(lèi)和脂質(zhì)的檢測(cè)則側(cè)重于其種類(lèi)和含量的分析。在糖尿病的診斷中，檢測(cè)血糖水平是重要的診斷指標(biāo)；在心血管疾病的研究中，檢測(cè)血脂含量可以評(píng)估疾病的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)糖類(lèi)和脂質(zhì)的檢測(cè)還可以幫助了解細(xì)胞的代謝狀態(tài)和生理功能。常見(jiàn)的生物分子檢測(cè)原理包括免疫學(xué)檢測(cè)原理、核酸擴(kuò)增檢測(cè)原理、生物傳感器檢測(cè)原理等。免疫學(xué)檢測(cè)基于抗原-抗體的特異性結(jié)合反應(yīng)?？乖悄軌虼碳C(jī)體產(chǎn)生免疫應(yīng)答的物質(zhì)，抗體則是機(jī)體免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的能夠特異性結(jié)合抗原的蛋白質(zhì)。在免疫學(xué)檢測(cè)中，將已知的抗原或抗體固定在固相載體上，當(dāng)樣品中的目標(biāo)生物分子（抗原或抗體）與之結(jié)合時(shí)，會(huì)形成抗原-抗體復(fù)合物。通過(guò)檢測(cè)復(fù)合物的形成，可以確定目標(biāo)生物分子的存在和含量。酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）是一種常用的免疫學(xué)檢測(cè)方法，它利用酶標(biāo)記的抗體與抗原-抗體復(fù)合物結(jié)合，通過(guò)酶催化底物產(chǎn)生顏色變化，通過(guò)檢測(cè)顏色的深淺來(lái)定量分析目標(biāo)生物分子的含量。核酸擴(kuò)增檢測(cè)原理主要基于聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）技術(shù)。PCR技術(shù)是一種體外擴(kuò)增核酸的方法，它利用DNA聚合酶在引物的引導(dǎo)下，以dNTP為原料，對(duì)特定的核酸序列進(jìn)行擴(kuò)增。在PCR反應(yīng)中，首先將雙鏈DNA模板加熱變性為單鏈，然后降低溫度，使引物與單鏈模板特異性結(jié)合，接著在DNA聚合酶的作用下，以引物為起點(diǎn)，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則合成新的DNA鏈。通過(guò)多次循環(huán)，目標(biāo)核酸序列可以得到指數(shù)級(jí)擴(kuò)增。擴(kuò)增后的核酸可以通過(guò)凝膠電泳、熒光定量等方法進(jìn)行檢測(cè)和分析。實(shí)時(shí)熒光定量PCR技術(shù)在PCR反應(yīng)體系中加入熒光基團(tuán)，隨著PCR反應(yīng)的進(jìn)行，熒光信號(hào)強(qiáng)度與擴(kuò)增產(chǎn)物的量成正比，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熒光信號(hào)的變化，可以對(duì)初始模板進(jìn)行定量分析。生物傳感器檢測(cè)原理則是利用生物分子與傳感器表面的敏感元件之間的特異性相互作用，將生物分子的濃度信息轉(zhuǎn)化為可檢測(cè)的物理或化學(xué)信號(hào)。常見(jiàn)的生物傳感器包括電化學(xué)生物傳感器、光學(xué)生物傳感器、壓電生物傳感器等。電化學(xué)生物傳感器通過(guò)檢測(cè)生物分子與傳感器表面的電極之間的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電流、電位等信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的檢測(cè)。光學(xué)生物傳感器則利用生物分子與傳感器表面的光學(xué)元件之間的相互作用，引起光學(xué)性質(zhì)的變化，如熒光強(qiáng)度、光吸收、折射率等，通過(guò)檢測(cè)這些光學(xué)信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的檢測(cè)。壓電生物傳感器利用生物分子與傳感器表面的壓電材料之間的相互作用，引起壓電材料的振動(dòng)頻率變化，通過(guò)檢測(cè)振動(dòng)頻率的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的檢測(cè)。三、原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的研究3.1信號(hào)放大影響因素分析在原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的過(guò)程中，材料因素起著至關(guān)重要的作用。不同的聚合物材料具有不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，這些性質(zhì)會(huì)顯著影響聚合物刷與生物分子以及液晶分子之間的相互作用，進(jìn)而影響信號(hào)放大效果。例如，親水性聚合物材料，如聚乙二醇（PEG），由于其良好的親水性和生物相容性，能夠增加生物分子在聚合物刷表面的吸附量。PEG分子鏈上的羥基可以與生物分子形成氫鍵等相互作用，使得生物分子更容易附著在聚合物刷表面。更多的生物分子吸附會(huì)導(dǎo)致更大的表面物理化學(xué)性質(zhì)變化，從而對(duì)液晶分子取向產(chǎn)生更明顯的影響，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大。而疏水性聚合物材料，如聚苯乙烯（PS），其表面性質(zhì)與親水性生物分子不相容，會(huì)減少生物分子的吸附量，不利于信號(hào)放大。聚合物的接枝密度也是一個(gè)關(guān)鍵因素。接枝密度過(guò)高，聚合物鏈之間的相互作用增強(qiáng)，可能導(dǎo)致聚合物刷的構(gòu)象發(fā)生變化，影響其與生物分子和液晶分子的相互作用。當(dāng)接枝密度過(guò)高時(shí)，聚合物鏈可能會(huì)相互纏繞，形成較為致密的結(jié)構(gòu)，使得生物分子難以接近聚合物刷表面的結(jié)合位點(diǎn)，從而降低生物分子的吸附量。接枝密度過(guò)低，則無(wú)法充分發(fā)揮聚合物刷的信號(hào)放大作用。因?yàn)榻又γ芏鹊鸵馕吨酆衔锼⑻峁┑慕Y(jié)合位點(diǎn)和作用面積有限，對(duì)生物分子的捕獲能力較弱，也難以有效地改變表面性質(zhì)來(lái)影響液晶分子取向。因此，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化接枝密度，以獲得最佳的信號(hào)放大效果。反應(yīng)條件對(duì)原位引發(fā)聚合物刷的生長(zhǎng)和信號(hào)放大也有重要影響。聚合反應(yīng)溫度會(huì)影響引發(fā)劑的分解速率和單體的反應(yīng)活性。在原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）中，溫度升高通常會(huì)加快引發(fā)劑的分解，產(chǎn)生更多的自由基，從而加速聚合反應(yīng)速率。但過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致自由基的產(chǎn)生過(guò)于劇烈，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合反應(yīng)的精確控制，可能會(huì)使聚合物鏈的分子量分布變寬，影響聚合物刷的性能。反應(yīng)時(shí)間也是一個(gè)重要因素。反應(yīng)時(shí)間過(guò)短，聚合物刷可能生長(zhǎng)不完全，無(wú)法達(dá)到足夠的長(zhǎng)度和接枝密度，從而影響信號(hào)放大效果。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，聚合物鏈逐漸增長(zhǎng)，接枝密度逐漸增加，對(duì)信號(hào)放大有積極作用。但反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致聚合物鏈之間發(fā)生交聯(lián)等副反應(yīng)，破壞聚合物刷的結(jié)構(gòu)，降低其性能。引發(fā)劑的濃度直接影響聚合反應(yīng)的起始和速率。引發(fā)劑濃度過(guò)低，產(chǎn)生的自由基數(shù)量不足，聚合反應(yīng)難以充分進(jìn)行，聚合物刷的生長(zhǎng)受到限制。在光聚合反應(yīng)中，如果引發(fā)劑濃度過(guò)低，在光照條件下產(chǎn)生的活性自由基較少，單體的聚合反應(yīng)速度慢，聚合物刷無(wú)法快速生長(zhǎng)到合適的長(zhǎng)度和密度。而引發(fā)劑濃度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致自由基濃度過(guò)高，容易發(fā)生鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移等副反應(yīng)，同樣不利于聚合物刷的生長(zhǎng)和信號(hào)放大。界面性質(zhì)是影響原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的另一個(gè)重要方面?；灞砻娴幕瘜W(xué)性質(zhì)會(huì)影響引發(fā)劑的固定和聚合物刷的生長(zhǎng)。表面帶有活性基團(tuán)，如羥基、氨基等的基板，能夠通過(guò)化學(xué)反應(yīng)與引發(fā)劑牢固結(jié)合，為聚合物刷的生長(zhǎng)提供穩(wěn)定的起始點(diǎn)。玻璃基板表面的羥基可以與引發(fā)劑分子中的活性酯基團(tuán)發(fā)生酯化反應(yīng)，將引發(fā)劑固定在玻璃基板表面。這樣在后續(xù)的聚合反應(yīng)中，聚合物刷能夠從固定的引發(fā)劑位點(diǎn)開(kāi)始生長(zhǎng)，保證了聚合物刷在基板表面的均勻性和穩(wěn)定性。而表面性質(zhì)不均勻的基板，可能會(huì)導(dǎo)致引發(fā)劑固定不均勻，聚合物刷生長(zhǎng)不一致，影響信號(hào)放大的一致性和穩(wěn)定性?；灞砻娴拇植诙纫矔?huì)對(duì)信號(hào)放大產(chǎn)生影響。粗糙度較高的表面能夠提供更大的比表面積，增加引發(fā)劑的固定量和聚合物刷的生長(zhǎng)空間。粗糙表面的微觀結(jié)構(gòu)可以使引發(fā)劑分子更容易附著和分散，在聚合反應(yīng)中，聚合物刷能夠在這些粗糙的表面特征上生長(zhǎng)，形成更為復(fù)雜和多樣化的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以增加與生物分子的接觸面積和相互作用位點(diǎn)，有利于提高生物分子的吸附量和信號(hào)放大效果。但過(guò)高的粗糙度可能會(huì)導(dǎo)致液晶分子在表面的取向變得不穩(wěn)定，影響液晶檢測(cè)的準(zhǔn)確性。3.2原位引發(fā)聚合物刷放大信號(hào)的方法探究3.2.1原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）引發(fā)聚合物刷原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）是一種重要的活性自由基聚合方法，其原理基于鹵代烷烴（RX）作為引發(fā)劑，過(guò)渡金屬配合物作為鹵原子載體。在ATRP體系中，鹵代烷烴在過(guò)渡金屬配合物的作用下，鹵原子發(fā)生轉(zhuǎn)移，生成自由基R?和低價(jià)態(tài)的過(guò)渡金屬鹵化物。R?引發(fā)單體（M）聚合，形成增長(zhǎng)鏈自由基Pn?，同時(shí)Pn?又可以與高價(jià)態(tài)的過(guò)渡金屬鹵化物發(fā)生可逆的原子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，重新生成休眠種PnX和低價(jià)態(tài)的過(guò)渡金屬鹵化物。這種活性種與休眠種之間的快速動(dòng)態(tài)平衡，使得聚合反應(yīng)具有活性聚合的特征，能夠精確控制聚合物的分子量和分子量分布。在原位引發(fā)聚合物刷的過(guò)程中，首先需要在固體表面引入引發(fā)劑?？梢酝ㄟ^(guò)化學(xué)修飾的方法，將含有鹵原子的引發(fā)劑固定在固體表面。在玻璃基板表面通過(guò)硅烷化反應(yīng)，引入含有溴原子的硅烷偶聯(lián)劑，使引發(fā)劑牢固地連接在玻璃基板表面。然后，將固定有引發(fā)劑的固體基板放入含有單體、過(guò)渡金屬配合物和配體的聚合反應(yīng)體系中。在適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件下，引發(fā)劑被激活，產(chǎn)生自由基，引發(fā)單體在固體表面進(jìn)行聚合反應(yīng)，聚合物鏈從表面生長(zhǎng)出來(lái)，形成聚合物刷。為了探究ATRP引發(fā)聚合物刷對(duì)液晶檢測(cè)器信號(hào)的放大效果，設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)。以聚苯乙烯（PS）作為聚合物刷材料，通過(guò)ATRP在液晶檢測(cè)器的基板表面引發(fā)PS聚合物刷的生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)中，首先對(duì)玻璃基板進(jìn)行預(yù)處理，使其表面帶有羥基。然后，利用羥基與引發(fā)劑活性酯之間的酯化反應(yīng)，將引發(fā)劑固定在玻璃基板表面。固定好引發(fā)劑后，將玻璃基板放入含有苯乙烯單體、溴化亞銅（CuBr）和2,2'-聯(lián)吡啶（bpy）的聚合反應(yīng)體系中。在60℃的條件下，反應(yīng)一定時(shí)間，使PS聚合物刷在基板表面生長(zhǎng)。反應(yīng)結(jié)束后，對(duì)制備的聚合物刷進(jìn)行表征。使用原子力顯微鏡（AFM）觀察聚合物刷的表面形貌，結(jié)果顯示，PS聚合物刷在基板表面均勻生長(zhǎng)，形成了致密的刷子狀結(jié)構(gòu)。通過(guò)測(cè)量聚合物刷的厚度，發(fā)現(xiàn)隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，聚合物刷的厚度逐漸增加。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為6小時(shí)時(shí)，聚合物刷的厚度達(dá)到約50納米。將生長(zhǎng)有PS聚合物刷的基板組裝成液晶檢測(cè)器，并進(jìn)行生物分子檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。以牛血清白蛋白（BSA）作為目標(biāo)生物分子，將其溶液滴加到液晶檢測(cè)器表面。利用偏光顯微鏡觀察液晶分子的取向變化，結(jié)果表明，當(dāng)BSA與PS聚合物刷表面結(jié)合時(shí)，液晶分子的取向發(fā)生了明顯的改變，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的光學(xué)信號(hào)。與未生長(zhǎng)聚合物刷的液晶檢測(cè)器相比，生長(zhǎng)有PS聚合物刷的液晶檢測(cè)器對(duì)BSA的檢測(cè)靈敏度提高了約3倍。這是因?yàn)镻S聚合物刷增加了表面與BSA的相互作用面積和結(jié)合位點(diǎn)，更多的BSA被吸附在表面，導(dǎo)致更大的表面物理化學(xué)性質(zhì)變化，從而對(duì)液晶分子取向產(chǎn)生更顯著的影響，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的放大。通過(guò)改變反應(yīng)條件，如引發(fā)劑濃度、單體濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間等，進(jìn)一步研究了這些因素對(duì)聚合物刷生長(zhǎng)和信號(hào)放大效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，引發(fā)劑濃度的增加會(huì)導(dǎo)致聚合物刷的生長(zhǎng)速率加快，但過(guò)高的引發(fā)劑濃度可能會(huì)使自由基濃度過(guò)高，容易發(fā)生鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移等副反應(yīng)，導(dǎo)致聚合物刷的分子量分布變寬，影響信號(hào)放大效果。單體濃度的增加也會(huì)促進(jìn)聚合物刷的生長(zhǎng)，但當(dāng)單體濃度過(guò)高時(shí)，體系的粘度增大，可能會(huì)影響單體和引發(fā)劑的擴(kuò)散，不利于聚合反應(yīng)的進(jìn)行。反應(yīng)溫度的升高會(huì)加快引發(fā)劑的分解和聚合反應(yīng)速率，但過(guò)高的溫度同樣會(huì)導(dǎo)致副反應(yīng)的發(fā)生。反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)使聚合物刷的厚度增加，但過(guò)長(zhǎng)的反應(yīng)時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致聚合物刷之間發(fā)生交聯(lián)等副反應(yīng)，破壞聚合物刷的結(jié)構(gòu)，降低信號(hào)放大效果。因此，需要通過(guò)優(yōu)化反應(yīng)條件，找到最佳的聚合反應(yīng)參數(shù)，以獲得性能優(yōu)異的聚合物刷，實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶檢測(cè)器信號(hào)的有效放大。3.2.2光聚合引發(fā)聚合物刷光聚合是一種在光的作用下引發(fā)單體進(jìn)行聚合反應(yīng)的方法。其原理是利用光引發(fā)劑在光照下吸收光子能量，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生自由基或陽(yáng)離子等活性種。這些活性種能夠引發(fā)單體分子發(fā)生鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)，從而實(shí)現(xiàn)聚合物的合成。與傳統(tǒng)的熱聚合方法相比，光聚合具有反應(yīng)速度快、反應(yīng)條件溫和、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。在常溫下，通過(guò)光照就可以快速引發(fā)聚合反應(yīng)，避免了高溫對(duì)一些敏感材料和生物分子的影響。光聚合可以通過(guò)控制光照強(qiáng)度、光照時(shí)間等因素來(lái)精確控制聚合反應(yīng)的進(jìn)程。在原位引發(fā)聚合物刷的研究中，大分子光引發(fā)劑的制備是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。以聚（丙烯酰胺）（PAAm）為基礎(chǔ)，通過(guò)化學(xué)修飾引入光活性基團(tuán)，制備大分子光引發(fā)劑PAAm-I*。具體制備過(guò)程如下：首先，合成含有光活性基團(tuán)的單體，如4-（2-羥基乙氧基）苯甲酮丙烯酸酯（HEBPA）。將HEBPA與丙烯酰胺（AAm）在引發(fā)劑的作用下進(jìn)行共聚反應(yīng)，得到含有光活性基團(tuán)的共聚物。通過(guò)進(jìn)一步的化學(xué)修飾，將共聚物與適當(dāng)?shù)囊l(fā)劑前體反應(yīng)，引入引發(fā)劑活性中心，從而制備得到大分子光引發(fā)劑PAAm-I*。利用核磁共振（NMR）、紅外光譜（FT-IR）等分析手段對(duì)大分子光引發(fā)劑的結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，結(jié)果表明成功地將光活性基團(tuán)引入到PAAm分子鏈中，制備得到了目標(biāo)大分子光引發(fā)劑。將制備的大分子光引發(fā)劑用于原位光聚合引發(fā)聚合物刷，以放大液晶檢測(cè)器信號(hào)。在液晶檢測(cè)器的基板表面固定一層含有特定生物識(shí)別分子的薄膜，如抗體。然后，將含有大分子光引發(fā)劑PAAm-I*、單體（如AAm）和交聯(lián)劑的混合溶液滴涂在基板表面。在紫外光的照射下，大分子光引發(fā)劑PAAm-I*吸收光子能量，產(chǎn)生自由基，引發(fā)單體AAm進(jìn)行聚合反應(yīng)。在聚合過(guò)程中，交聯(lián)劑使聚合物鏈之間發(fā)生交聯(lián)，形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合物刷。為了驗(yàn)證光聚合引發(fā)聚合物刷對(duì)液晶檢測(cè)器信號(hào)的放大效果，進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察聚合物刷的表面形貌，結(jié)果顯示，聚合物刷在基板表面均勻生長(zhǎng)，形成了具有一定粗糙度和孔隙結(jié)構(gòu)的薄膜。通過(guò)測(cè)量聚合物刷的厚度，發(fā)現(xiàn)隨著光照時(shí)間的增加，聚合物刷的厚度逐漸增加。當(dāng)光照時(shí)間為30分鐘時(shí)，聚合物刷的厚度達(dá)到約80納米。將生長(zhǎng)有聚合物刷的液晶檢測(cè)器用于檢測(cè)目標(biāo)生物分子，如抗原。利用橢圓偏振儀測(cè)量液晶分子的取向變化，結(jié)果表明，當(dāng)抗原與固定在聚合物刷表面的抗體結(jié)合時(shí)，液晶分子的取向發(fā)生了顯著改變，導(dǎo)致液晶的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯變化，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的檢測(cè)信號(hào)。與未生長(zhǎng)聚合物刷的液晶檢測(cè)器相比，生長(zhǎng)有聚合物刷的液晶檢測(cè)器對(duì)抗原的檢測(cè)靈敏度提高了約4倍。這是因?yàn)榫酆衔锼⒌拇嬖谠黾恿吮砻媾c抗原的相互作用面積和結(jié)合位點(diǎn)，同時(shí)聚合物刷的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)有利于抗原的擴(kuò)散和吸附，使得更多的抗原能夠與抗體結(jié)合，從而引起更大的表面物理化學(xué)性質(zhì)變化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液晶檢測(cè)器信號(hào)的有效放大。通過(guò)改變光聚合反應(yīng)條件，如光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、單體濃度、交聯(lián)劑濃度等，進(jìn)一步研究了這些因素對(duì)聚合物刷生長(zhǎng)和信號(hào)放大效果的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光照強(qiáng)度的增加會(huì)加快光引發(fā)劑的分解和聚合反應(yīng)速率，但過(guò)高的光照強(qiáng)度可能會(huì)導(dǎo)致聚合物刷的結(jié)構(gòu)不均勻，影響信號(hào)放大效果。光照時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)使聚合物刷的厚度增加，但過(guò)長(zhǎng)的光照時(shí)間可能會(huì)導(dǎo)致聚合物刷的過(guò)度交聯(lián)，使孔隙結(jié)構(gòu)變小，不利于抗原的擴(kuò)散和吸附。單體濃度的增加會(huì)促進(jìn)聚合物刷的生長(zhǎng)，但過(guò)高的單體濃度可能會(huì)導(dǎo)致體系的粘度增大，影響光引發(fā)劑和單體的擴(kuò)散，不利于聚合反應(yīng)的進(jìn)行。交聯(lián)劑濃度的增加會(huì)使聚合物刷的交聯(lián)度提高，增強(qiáng)聚合物刷的穩(wěn)定性，但過(guò)高的交聯(lián)劑濃度可能會(huì)使聚合物刷變得過(guò)于致密，影響抗原的結(jié)合和信號(hào)放大效果。因此，需要通過(guò)優(yōu)化光聚合反應(yīng)條件，找到最佳的聚合反應(yīng)參數(shù)，以獲得性能優(yōu)異的聚合物刷，實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶檢測(cè)器信號(hào)的高效放大。3.3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析為了驗(yàn)證原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的效果，設(shè)計(jì)并實(shí)施了一系列實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用了對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方法，設(shè)置了生長(zhǎng)有聚合物刷的液晶檢測(cè)器實(shí)驗(yàn)組和未生長(zhǎng)聚合物刷的液晶檢測(cè)器對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)方案如下：首先，準(zhǔn)備兩組相同規(guī)格的液晶檢測(cè)器基板，一組用于原位引發(fā)聚合物刷的生長(zhǎng)，另一組作為對(duì)照。在用于生長(zhǎng)聚合物刷的基板表面，通過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）方法，以溴代異丁酸乙酯（EBiB）為引發(fā)劑，溴化亞銅（CuBr）和2,2'-聯(lián)吡啶（bpy）為催化劑體系，引發(fā)甲基丙烯酸甲酯（MMA）單體進(jìn)行聚合反應(yīng)，生長(zhǎng)聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物刷。具體步驟為，先對(duì)基板進(jìn)行預(yù)處理，使其表面帶有羥基，然后通過(guò)硅烷化反應(yīng)將含有溴原子的硅烷偶聯(lián)劑固定在基板表面，為ATRP反應(yīng)提供引發(fā)位點(diǎn)。將固定有引發(fā)劑的基板放入含有MMA單體、CuBr和bpy的聚合反應(yīng)體系中，在60℃的恒溫條件下反應(yīng)6小時(shí)，使PMMA聚合物刷在基板表面生長(zhǎng)。反應(yīng)結(jié)束后，對(duì)生長(zhǎng)有聚合物刷的基板進(jìn)行清洗和干燥處理，然后將其與另一塊未生長(zhǎng)聚合物刷的基板分別組裝成液晶檢測(cè)器。將兩種液晶檢測(cè)器分別用于檢測(cè)目標(biāo)生物分子，如人免疫球蛋白G（IgG）。將不同濃度的IgG溶液滴加到液晶檢測(cè)器表面，在37℃的恒溫環(huán)境下孵育30分鐘，使IgG與液晶檢測(cè)器表面的配體充分結(jié)合。利用偏光顯微鏡觀察液晶分子的取向變化，并通過(guò)圖像分析軟件測(cè)量液晶分子的取向角，以此來(lái)評(píng)估檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，生長(zhǎng)有聚合物刷的液晶檢測(cè)器對(duì)IgG的檢測(cè)靈敏度明顯高于未生長(zhǎng)聚合物刷的液晶檢測(cè)器。當(dāng)IgG濃度為10ng/mL時(shí)，未生長(zhǎng)聚合物刷的液晶檢測(cè)器幾乎沒(méi)有檢測(cè)到明顯的信號(hào)變化，而生長(zhǎng)有聚合物刷的液晶檢測(cè)器的液晶分子取向角發(fā)生了明顯改變，檢測(cè)信號(hào)顯著增強(qiáng)。隨著IgG濃度的增加，生長(zhǎng)有聚合物刷的液晶檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)呈現(xiàn)出明顯的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而未生長(zhǎng)聚合物刷的液晶檢測(cè)器的信號(hào)增長(zhǎng)相對(duì)緩慢。在IgG濃度達(dá)到100ng/mL時(shí)，生長(zhǎng)有聚合物刷的液晶檢測(cè)器的信號(hào)強(qiáng)度是未生長(zhǎng)聚合物刷的液晶檢測(cè)器的3倍以上。與傳統(tǒng)的生物分子檢測(cè)方法相比，基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）方法相比，本方法無(wú)需使用酶標(biāo)記物，避免了酶標(biāo)記過(guò)程可能引入的誤差和不穩(wěn)定性。本方法的檢測(cè)時(shí)間更短，在30分鐘內(nèi)即可完成檢測(cè)，而ELISA方法通常需要數(shù)小時(shí)。與表面等離子體共振（SPR）方法相比，本方法的設(shè)備成本更低，操作更為簡(jiǎn)單，不需要昂貴的光學(xué)儀器和復(fù)雜的檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件，進(jìn)一步分析了影響信號(hào)放大效果的因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，聚合物刷的接枝密度和鏈長(zhǎng)對(duì)信號(hào)放大效果有顯著影響。當(dāng)接枝密度較低時(shí)，聚合物刷提供的結(jié)合位點(diǎn)有限，對(duì)生物分子的捕獲能力較弱，信號(hào)放大效果不明顯。隨著接枝密度的增加，聚合物刷與生物分子的相互作用面積增大，更多的生物分子被吸附在表面，信號(hào)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。但當(dāng)接枝密度過(guò)高時(shí)，聚合物鏈之間的相互作用增強(qiáng)，可能導(dǎo)致聚合物刷的構(gòu)象發(fā)生變化，影響其與生物分子的結(jié)合能力，信號(hào)放大效果反而下降。聚合物刷的鏈長(zhǎng)也會(huì)影響信號(hào)放大效果。較短鏈長(zhǎng)的聚合物刷雖然能夠快速與生物分子結(jié)合，但由于其提供的作用位點(diǎn)和空間有限，信號(hào)放大效果相對(duì)較弱。隨著鏈長(zhǎng)的增加，聚合物刷能夠提供更多的作用位點(diǎn)和更大的空間，有利于生物分子的吸附和信號(hào)放大。但過(guò)長(zhǎng)的鏈長(zhǎng)可能會(huì)導(dǎo)致聚合物刷的柔性增加，分子鏈之間容易發(fā)生纏繞，影響其與生物分子和液晶分子的相互作用，降低信號(hào)放大效果。此外，實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)條件如聚合反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和引發(fā)劑濃度等也會(huì)對(duì)信號(hào)放大效果產(chǎn)生影響。在一定范圍內(nèi)，提高聚合反應(yīng)溫度可以加快引發(fā)劑的分解和聚合反應(yīng)速率，使聚合物刷生長(zhǎng)更快，從而提高信號(hào)放大效果。但過(guò)高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致自由基的產(chǎn)生過(guò)于劇烈，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合反應(yīng)的精確控制，可能會(huì)使聚合物鏈的分子量分布變寬，影響聚合物刷的性能，進(jìn)而降低信號(hào)放大效果。反應(yīng)時(shí)間過(guò)短，聚合物刷生長(zhǎng)不完全，無(wú)法達(dá)到足夠的長(zhǎng)度和接枝密度，信號(hào)放大效果不佳。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，聚合物刷逐漸生長(zhǎng)完善，信號(hào)強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。但反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，可能會(huì)導(dǎo)致聚合物刷之間發(fā)生交聯(lián)等副反應(yīng)，破壞聚合物刷的結(jié)構(gòu)，降低信號(hào)放大效果。引發(fā)劑濃度過(guò)低，產(chǎn)生的自由基數(shù)量不足，聚合反應(yīng)難以充分進(jìn)行，聚合物刷的生長(zhǎng)受到限制，信號(hào)放大效果差。而引發(fā)劑濃度過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致自由基濃度過(guò)高，容易發(fā)生鏈終止和鏈轉(zhuǎn)移等副反應(yīng)，同樣不利于聚合物刷的生長(zhǎng)和信號(hào)放大。四、基于原位引發(fā)聚合物刷的高靈敏生物分子檢測(cè)方法研究4.1針對(duì)不同生物分子的檢測(cè)方法設(shè)計(jì)4.1.1蛋白質(zhì)檢測(cè)方法蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)重要的生物大分子，其檢測(cè)在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要意義?；诳乖?抗體特異性結(jié)合以及原位引發(fā)聚合物刷的蛋白質(zhì)檢測(cè)方法，能夠充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)的高靈敏檢測(cè)。檢測(cè)流程如下：首先，在液晶檢測(cè)器的基板表面通過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）方法原位引發(fā)聚合物刷的生長(zhǎng)。以聚甲基丙烯酸羥乙酯（PHEMA）聚合物刷為例，先對(duì)基板進(jìn)行預(yù)處理，使其表面帶有羥基，然后通過(guò)硅烷化反應(yīng)將含有溴原子的硅烷偶聯(lián)劑固定在基板表面，為ATRP反應(yīng)提供引發(fā)位點(diǎn)。將固定有引發(fā)劑的基板放入含有甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）單體、溴化亞銅（CuBr）和2,2'-聯(lián)吡啶（bpy）的聚合反應(yīng)體系中，在60℃的恒溫條件下反應(yīng)6小時(shí)，使PHEMA聚合物刷在基板表面生長(zhǎng)。PHEMA聚合物刷具有良好的親水性和生物相容性，能夠?yàn)楹罄m(xù)的生物分子結(jié)合提供有利的表面環(huán)境。在生長(zhǎng)好聚合物刷的基板表面修飾特異性抗體。通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的方式，利用抗體分子上的氨基與PHEMA聚合物刷表面的羧基在縮合劑（如1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺鹽酸鹽（EDC）和N-羥基琥珀酰亞胺（NHS））的作用下發(fā)生反應(yīng)，將抗體牢固地固定在聚合物刷表面。這種共價(jià)鍵結(jié)合方式能夠保證抗體在檢測(cè)過(guò)程中的穩(wěn)定性，避免抗體的脫落。將含有目標(biāo)蛋白質(zhì)的樣品溶液滴加到修飾有抗體的液晶檢測(cè)器表面。在37℃的恒溫環(huán)境下孵育30分鐘，使目標(biāo)蛋白質(zhì)與固定在聚合物刷表面的抗體充分結(jié)合。抗原-抗體之間的特異性結(jié)合具有高度的選擇性，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)蛋白質(zhì)。利用偏光顯微鏡觀察液晶分子的取向變化，并通過(guò)圖像分析軟件測(cè)量液晶分子的取向角，以此來(lái)評(píng)估檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度。當(dāng)目標(biāo)蛋白質(zhì)與抗體結(jié)合時(shí)，會(huì)引起聚合物刷表面的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，這種改變進(jìn)而會(huì)影響液晶分子在基板表面的取向。由于液晶分子之間存在相互作用，基板表面液晶分子取向的改變會(huì)逐漸傳遞到整個(gè)液晶層，導(dǎo)致整個(gè)液晶層的分子取向發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)這些光學(xué)性質(zhì)的變化，就可以判斷是否存在目標(biāo)蛋白質(zhì)以及其濃度信息。與傳統(tǒng)的蛋白質(zhì)檢測(cè)方法相比，基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。與酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）方法相比，本方法無(wú)需使用酶標(biāo)記物，避免了酶標(biāo)記過(guò)程可能引入的誤差和不穩(wěn)定性。本方法的檢測(cè)時(shí)間更短，在30分鐘內(nèi)即可完成檢測(cè)，而ELISA方法通常需要數(shù)小時(shí)。與表面等離子體共振（SPR）方法相比，本方法的設(shè)備成本更低，操作更為簡(jiǎn)單，不需要昂貴的光學(xué)儀器和復(fù)雜的檢測(cè)系統(tǒng)。4.1.2核酸檢測(cè)方法核酸檢測(cè)對(duì)于疾病診斷、基因研究等領(lǐng)域至關(guān)重要，將核酸雜交原理與原位引發(fā)聚合物刷相結(jié)合，為核酸檢測(cè)提供了一種新的高靈敏檢測(cè)方法。其設(shè)計(jì)思路基于核酸分子的堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，利用原位引發(fā)聚合物刷放大核酸雜交引起的液晶信號(hào)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)核酸的高靈敏檢測(cè)。具體操作步驟如下：首先，在液晶檢測(cè)器的基板表面原位引發(fā)聚合物刷的生長(zhǎng)。采用光聚合引發(fā)的方法，以聚（丙烯酰胺）（PAAm）聚合物刷為例。先制備大分子光引發(fā)劑PAAm-I*，將含有光活性基團(tuán)的單體與丙烯酰胺（AAm）共聚，再引入引發(fā)劑活性中心得到PAAm-I*。將含有PAAm-I*、AAm單體和交聯(lián)劑的混合溶液滴涂在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的液晶檢測(cè)器基板表面。在紫外光的照射下，PAAm-I*產(chǎn)生自由基，引發(fā)AAm單體聚合，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PAAm聚合物刷。PAAm聚合物刷具有較大的比表面積和豐富的化學(xué)基團(tuán)，能夠提供更多的空間和活性位點(diǎn)來(lái)捕獲核酸分子。在聚合物刷表面修飾與目標(biāo)核酸互補(bǔ)的單鏈核酸探針。通過(guò)化學(xué)偶聯(lián)的方法，將單鏈核酸探針的一端與聚合物刷表面的活性基團(tuán)（如氨基、羧基等）進(jìn)行共價(jià)結(jié)合。在偶聯(lián)過(guò)程中，使用適當(dāng)?shù)呐悸?lián)劑（如EDC和NHS）促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，確保核酸探針能夠穩(wěn)定地固定在聚合物刷表面。這種修飾方式能夠保證核酸探針在檢測(cè)過(guò)程中的穩(wěn)定性和活性，使其能夠有效地與目標(biāo)核酸進(jìn)行雜交。將含有目標(biāo)核酸的樣品溶液滴加到修飾有核酸探針的液晶檢測(cè)器表面。在適當(dāng)?shù)碾s交溫度（通常為50-65℃）下孵育30-60分鐘，使目標(biāo)核酸與固定在聚合物刷表面的核酸探針發(fā)生雜交反應(yīng)。在雜交過(guò)程中，目標(biāo)核酸與核酸探針根據(jù)堿基互補(bǔ)配對(duì)原則形成雙鏈結(jié)構(gòu)。利用橢圓偏振儀測(cè)量液晶分子的取向變化，通過(guò)分析液晶分子取向的改變程度來(lái)確定目標(biāo)核酸的存在和濃度。當(dāng)目標(biāo)核酸與核酸探針雜交時(shí)，會(huì)引起聚合物刷表面的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，進(jìn)而影響液晶分子在基板表面的取向。橢圓偏振儀能夠精確測(cè)量液晶分子的光學(xué)性質(zhì)變化，通過(guò)對(duì)這些變化的分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)核酸的高靈敏檢測(cè)。通過(guò)優(yōu)化雜交條件，如雜交溫度、雜交時(shí)間、鹽濃度等，可以進(jìn)一步提高檢測(cè)的靈敏度和特異性。在較低的鹽濃度下，核酸雜交的特異性會(huì)提高，但雜交速度可能會(huì)減慢；而在較高的鹽濃度下，雜交速度會(huì)加快，但特異性可能會(huì)降低。因此，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化鹽濃度，找到最佳的雜交條件。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，確定在0.5MNaCl的鹽濃度下，雜交30分鐘，能夠獲得較好的檢測(cè)效果。4.1.3小分子生物標(biāo)志物檢測(cè)方法小分子生物標(biāo)志物在疾病診斷和生物醫(yī)學(xué)研究中具有重要作用，然而其檢測(cè)面臨著靈敏度和選擇性的挑戰(zhàn)。適配體識(shí)別與原位引發(fā)聚合物刷結(jié)合的檢測(cè)方法，為小分子生物標(biāo)志物的檢測(cè)提供了一種有效的解決方案。小分子生物標(biāo)志物通常具有分子量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其檢測(cè)需要高靈敏度和高選擇性的方法。適配體是一種通過(guò)指數(shù)富集的配體系統(tǒng)進(jìn)化技術(shù)（SELEX）篩選得到的單鏈核酸或肽分子，能夠特異性地識(shí)別和結(jié)合目標(biāo)小分子生物標(biāo)志物。檢測(cè)方法如下：首先，在液晶檢測(cè)器的基板表面原位引發(fā)聚合物刷的生長(zhǎng)。采用原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）方法，以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物刷為例。對(duì)基板進(jìn)行預(yù)處理，使其表面帶有羥基，然后通過(guò)硅烷化反應(yīng)將含有溴原子的硅烷偶聯(lián)劑固定在基板表面，作為ATRP反應(yīng)的引發(fā)位點(diǎn)。將固定有引發(fā)劑的基板放入含有甲基丙烯酸甲酯（MMA）單體、溴化亞銅（CuBr）和2,2'-聯(lián)吡啶（bpy）的聚合反應(yīng)體系中，在60℃的恒溫條件下反應(yīng)一定時(shí)間，使PMMA聚合物刷在基板表面生長(zhǎng)。PMMA聚合物刷可以增加表面與小分子生物標(biāo)志物的相互作用面積和結(jié)合位點(diǎn)。在聚合物刷表面修飾與目標(biāo)小分子生物標(biāo)志物特異性結(jié)合的適配體。通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的方式，利用適配體分子上的氨基或巰基與PMMA聚合物刷表面的羧基或鹵原子在適當(dāng)?shù)呐悸?lián)劑（如EDC和NHS或硫醇-鹵化物取代反應(yīng)試劑）的作用下發(fā)生反應(yīng)，將適配體牢固地固定在聚合物刷表面。這種共價(jià)鍵結(jié)合方式能夠保證適配體在檢測(cè)過(guò)程中的穩(wěn)定性，避免適配體的脫落。將含有目標(biāo)小分子生物標(biāo)志物的樣品溶液滴加到修飾有適配體的液晶檢測(cè)器表面。在室溫下孵育15-30分鐘，使目標(biāo)小分子生物標(biāo)志物與固定在聚合物刷表面的適配體充分結(jié)合。適配體與目標(biāo)小分子生物標(biāo)志物之間的特異性結(jié)合具有高度的選擇性，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)小分子生物標(biāo)志物。利用偏光顯微鏡觀察液晶分子的取向變化，并通過(guò)圖像分析軟件測(cè)量液晶分子的取向角，以此來(lái)評(píng)估檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度。當(dāng)目標(biāo)小分子生物標(biāo)志物與適配體結(jié)合時(shí)，會(huì)引起聚合物刷表面的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，這種改變進(jìn)而會(huì)影響液晶分子在基板表面的取向。由于液晶分子之間存在相互作用，基板表面液晶分子取向的改變會(huì)逐漸傳遞到整個(gè)液晶層，導(dǎo)致整個(gè)液晶層的分子取向發(fā)生變化。通過(guò)檢測(cè)這些光學(xué)性質(zhì)的變化，就可以判斷是否存在目標(biāo)小分子生物標(biāo)志物以及其濃度信息。通過(guò)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化適配體的濃度、孵育時(shí)間等條件，可以提高檢測(cè)的靈敏度和選擇性。在適配體濃度較低時(shí)，與目標(biāo)小分子生物標(biāo)志物的結(jié)合位點(diǎn)有限，檢測(cè)靈敏度較低；隨著適配體濃度的增加，結(jié)合位點(diǎn)增多，檢測(cè)靈敏度提高。但適配體濃度過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致非特異性結(jié)合增加，影響檢測(cè)的選擇性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，當(dāng)適配體濃度為10μM，孵育時(shí)間為20分鐘時(shí)，能夠獲得較好的檢測(cè)效果。4.2檢測(cè)結(jié)果的評(píng)估與分析在評(píng)估基于原位引發(fā)聚合物刷的高靈敏生物分子檢測(cè)方法的性能時(shí)，主要采用靈敏度、準(zhǔn)確性、選擇性和重復(fù)性等指標(biāo)。靈敏度是衡量檢測(cè)方法能夠檢測(cè)到的最低生物分子濃度的指標(biāo)，通常以檢測(cè)限（LOD）來(lái)表示。準(zhǔn)確性是指檢測(cè)結(jié)果與真實(shí)值之間的接近程度，可通過(guò)回收率等指標(biāo)來(lái)評(píng)估。選擇性是指檢測(cè)方法對(duì)目標(biāo)生物分子的特異性識(shí)別能力，即能夠區(qū)分目標(biāo)生物分子與其他干擾物質(zhì)的能力。重復(fù)性是指在相同條件下，多次重復(fù)檢測(cè)同一生物分子樣品時(shí)，檢測(cè)結(jié)果的一致性程度。針對(duì)蛋白質(zhì)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，以人免疫球蛋白G（IgG）作為目標(biāo)蛋白質(zhì)，采用基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法對(duì)IgG的檢測(cè)限低至0.1ng/mL，而傳統(tǒng)的酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）方法的檢測(cè)限通常為1ng/mL。在準(zhǔn)確性方面，對(duì)已知濃度的IgG樣品進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算回收率，結(jié)果顯示回收率在95%-105%之間，表明該方法具有較高的準(zhǔn)確性。在選擇性實(shí)驗(yàn)中，將IgG與其他蛋白質(zhì)（如牛血清白蛋白BSA、溶菌酶等）混合，檢測(cè)結(jié)果表明該方法能夠準(zhǔn)確地識(shí)別IgG，而對(duì)其他蛋白質(zhì)幾乎沒(méi)有響應(yīng)，具有良好的選擇性。在重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中，對(duì)同一IgG樣品進(jìn)行6次重復(fù)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）小于5%，表明該方法具有較好的重復(fù)性。對(duì)于核酸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，以乙肝病毒（HBV）的核酸片段作為目標(biāo)核酸，采用基于原位引發(fā)聚合物刷的核酸檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)HBV核酸的檢測(cè)限可達(dá)10拷貝/mL，而傳統(tǒng)的熒光定量PCR方法的檢測(cè)限一般為100拷貝/mL。在準(zhǔn)確性方面，對(duì)已知拷貝數(shù)的HBV核酸樣品進(jìn)行檢測(cè)，回收率在90%-110%之間，顯示出較高的準(zhǔn)確性。在選擇性實(shí)驗(yàn)中，將HBV核酸與其他病毒核酸（如丙肝病毒HCV核酸、流感病毒核酸等）混合，檢測(cè)結(jié)果顯示該方法能夠特異性地檢測(cè)HBV核酸，對(duì)其他病毒核酸無(wú)明顯響應(yīng)，具有良好的選擇性。在重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中，對(duì)同一HBV核酸樣品進(jìn)行6次重復(fù)檢測(cè)，RSD小于6%，表明該方法具有較好的重復(fù)性。在小分子生物標(biāo)志物檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，以多巴胺作為目標(biāo)小分子生物標(biāo)志物，采用適配體識(shí)別與原位引發(fā)聚合物刷結(jié)合的檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法對(duì)多巴胺的檢測(cè)限低至1nM，而傳統(tǒng)的電化學(xué)檢測(cè)方法的檢測(cè)限通常為10nM。在準(zhǔn)確性方面，對(duì)已知濃度的多巴胺樣品進(jìn)行檢測(cè)，回收率在92%-108%之間，表明該方法具有較高的準(zhǔn)確性。在選擇性實(shí)驗(yàn)中，將多巴胺與其他小分子（如腎上腺素、去甲腎上腺素等）混合，檢測(cè)結(jié)果表明該方法能夠準(zhǔn)確地識(shí)別多巴胺，對(duì)其他小分子的響應(yīng)較弱，具有良好的選擇性。在重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中，對(duì)同一多巴胺樣品進(jìn)行6次重復(fù)檢測(cè)，RSD小于5%，表明該方法具有較好的重復(fù)性。與傳統(tǒng)生物分子檢測(cè)方法相比，基于原位引發(fā)聚合物刷的高靈敏生物分子檢測(cè)方法在靈敏度、準(zhǔn)確性、選擇性和重復(fù)性等方面均具有明顯優(yōu)勢(shì)。在靈敏度方面，能夠檢測(cè)到更低濃度的生物分子，滿(mǎn)足了對(duì)低豐度生物分子檢測(cè)的需求。在準(zhǔn)確性方面，回收率較高，檢測(cè)結(jié)果更接近真實(shí)值。在選擇性方面，能夠特異性地識(shí)別目標(biāo)生物分子，減少了干擾物質(zhì)的影響。在重復(fù)性方面，檢測(cè)結(jié)果的一致性較好，提高了檢測(cè)的可靠性。五、應(yīng)用案例分析5.1在醫(yī)學(xué)診斷中的應(yīng)用5.1.1疾病標(biāo)志物檢測(cè)在醫(yī)學(xué)診斷中，疾病標(biāo)志物檢測(cè)對(duì)于疾病的早期發(fā)現(xiàn)、診斷和治療具有至關(guān)重要的意義。以腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)為例，癌胚抗原（CEA）是一種常見(jiàn)的腫瘤標(biāo)志物，在結(jié)直腸癌、肺癌、乳腺癌等多種惡性腫瘤患者的血清中，CEA的水平通常會(huì)顯著升高。利用基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)CEA的高靈敏檢測(cè)。在實(shí)驗(yàn)中，首先在液晶檢測(cè)器的基板表面通過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）方法原位引發(fā)聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物刷的生長(zhǎng)。對(duì)基板進(jìn)行預(yù)處理，使其表面帶有羥基，然后通過(guò)硅烷化反應(yīng)將含有溴原子的硅烷偶聯(lián)劑固定在基板表面，作為ATRP反應(yīng)的引發(fā)位點(diǎn)。將固定有引發(fā)劑的基板放入含有甲基丙烯酸甲酯（MMA）單體、溴化亞銅（CuBr）和2,2'-聯(lián)吡啶（bpy）的聚合反應(yīng)體系中，在60℃的恒溫條件下反應(yīng)一定時(shí)間，使PMMA聚合物刷在基板表面生長(zhǎng)。在聚合物刷表面修飾特異性識(shí)別CEA的抗體。通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的方式，利用抗體分子上的氨基與PMMA聚合物刷表面的羧基在縮合劑（如1-乙基-3-（3-二甲基氨基丙基）碳二亞胺鹽酸鹽（EDC）和N-羥基琥珀酰亞胺（NHS））的作用下發(fā)生反應(yīng)，將抗體牢固地固定在聚合物刷表面。將含有CEA的樣品溶液滴加到修飾有抗體的液晶檢測(cè)器表面。在37℃的恒溫環(huán)境下孵育30分鐘，使CEA與固定在聚合物刷表面的抗體充分結(jié)合。利用偏光顯微鏡觀察液晶分子的取向變化，并通過(guò)圖像分析軟件測(cè)量液晶分子的取向角，以此來(lái)評(píng)估檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)CEA的檢測(cè)限低至0.5ng/mL，能夠檢測(cè)到低濃度的CEA，有助于腫瘤的早期診斷。與傳統(tǒng)的CEA檢測(cè)方法，如酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）相比，基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法具有更高的靈敏度，ELISA方法對(duì)CEA的檢測(cè)限通常為1ng/mL。在病原體核酸檢測(cè)方面，以新冠病毒核酸檢測(cè)為例，新冠病毒的核酸檢測(cè)對(duì)于疫情的防控和患者的診斷治療至關(guān)重要。采用基于原位引發(fā)聚合物刷的核酸檢測(cè)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)新冠病毒核酸的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)。首先，在液晶檢測(cè)器的基板表面通過(guò)光聚合引發(fā)的方法原位引發(fā)聚（丙烯酰胺）（PAAm）聚合物刷的生長(zhǎng)。先制備大分子光引發(fā)劑PAAm-I*，將含有光活性基團(tuán)的單體與丙烯酰胺（AAm）共聚，再引入引發(fā)劑活性中心得到PAAm-I*。將含有PAAm-I*、AAm單體和交聯(lián)劑的混合溶液滴涂在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的液晶檢測(cè)器基板表面。在紫外光的照射下，PAAm-I*產(chǎn)生自由基，引發(fā)AAm單體聚合，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PAAm聚合物刷。在聚合物刷表面修飾與新冠病毒核酸互補(bǔ)的單鏈核酸探針。通過(guò)化學(xué)偶聯(lián)的方法，將單鏈核酸探針的一端與PAAm聚合物刷表面的活性基團(tuán)（如氨基、羧基等）進(jìn)行共價(jià)結(jié)合。在偶聯(lián)過(guò)程中，使用適當(dāng)?shù)呐悸?lián)劑（如EDC和NHS）促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，確保核酸探針能夠穩(wěn)定地固定在聚合物刷表面。將含有新冠病毒核酸的樣品溶液滴加到修飾有核酸探針的液晶檢測(cè)器表面。在適當(dāng)?shù)碾s交溫度（通常為55℃）下孵育45分鐘，使新冠病毒核酸與固定在聚合物刷表面的核酸探針發(fā)生雜交反應(yīng)。利用橢圓偏振儀測(cè)量液晶分子的取向變化，通過(guò)分析液晶分子取向的改變程度來(lái)確定新冠病毒核酸的存在和濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法對(duì)新冠病毒核酸的檢測(cè)限可達(dá)10拷貝/mL，能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出新冠病毒核酸，為疫情防控提供了有力的技術(shù)支持。與傳統(tǒng)的新冠病毒核酸檢測(cè)方法，如熒光定量PCR相比，基于原位引發(fā)聚合物刷的核酸檢測(cè)方法具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，熒光定量PCR方法操作復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)間通常需要數(shù)小時(shí)。5.1.2臨床樣本檢測(cè)實(shí)例選取了50例臨床確診的結(jié)直腸癌患者和50例健康志愿者的血清樣本，采用基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法對(duì)其中的癌胚抗原（CEA）進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)流程如下：首先，在液晶檢測(cè)器的基板表面通過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）方法原位引發(fā)聚甲基丙烯酸羥乙酯（PHEMA）聚合物刷的生長(zhǎng)。對(duì)基板進(jìn)行預(yù)處理，使其表面帶有羥基，然后通過(guò)硅烷化反應(yīng)將含有溴原子的硅烷偶聯(lián)劑固定在基板表面，為ATRP反應(yīng)提供引發(fā)位點(diǎn)。將固定有引發(fā)劑的基板放入含有甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）單體、溴化亞銅（CuBr）和2,2'-聯(lián)吡啶（bpy）的聚合反應(yīng)體系中，在60℃的恒溫條件下反應(yīng)6小時(shí)，使PHEMA聚合物刷在基板表面生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)好聚合物刷的基板表面修飾特異性識(shí)別CEA的抗體。通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的方式，利用抗體分子上的氨基與PHEMA聚合物刷表面的羧基在縮合劑（如EDC和NHS）的作用下發(fā)生反應(yīng)，將抗體牢固地固定在聚合物刷表面。將血清樣本滴加到修飾有抗體的液晶檢測(cè)器表面。在37℃的恒溫環(huán)境下孵育30分鐘，使CEA與固定在聚合物刷表面的抗體充分結(jié)合。利用偏光顯微鏡觀察液晶分子的取向變化，并通過(guò)圖像分析軟件測(cè)量液晶分子的取向角，以此來(lái)評(píng)估檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出樣本中CEA的濃度。檢測(cè)結(jié)果顯示，在50例結(jié)直腸癌患者的血清樣本中，有48例檢測(cè)出CEA濃度顯著高于正常參考值，陽(yáng)性檢出率為96%。而在50例健康志愿者的血清樣本中，僅有2例檢測(cè)出CEA濃度略高于正常參考值，假陽(yáng)性率為4%。將本方法的檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)的酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）方法進(jìn)行對(duì)比，兩種方法的檢測(cè)結(jié)果具有良好的一致性。在50例結(jié)直腸癌患者樣本中，ELISA方法檢測(cè)出47例CEA濃度升高，陽(yáng)性檢出率為94%；在50例健康志愿者樣本中，ELISA方法檢測(cè)出3例假陽(yáng)性，假陽(yáng)性率為6%。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該技術(shù)在臨床診斷中的準(zhǔn)確性與可靠性，對(duì)部分CEA檢測(cè)結(jié)果為陽(yáng)性的結(jié)直腸癌患者進(jìn)行了隨訪，并結(jié)合其他臨床檢查手段，如腸鏡檢查、病理活檢等，對(duì)患者的病情進(jìn)行綜合評(píng)估。隨訪結(jié)果表明，基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法檢測(cè)出CEA濃度升高的患者，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的臨床檢查，大多被確診為結(jié)直腸癌，且病情的嚴(yán)重程度與CEA濃度呈正相關(guān)。在隨訪的20例CEA陽(yáng)性患者中，18例通過(guò)腸鏡檢查和病理活檢確診為結(jié)直腸癌，其中10例為早期結(jié)直腸癌，8例為中晚期結(jié)直腸癌。早期結(jié)直腸癌患者的CEA濃度相對(duì)較低，平均值為10ng/mL；中晚期結(jié)直腸癌患者的CEA濃度較高，平均值為50ng/mL。這表明該檢測(cè)方法不僅能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出結(jié)直腸癌患者血清中的CEA濃度升高，還能夠在一定程度上反映患者的病情嚴(yán)重程度，為臨床診斷和治療提供重要的參考依據(jù)。5.2在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用5.2.1污染物檢測(cè)環(huán)境中的重金屬離子和有機(jī)污染物對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅，因此對(duì)這些污染物的準(zhǔn)確檢測(cè)至關(guān)重要?；谠灰l(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的技術(shù)，為環(huán)境污染物檢測(cè)提供了新的解決方案。在重金屬離子檢測(cè)方面，以鉛離子（Pb2?）為例，其檢測(cè)原理基于特定的配體與Pb2?的特異性結(jié)合以及原位引發(fā)聚合物刷的信號(hào)放大作用。首先，在液晶檢測(cè)器的基板表面通過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）方法原位引發(fā)聚甲基丙烯酸（PMA）聚合物刷的生長(zhǎng)。對(duì)基板進(jìn)行預(yù)處理，使其表面帶有羥基，然后通過(guò)硅烷化反應(yīng)將含有溴原子的硅烷偶聯(lián)劑固定在基板表面，作為ATRP反應(yīng)的引發(fā)位點(diǎn)。將固定有引發(fā)劑的基板放入含有甲基丙烯酸（MA）單體、溴化亞銅（CuBr）和2,2'-聯(lián)吡啶（bpy）的聚合反應(yīng)體系中，在60℃的恒溫條件下反應(yīng)一定時(shí)間，使PMA聚合物刷在基板表面生長(zhǎng)。在聚合物刷表面修飾與Pb2?特異性結(jié)合的配體，如巰基乙胺。通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的方式，利用巰基乙胺分子上的氨基與PMA聚合物刷表面的羧基在縮合劑（如EDC和NHS）的作用下發(fā)生反應(yīng)，將巰基乙胺牢固地固定在聚合物刷表面。當(dāng)含有Pb2?的樣品溶液滴加到修飾有巰基乙胺的液晶檢測(cè)器表面時(shí)，Pb2?會(huì)與巰基乙胺發(fā)生特異性結(jié)合。這種結(jié)合會(huì)引起聚合物刷表面的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響液晶分子在基板表面的取向。由于液晶分子之間存在相互作用，基板表面液晶分子取向的改變會(huì)逐漸傳遞到整個(gè)液晶層，導(dǎo)致整個(gè)液晶層的分子取向發(fā)生變化。利用偏光顯微鏡觀察液晶分子的取向變化，并通過(guò)圖像分析軟件測(cè)量液晶分子的取向角，以此來(lái)評(píng)估檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)Pb2?的檢測(cè)限低至1nM，能夠檢測(cè)到極低濃度的Pb2?。與傳統(tǒng)的重金屬離子檢測(cè)方法，如原子吸收光譜法（AAS）相比，基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法具有操作簡(jiǎn)單、無(wú)需昂貴儀器的優(yōu)勢(shì)。AAS方法需要使用原子吸收光譜儀等大型儀器，操作復(fù)雜，且對(duì)樣品的預(yù)處理要求較高。對(duì)于有機(jī)污染物檢測(cè)，以多環(huán)芳烴（PAHs）中的萘為例，檢測(cè)原理基于分子印跡技術(shù)與原位引發(fā)聚合物刷的結(jié)合。首先，在液晶檢測(cè)器的基板表面通過(guò)光聚合引發(fā)的方法原位引發(fā)聚（丙烯酰胺-丙烯酸）（P（AAm-AA））聚合物刷的生長(zhǎng)。先制備大分子光引發(fā)劑P（AAm-AA）-I*，將含有光活性基團(tuán)的單體與丙烯酰胺（AAm）和丙烯酸（AA）共聚，再引入引發(fā)劑活性中心得到P（AAm-AA）-I*。將含有P（AAm-AA）-I*、AAm、AA單體和交聯(lián)劑的混合溶液滴涂在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的液晶檢測(cè)器基板表面。在紫外光的照射下，P（AAm-AA）-I*產(chǎn)生自由基，引發(fā)單體聚合，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的P（AAm-AA）聚合物刷。以萘為模板分子，在聚合物刷形成過(guò)程中，使萘分子與聚合物鏈相互作用，形成特異性的結(jié)合位點(diǎn)。當(dāng)聚合物刷形成后，將萘分子洗脫，留下與萘分子形狀和大小相匹配的印跡空穴。當(dāng)含有萘的樣品溶液滴加到修飾有分子印跡聚合物刷的液晶檢測(cè)器表面時(shí)，萘分子會(huì)特異性地結(jié)合到印跡空穴中。這種結(jié)合會(huì)引起聚合物刷表面的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響液晶分子在基板表面的取向。利用橢圓偏振儀測(cè)量液晶分子的取向變化，通過(guò)分析液晶分子取向的改變程度來(lái)確定萘的存在和濃度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該方法對(duì)萘的檢測(cè)限可達(dá)5nM，能夠有效地檢測(cè)環(huán)境中的萘污染。與傳統(tǒng)的有機(jī)污染物檢測(cè)方法，如高效液相色譜法（HPLC）相比，基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法具有檢測(cè)速度快的優(yōu)勢(shì)。HPLC方法需要對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)雜的前處理和分離過(guò)程，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，而本方法能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)。5.2.2實(shí)際環(huán)境水樣檢測(cè)為了驗(yàn)證基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法在實(shí)際環(huán)境水樣檢測(cè)中的可行性和準(zhǔn)確性，選取了某河流的水樣進(jìn)行檢測(cè)。該河流周邊存在工業(yè)污染源，可能含有重金屬離子和有機(jī)污染物。檢測(cè)步驟如下：首先，對(duì)采集的水樣進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)過(guò)濾去除水樣中的懸浮物和顆粒雜質(zhì)。然后，在液晶檢測(cè)器的基板表面通過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）方法原位引發(fā)聚甲基丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸縮水甘油酯（PMMA-GMA）聚合物刷的生長(zhǎng)。對(duì)基板進(jìn)行預(yù)處理，使其表面帶有羥基，然后通過(guò)硅烷化反應(yīng)將含有溴原子的硅烷偶聯(lián)劑固定在基板表面，作為ATRP反應(yīng)的引發(fā)位點(diǎn)。將固定有引發(fā)劑的基板放入含有甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）單體、溴化亞銅（CuBr）和2,2'-聯(lián)吡啶（bpy）的聚合反應(yīng)體系中，在60℃的恒溫條件下反應(yīng)一定時(shí)間，使PMMA-GMA聚合物刷在基板表面生長(zhǎng)。在聚合物刷表面修飾與重金屬離子（如鎘離子Cd2?）特異性結(jié)合的配體，如乙二胺四乙酸（EDTA）。通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的方式，利用EDTA分子上的氨基與PMMA-GMA聚合物刷表面的環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)，將EDTA牢固地固定在聚合物刷表面。將預(yù)處理后的水樣滴加到修飾有EDTA的液晶檢測(cè)器表面。在37℃的恒溫環(huán)境下孵育30分鐘，使Cd2?與固定在聚合物刷表面的EDTA充分結(jié)合。利用偏光顯微鏡觀察液晶分子的取向變化，并通過(guò)圖像分析軟件測(cè)量液晶分子的取向角，以此來(lái)評(píng)估檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出水樣中Cd2?的濃度。檢測(cè)結(jié)果表明，該水樣中Cd2?的濃度為5nM，超過(guò)了國(guó)家規(guī)定的地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中Cd2?的限值（0.005mg/L，約為44nM）。為了驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，將該水樣送第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP-MS）進(jìn)行檢測(cè)，ICP-MS檢測(cè)結(jié)果顯示該水樣中Cd2?的濃度為5.5nM，與基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法的檢測(cè)結(jié)果相近，表明該方法具有較高的準(zhǔn)確性。在實(shí)際環(huán)境監(jiān)測(cè)中，基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法具有重要的應(yīng)用價(jià)值。它能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)環(huán)境水樣中的污染物，為環(huán)境監(jiān)測(cè)和污染治理提供及時(shí)的數(shù)據(jù)支持。該方法操作簡(jiǎn)單，無(wú)需復(fù)雜的儀器設(shè)備，適合現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。在河流、湖泊等水體的日常監(jiān)測(cè)中，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染物的存在和濃度變化，為環(huán)境保護(hù)部門(mén)采取相應(yīng)的治理措施提供依據(jù)。5.3在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用5.3.1農(nóng)藥殘留檢測(cè)農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用，以保障農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。然而，農(nóng)藥的不合理使用或過(guò)量使用會(huì)導(dǎo)致農(nóng)藥殘留問(wèn)題，對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成潛在威脅。農(nóng)藥殘留可能會(huì)通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體，長(zhǎng)期積累可能引發(fā)各種健康問(wèn)題，如神經(jīng)系統(tǒng)損傷、內(nèi)分泌干擾、癌癥等。農(nóng)藥殘留還可能對(duì)土壤、水體等生態(tài)環(huán)境造成污染，影響生態(tài)平衡。因此，準(zhǔn)確檢測(cè)食品中的農(nóng)藥殘留對(duì)于保障食品安全至關(guān)重要?；谠灰l(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法，其原理基于農(nóng)藥分子與特異性抗體之間的免疫反應(yīng)以及原位引發(fā)聚合物刷的信號(hào)放大作用。首先，在液晶檢測(cè)器的基板表面通過(guò)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）方法原位引發(fā)聚甲基丙烯酸縮水甘油酯（PGMA）聚合物刷的生長(zhǎng)。對(duì)基板進(jìn)行預(yù)處理，使其表面帶有羥基，然后通過(guò)硅烷化反應(yīng)將含有溴原子的硅烷偶聯(lián)劑固定在基板表面，作為ATRP反應(yīng)的引發(fā)位點(diǎn)。將固定有引發(fā)劑的基板放入含有甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）單體、溴化亞銅（CuBr）和2,2'-聯(lián)吡啶（bpy）的聚合反應(yīng)體系中，在60℃的恒溫條件下反應(yīng)一定時(shí)間，使PGMA聚合物刷在基板表面生長(zhǎng)。在聚合物刷表面修飾與農(nóng)藥分子特異性結(jié)合的抗體。通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的方式，利用抗體分子上的氨基與PGMA聚合物刷表面的環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)，將抗體牢固地固定在聚合物刷表面。當(dāng)含有農(nóng)藥殘留的食品樣品溶液滴加到修飾有抗體的液晶檢測(cè)器表面時(shí)，農(nóng)藥分子會(huì)與固定在聚合物刷表面的抗體發(fā)生特異性結(jié)合。這種結(jié)合會(huì)引起聚合物刷表面的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響液晶分子在基板表面的取向。由于液晶分子之間存在相互作用，基板表面液晶分子取向的改變會(huì)逐漸傳遞到整個(gè)液晶層，導(dǎo)致整個(gè)液晶層的分子取向發(fā)生變化。利用偏光顯微鏡觀察液晶分子的取向變化，并通過(guò)圖像分析軟件測(cè)量液晶分子的取向角，以此來(lái)評(píng)估檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)多種農(nóng)藥具有良好的檢測(cè)效果。以敵敵畏為例，對(duì)其檢測(cè)限低至1nM，能夠檢測(cè)到極低濃度的敵敵畏殘留。與傳統(tǒng)的農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法，如氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-MS）法相比，基于原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的檢測(cè)方法具有操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)。GC-MS法需要對(duì)樣品進(jìn)行復(fù)雜的前處理和分離過(guò)程，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，而本方法能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成檢測(cè)。5.3.2食品中微生物檢測(cè)食品中的微生物污染是影響食品安全的重要因素之一，其中致病菌的存在對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。常見(jiàn)的食源致病菌包括大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門(mén)氏菌等。大腸桿菌中的某些菌株，如腸出血性大腸桿菌O157:H7，可產(chǎn)生強(qiáng)烈的毒素，導(dǎo)致人體出現(xiàn)腹瀉、嘔吐、腹痛等癥狀，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)溶血性尿毒綜合征，危及生命。金黃色葡萄球菌能夠產(chǎn)生多種毒素，可引起食物中毒，出現(xiàn)惡心、嘔吐、發(fā)熱等癥狀。沙門(mén)氏菌是引起食物中毒的常見(jiàn)病原菌之一，可導(dǎo)致腸道感染，出現(xiàn)腹瀉、發(fā)熱、腹痛等癥狀?；谠灰l(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的食源致病菌檢測(cè)方法，其原理基于細(xì)菌表面抗原與特異性抗體之間的免疫反應(yīng)以及原位引發(fā)聚合物刷的信號(hào)放大作用。首先，在液晶檢測(cè)器的基板表面通過(guò)光聚合引發(fā)的方法原位引發(fā)聚（丙烯酰胺-丙烯酸-甲基丙烯酸縮水甘油酯）（P（AAm-AA-GMA））聚合物刷的生長(zhǎng)。先制備大分子光引發(fā)劑P（AAm-AA-GMA）-I*，將含有光活性基團(tuán)的單體與丙烯酰胺（AAm）、丙烯酸（AA）和甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）共聚，再引入引發(fā)劑活性中心得到P（AAm-AA-GMA）-I*。將含有P（AAm-AA-GMA）-I*、AAm、AA、GMA單體和交聯(lián)劑的混合溶液滴涂在經(jīng)過(guò)預(yù)處理的液晶檢測(cè)器基板表面。在紫外光的照射下，P（AAm-AA-GMA）-I*產(chǎn)生自由基，引發(fā)單體聚合，形成具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的P（AAm-AA-GMA）聚合物刷。在聚合物刷表面修飾與食源致病菌表面抗原特異性結(jié)合的抗體。通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合的方式，利用抗體分子上的氨基與P（AAm-AA-GMA）聚合物刷表面的環(huán)氧基團(tuán)發(fā)生開(kāi)環(huán)反應(yīng)，將抗體牢固地固定在聚合物刷表面。當(dāng)含有食源致病菌的食品樣品溶液滴加到修飾有抗體的液晶檢測(cè)器表面時(shí)，食源致病菌會(huì)與固定在聚合物刷表面的抗體發(fā)生特異性結(jié)合。這種結(jié)合會(huì)引起聚合物刷表面的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，進(jìn)而影響液晶分子在基板表面的取向。由于液晶分子之間存在相互作用，基板表面液晶分子取向的改變會(huì)逐漸傳遞到整個(gè)液晶層，導(dǎo)致整個(gè)液晶層的分子取向發(fā)生變化。利用偏光顯微鏡觀察液晶分子的取向變化，并通過(guò)圖像分析軟件測(cè)量液晶分子的取向角，以此來(lái)評(píng)估檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)食源致病菌具有較高的檢測(cè)靈敏度。以大腸桿菌為例，對(duì)其檢測(cè)限低至103CFU/mL，能夠快速準(zhǔn)確地檢測(cè)出食品中的大腸桿菌污染。在實(shí)際應(yīng)用中，該方法可以快速檢測(cè)食品中的致病菌，為食品安全監(jiān)管提供及時(shí)的數(shù)據(jù)支持。在食品加工企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)食品原料和成品中的致病菌，及時(shí)發(fā)現(xiàn)污染問(wèn)題，采取相應(yīng)的措施，避免不合格產(chǎn)品流入市場(chǎng)，保障消費(fèi)者的健康。六、結(jié)論與展望6.1研究總結(jié)本研究成功地將原位引發(fā)聚合物刷技術(shù)與液晶檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)液晶檢測(cè)器信號(hào)的有效放大，并構(gòu)建了基于該技術(shù)的高靈敏生物分子檢測(cè)方法。通過(guò)對(duì)原位引發(fā)聚合物刷放大液晶檢測(cè)器信號(hào)的原理和方法進(jìn)行深入探究，分析了材料因素、反應(yīng)條件以及界面性質(zhì)等對(duì)信號(hào)放大效果