據(jù)世界衛(wèi)生組織調(diào)查顯示:大規(guī)模肺癌篩查是有效降低肺癌死亡率的途徑之一。在眾多的篩查技術(shù)中,基于呼氣檢測(cè)的比色傳感陣列以其快速、準(zhǔn)確、廉價(jià)、便攜、可視化等優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是一種較理想的非侵入性肺癌篩查方法。但大多數(shù)比色傳感陣列不能識(shí)別呼氣混合物中的單一成分,且存在選擇性差,靈敏度低,檢測(cè)下限無(wú)法滿足呼氣中痕量化合物的傳感要求等不足,大大限制了比色傳感陣列在肺癌篩查中的應(yīng)用。因此,通過(guò)探究傳感陣列與分析物間的相互作用,分析影響陣列靈敏度和選擇性的因素,以此指導(dǎo)敏感材料的設(shè)計(jì)和制備,構(gòu)建性能優(yōu)異的比色傳感陣列,對(duì)肺癌的大規(guī)模篩查具有重要的臨床意義�？紤]到之前陣列的局限性,本文以(i)特異響應(yīng)結(jié)合交叉響應(yīng),(ii)多種納米材料改性敏感染料或基材為指導(dǎo)思路,構(gòu)建了多種比色傳感體系或陣列,全面提升比色傳感陣列在揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)識(shí)別及肺癌呼氣檢測(cè)中的靈敏度、選擇性和準(zhǔn)確率,預(yù)期獲得更低的檢測(cè)限。利用主成分分析和相關(guān)分析重點(diǎn)研究各陣列與分析物間可能的相互作用和影響因素,為新型比色傳感陣列的設(shè)計(jì)提供理論參考。此外,利用模式識(shí)別算法和交叉驗(yàn)證模型,深入研究各陣列對(duì)特定VOCs及實(shí)際呼氣樣本的識(shí)別性能,并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法,考察特異響應(yīng)模式與納米材料功能改性對(duì)單純?nèi)玖详嚵凶R(shí)別性能的提升幅度。綜合論證比色傳感陣列基于呼氣VOCs分子特征的響應(yīng)用于肺癌特征識(shí)別和表征的可行性。具體的研究結(jié)果分為五個(gè)部分:(1)基于醛基與Ag~+的氧化還原反應(yīng),以堿性環(huán)境降低反應(yīng)活化能,利用敏感染料指示pH變化,設(shè)計(jì)了醛類的特異傳感體系。模式識(shí)別研究結(jié)果表明,該體系對(duì)醛類的識(shí)別特異性和準(zhǔn)確率分別大于92.9%和93.3%。同時(shí)對(duì)乙醛獲得較寬的線性范圍(0.391~7.82 mM/L)和較低的檢測(cè)限(1.002 mM/L)。Pearson相關(guān)模型研究表明,該體系與醛類間氧化還原反應(yīng)的決速步為OH~-攻擊正電性的羰基碳,羰基碳的正電性差異決定了該體系對(duì)不同醛的響應(yīng)差異。(2)基于Br?nsted酸堿作用和離子相互作用,利用檸檬酸包裹的金納米顆粒,氧化石墨烯單層,和二氧化硅水凝膠對(duì)化學(xué)響應(yīng)型染料和陣列基材進(jìn)行功能改性,設(shè)計(jì)胺類傳感陣列。該陣列對(duì)8種常見(jiàn)胺類的識(shí)別特異性和準(zhǔn)確率分別大于95.8%和92.6%,對(duì)三甲胺獲得了較寬的線性范圍(5 ppb~50 ppm)和極低的檢測(cè)限(1.3 ppb)。七次平行實(shí)驗(yàn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%,表明該陣列重現(xiàn)性較好。主成分分析和Pearson相關(guān)模型研究表明,敏感材料與各種胺的不同強(qiáng)度Br?nsted酸堿作用決定了陣列對(duì)各種胺類的響應(yīng)差異。功能納米材料的引入,顯著增強(qiáng)了陣列對(duì)分析物的識(shí)別能力。(3)交叉響應(yīng)敏感材料是陣列傳感方法不可或缺的組成部分。我們以多種化學(xué)響應(yīng)型染料構(gòu)建了多種相互作用并存的比色傳感陣列,實(shí)現(xiàn)了對(duì)20種肺癌相關(guān)VOCs的識(shí)別。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明,該陣列對(duì)20種VOCs的識(shí)別特異性和準(zhǔn)確率分別大于89.5%和85%,且具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。制備了一批具備廣泛交叉響應(yīng)活性的敏感材料,用于復(fù)合陣列的構(gòu)建。(4)構(gòu)建了特異響應(yīng)與交叉響應(yīng)相結(jié)合的納米改性染料復(fù)合陣列,對(duì)20種呼氣VOCs的識(shí)別特異性和準(zhǔn)確率分別大于94.7%和95%,靈敏度接近100%。在樹(shù)圖中,20種VOCs規(guī)律地聚類成五個(gè)化學(xué)大類,即芳烴類,醇類,烷烴類,醛類,烯烴類。線性判別分析(LDA)也獲得了與層序聚類分析(HCA)高度一致的結(jié)果。三維判別因子就能識(shí)別所有20種VOCs,其總方差信息量?jī)H為60.7%。PCA結(jié)果顯示,需要22維的主成分才能涵蓋95%的總方差信息,即該陣列的活性空間具備高度的離散性。上述結(jié)果表明,相較于單獨(dú)的染料陣列,納米改性染料復(fù)合陣列具有更強(qiáng)的物理/化學(xué)作用力,在可視化響應(yīng),識(shí)別靈敏度,特異性和準(zhǔn)確率上的提升率分別為29.7%,64.7%,2.2%和5.3%。(5)基于納米改性染料復(fù)合陣列,對(duì)不同肺癌亞型或分期的呼氣樣本進(jìn)行了篩查研究。結(jié)果表明:僅依賴分子水平的預(yù)測(cè)因子,陣列對(duì)所有肺癌亞型和健康對(duì)照組的識(shí)別準(zhǔn)確率均大于95%;對(duì)鱗癌vs.腺癌,小細(xì)胞癌vs.非小細(xì)胞癌的識(shí)別準(zhǔn)確率分別為84.2%和81.8%;而對(duì)III期和IV期肺癌的識(shí)別準(zhǔn)確率則低至54.2%。Pearson相關(guān)模型研究表明:性別,年齡等臨床因子與肺癌組織學(xué)特征和分期具有顯著的相關(guān)性(p0.05)。并入臨床因子后的VOCs分子特征預(yù)測(cè)模型對(duì)肺癌分期的識(shí)別準(zhǔn)確率提高了12.5%,即臨床變量和分子水平預(yù)測(cè)因子相結(jié)合的方法具備更高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。上述結(jié)果表明:比色傳感陣列對(duì)呼氣VOCs的綜合響應(yīng)可用于肺癌特征的識(shí)別和表征。
【學(xué)位單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：R734.2
【部分圖文】：

圖 1.1 肺癌呼氣檢測(cè)的理論基礎(chǔ)[4]。Figure 1.1 Hypothetical basis of the breath test for lung cancer[4].和其他腫瘤一樣，肺癌的生長(zhǎng)也伴隨著基因的變化和/或蛋白質(zhì)的改變[31,32]。異變基因的表達(dá)會(huì)產(chǎn)生特定的 VOCs 構(gòu)成，并通過(guò)體液排出[33]。而外源的 VOCs(煙草燃燒產(chǎn)生的異戊二烯，苯，甲苯等)則具有較高的反應(yīng)活性，并引起 DNA，蛋白質(zhì)和不飽和脂肪酸的過(guò)氧化損傷。如果該過(guò)程的負(fù)面影響經(jīng)數(shù)年累積，就將

圖 1.2 選擇性傳感方法與交叉響應(yīng)傳感方法的示意圖[11]。Figure 1.2 Schematic illustration of the selective sensing approach vs. the cross-reactive sensingapproach[11].1.4.2 肺癌 VOCs 的交叉響應(yīng)傳感器相對(duì)于選擇性傳感方法，一種新興的策略就是交叉響應(yīng)傳感器陣列[11]。該方法基于仿生設(shè)計(jì)的原理，采用由廣譜交叉響應(yīng)傳感器組成的陣列，聯(lián)合模式識(shí)別算法進(jìn)行檢測(cè)[11]。與選擇性傳感方法相比，此類傳感器陣列將由多個(gè)廣譜交叉響應(yīng)傳感器生成一個(gè)獨(dú)特的指紋圖譜。這極大地?cái)U(kuò)寬了化合物的檢測(cè)種類，對(duì)于每種分析物都有一個(gè)特定的敏感模型，以提高其成分識(shí)別率，同時(shí)也使得復(fù)雜多成分混合物中的單一成分的分析更容易完成[49]。模式識(shí)別算法的使用可以獲得分析物的種類，以及性質(zhì)和濃度等信息(見(jiàn)圖 1.2，下半部分)。盡管這樣的傳感陣列大多數(shù)是定量或半定量的，但因其檢測(cè)結(jié)果可在數(shù)分鐘內(nèi)獲得，因此這種方法對(duì)于肺癌的大規(guī)模篩查是比較理想的方法[11,50]。常見(jiàn)的交叉響應(yīng)傳感器主要包括基于納米材料的電阻抗傳感器，石英晶體微天平，表面聲波傳感器以及可視化傳感器

圖 1.3 分子間作用力的半定量能級(jí)范圍[61]。 The range of intermolecular interactions on a semi-quantitative ene系統(tǒng)就是一個(gè)靈敏的傳感器陣列，能夠區(qū)分多種揮發(fā)到確認(rèn)[62]，大約覆蓋了 109ppm 量級(jí)的范圍。圖 1.4 展分析物(如僅含有一個(gè)甲基的分析物)的檢測(cè)限。嗅覺(jué)系高 100 萬(wàn)倍，而對(duì)甲胺的響應(yīng)比甲醇則強(qiáng) 10 萬(wàn)倍，總響應(yīng)強(qiáng)度跨越了 107ppm 量級(jí)的范圍。對(duì)于這些尺寸相氫鍵，及空間位阻作用并不能很好地解釋如此巨大的嗅覺(jué)感受器中很大一部分是金屬蛋白質(zhì)，其中的金屬離is 堿(如硫醇，胺類，磷化氫類，羧酸類等)的配位作用覺(jué)受體形成強(qiáng)的離子鍵合。實(shí)際上，Matsunami 及其同了銅離子在至少一種老鼠嗅覺(jué)感受器中起著重要作用入較強(qiáng)相互作用所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)是明顯提高傳感器的內(nèi)學(xué)特異性。因此，在原有交叉響應(yīng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可
【參考文獻(xiàn)】

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1 胡燕婕;肺癌呼氣特征性VOCs的篩選及診斷價(jià)值研究[D];浙江大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2869937