生物识别技术包括体液、组织、细胞中内源性分子的模式识别和外部特征识别。内源性分子的模式识别是组学研究的主要手段,从基因组学、蛋白组学、肽组学和代谢组学获得的信息进行模式识别后可用于疾病诊断。低分子量蛋白质或肽(统称LMWPs)的含量和种类蕴藏着大量的基因表达及代谢信息,因而对人体体液中LMWPs信息的挖掘正成为一种新型的疾病诊断方法。本论文在生物质谱技术的基础上发展了一种能高效富集LMWPs,并能进行原位检测的多孔硅(PSi)材料,该材料可获取高保真度的肽指纹图谱,借助于统计学手段可从中挖掘疾病相关信息。而基于外部特征的识别技术主要包括人脸识别技术、指纹识别技术等等。本论文利用PSi独特的电化学发光动力学特征,建立了一种免标记电化学发光成像(ECLi)技术,并将其用于潜在指纹的成像和爆炸残余物等外源性分子信息的检测。基于PSi的ECU技术将有望与质谱技术联用,更好地实现生物特征的识别。论文的主要内容包括如下几个方面：第一章主要概述了近年来生物质谱技术在蛋白质／肽组学及肿瘤诊断研究中的进展及存在的问题。重点综述了各种无机纳米材料及有机高分子材料在复杂生物试样预处理及质谱分析中的应用；此外还介绍了多种可视化成像技术在潜指纹生物外部特征及内源性分子识别中的应用。同时还介绍了PSi发光的原理及其发展。最后,在综述基础上提出了本论文的选题意义。第二章建立了一种基于纳米多孔硅材料快速捕获血清中LMWPs,并进行原位质谱检测(On-Particle Mass Spectrometric Detection,简称OPMD)的新方法。PSi孔径大小可通过电化学刻蚀条件精确控制,能选择性地富集低分子肽类而将人血清中高丰度的大分子量蛋白质(如血液样品中的血清白蛋白、免疫球蛋白和蛋白酶等)排阻在孔道外。对PSi表面进行化学修饰后不仅可提高PSi的稳定性,同时可选择性地捕获血清中的LMWPs。富集在PSi颗粒孔道中的LMWPs无需洗脱即可直接进行基质辅助激光解析离子化(MALDI)质谱检测。相比于其他预处理材料,PSi能同时实现试样的保护,富集,高效排阻及原位检测,因而大大地简化了分析步骤并提高了基于MALDI-TOF分析的肽谱检测灵敏度。我们用PSi颗粒对10例临床病的人血清样品进行OPMD,其中5例来自直肠癌患者,5例来自健康人。从检测结果可以看到在直肠癌患者和健康人血清样本中低分子量肽段的差异很明显。通过分层聚类分析方法可有效地实现对直肠癌患者和健康人的区分。基于PSi的OPMD技术在LMWPs的模式识别及肿瘤诊断方面有很大的潜力。第三章发展了多维度颗粒原位质谱检测技术(简称多维OPMD),及其在血清肽指纹谱识别中的应用。由于血清中LMWPs的复杂性,用单一表面化学的PSi可能造成重要肽段信息的丢失,从而降低疾病诊断的准确率。本章的研究工作中制备了多种表面化学修饰(包括季铵盐、羧基和金修饰)的PSi,并对其结构进行了表征。用已知结构的肽段验证了基于PSi的多维OPMD技术的可行性。该方法成功地获取了72例血清样本的高保真度肽指纹图谱,其中包括24例结直肠癌患者、24例肝癌患者和24例健康志愿者。结果表明不同表面化学的PSi所获得的LMWPs图谱具有良好的互补性,显著增加了信息容量,降低了肽信息的丢失。通过统计学手段及人工神经网络学习算法成功筛选出了用于疾病鉴别的特征肽段,实现了对多类疾病的同时判别。我们还进行了基于质谱数据的可视化诊断,展示了这种技术在未来临床应用的前景。第四章建立了基于PSi颗粒的血清肽信息储存技术。血清肽已成为疾病生物标志物的丰富来源。然而由于血清中蛋白酶的作用,样本采集后血清中LMWPs的组成和相对丰度将发生显著的变化,这会导致原始肽信息的严重失真进而影响疾病判别的准确率。因此,样品收集后对血清肽信息的保存是非常重要的。本文制备了能有效储存血清中肽谱信息的纳米PSi材料,该材料能捕获、富集和长时间保护低分子肽段不被降解,还可以对捕获肽段的颗粒进行免洗脱的OPMD,从而尽可能地保留原始血清样品中的肽信息。我们评价了该材料在溶液中的尺寸排阻、静电吸附以及对血清中低分子蛋白质的富集和稳定能力。我们通过对10例肠癌患者和10例正常人的初始血清样本和储存后的血清样本进行了分析,结果发现用多孔硅保护的血清即使在-20℃保存一周后,直肠癌患者的肽谱与正常人的血清肽谱之间仍然可以很好地区分。而未经保护的血清,经过同样条件的存储,已经不能用统计学方法进行区分,证明了血清肽信息在储存过程中的丢失。PSi材料有望作为一种新型的生物样本储存材料,大大减少样品中的分子信息在保存和运输过程中的信息丢失。生物识别还包括人体指纹识别等外部特征的识别。指纹是人类手指指纹突起处摩擦留下的印迹。指纹中包含了汗水,自然分泌的残留物,和人体接触外源性成分的化学信息。然而,目前的发光指纹成像技术通常需要额外的发光体和共反应剂。第五章建立了基于PSi的免标记ECLi技术并将其应用于人体指纹成像检测。在本工作中,我们发现,PSi的ECL过程会经过活化、增强和衰落的过程。同时,处于不同表面化学环境的多孔硅电化学发光会显示出明显不同的发光动力学过程。对此,我们利用表面化学影响多孔硅ECL动态过程的内在机理,建立了基于发光对比度的ECLi技术。实现了对PSi芯片表面化学图案的高分辨成像。在本工作中,无需添加任何分子发光体或共反应剂即可在多孔硅芯片表面进行潜指纹的可视化检测。手指接触PSi的表面会留下一个独特的空间分辨的指纹图案。同时会在PSi表面留下分泌物或外源性的化学物质信息。因此该技术在获得指纹的同时,还能进行残留爆炸物的可视化检测。相对于其他指纹成像技术,基于电化学发光的指纹成像技术更简单,并且不需要任何发光试剂或共反应剂。
