基于类石墨相氮化碳构建电化学及电致化学发光生物传感器用于有机磷的检测

发布时间：2018-10-30 09:08

【摘要】：有机磷(Organophosphorus pesticides,OPs)因其剧毒的性质被广泛应用于杀虫剂。而残留在土壤、食品、环境中的OPs也给人类的健康带来了威胁。世界卫生组织表示中老年人长期食用有农药残留的蔬菜水果等农产品其罹患帕金森病、早老性痴呆、心脑血管病、糖尿病、白血病等严重疾病的风险明显增加。因此对OPs残留进行高效、高灵敏检测成为亟待解决的问题。电化学技术是应用非常广泛、成熟的一项OPs分析技术,具有操作简单、准确性高和低成本等优点。电致化学发光技术(Electrochemiluminescence,ECL)是结合电化学与发光化学的一门新型的OPs分析检测技术。它具有低的背景信号,高的灵敏度和快速检测等优点。在本论文中,我们着重于合成新型的类石墨相氮化碳(Graphitic carbon nitride,g-C_3N_4)纳米复合材料,并结合OPs对乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase,ACh E)的抑制作用设计了新型的电化学及ECL生物传感器,用于有机磷的检测(我们主要以乙基对氧磷(Ethyl paraoxon)为模板目标物),具体研究内容如下:1.基于Pd蠕虫状纳米链/氮化碳构建电化学生物传感器检测有机磷和石杉碱甲Ag-C_3N_4由于具有良好的热稳定性和化学稳定性而被广泛应用在化学发光和电致化学发光领域,但其在电化学领域的应用一直较少。在此次研究中,我们利用g-C_3N_4较大的比表面积成功将其与Pd蠕虫状纳米链(Pd WLNCs)合成纳米复合材料(Pd WLNCs/g-C_3N_4)。并基于Pd WLNCs/g-C_3N_4复合材料和AChE制备了新型电化学生物传感器检测OPs和石杉碱甲(hup A),拓宽了g-C_3N_4在电化学领域的应用。通过透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)对纳米复合材料的形貌和组分进行表征。实验结果表明,Pd WLNCs/g-C_3N_4纳米复合材料可以有效地固载酶,并实现信号放大。在最佳实验条件下,所构建的生物传感器显示出良好的性能。OPs和hup A的线性响应范围分别为1.00 nmol·L~(-1)至14.96μmol·L~(-1)和3.89nmol·L~(-1)至20.80μmol·L~(-1),相应的检测限分别为0.33 nmol·L~(-1)和1.30 nmol·L~(-1)(S/N=3)。同时,该生物传感器具有良好的重现性和稳定性,可用于实际样品分析。2.基于环糊精功能化的氮化碳构建电致化学发光生物传感器检测有机磷OPs可以抑制AChE的活性,从而减少酶催化产物硫代胆碱和乙酸(HAc)的生成量。传统的有机磷检测机理多是基于硫代胆碱的量的变化,而忽略了另一种产物HAc。在这次的研究中,我们基于OPs对HAc产量的影响,结合酸碱反应构建了一种新型的OPs检测方法。首先,合成了新型纳米复合材料氮化碳-b-环糊精(g-C_3N_4-CD),与g-C_3N_4相比,该复合材料具有更好的分散性,稳定性和发光效率。同时,所获得的g-C_3N_4-CD具有超分子识别特性,可以与羧基二茂铁(Fc-COOH)形成主客体包络复合物(g-C_3N_4-CD-Fc-COOH)。此外,通过酰胺化反应,乙酰胆碱酯酶(AChE)可以高效被g-C_3N_4-CD-Fc-COOH固载,形成新的生物复合物g-C_3N_4-CD-Fc-COOH/ACh E。然后,基于酶的抑制机制和合成的生物复合材料g-C_3N_4-CD-Fc-COOH/AChE构建了用于OPs检测的ECL生物传感器。该传感器的检测机理如下:通过酶促反应原位产生的HAc可以消耗电极表面周围的共反应试剂三乙胺(Et3N),使得ECL信号显著降低,在加入OPs后,因为OPs对AChE活性的抑制,Et3N的消耗量减少,导致ECL信号的增强。在最佳实验条件下,将构建的生物传感器用于OPs的检测,其线性范围为1.0 pmol·L~(-1)至0.5mmol·L~(-1),检测限为0.3 pmol·L~(-1)。该生物传感器具有背景信号低,响应快速等优点,为实际样品中的OPs检测提供新的思路。3.基于羧基化氮化碳-聚乙烯亚胺复合物构建电致化学发光生物传感器检测有机磷在ECL生物传感器的构建过程中,信号放大是至关重要的一步。g-C_3N_4的信号放大往往是基于金属材料的引入,较少的高分子聚合物被应用于放大g-C_3N_4的ECL信号。我们将聚乙烯亚胺高分子聚合物(PEI)与羧基化的g-C_3N_4(C-g-C_3N_4)键合,成功改善C-g-C_3N_4的发光效率,实现信号放大。并且基于羧基氮化碳-聚乙烯亚胺新型复合物(C-g-C_3N_4-PEI)和AChE制备了ECL生物传感器用于OPs的灵敏检测。通过C-g-C_3N_4的-COOH与PEI的-NH2之间的酰胺反应制备的C-g-C_3N_4-PEI纳米复合材料可以显著增强ECL效率和传感器的稳定性。AChE水解硫代乙酰胆碱(ATCl)产生硫代胆碱,硫代胆碱可以与C-g-C_3N_4-PEI的共反应试剂K_2S_2O_8反应,使K_2S_2O_8的量减少。因为OPs是AChE抑制剂,所以共反应剂K_2S_2O_8的消耗随着OPs浓度的增加而降低,从而获得增强的ECL信号。在最佳实验条件下,所制备的生物传感器的线性范围为1.0 pmol·L~(-1)至5.0μmol·L~(-1),检测限为0.3 pmol·L~(-1)。该新型策略具有实用性、稳定性和重现性好的优点,为实际样品中的OPs检测提供了新的方法。综上,基于Pd WLNCs/g-C_3N_4纳米复合材料、g-C_3N_4-CD纳米复合材料、C-g-C_3N_4-PEI纳米复合材料和AChE分别构建了电化学和电致化学发光生物传感器以检测OPs。通过引入其他材料改善g-C_3N_4的分散性、导电性、发光效率等,拓宽了g-C_3N_4的应用领域,提高了生物传感器的灵敏度。并且利用酶催化底物产生的HAc和硫代胆碱的量的变化,作为定量检测OPs的指标。实验结果表明,所制备的生物传感器可以实现OPs的灵敏检测,且具有较宽的检测范围和较低的检测限,这为我们以后实现OPs快速和即时奠定了基础。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O657.1;TQ450.263

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 孙康,李仲辉,陈孝康;主客体葡萄糖、乳糖生物传感器的研制[J];化学研究与应用;2001年04期

2 吴西梅,刘欣,陈永泉;生物传感器的研制及在食品工业中的应用[J];广州食品工业科技;2001年02期

3 李真;戴媛静;陈曦;;生物传感器及其在环境分析中的应用[J];福建分析测试;2001年03期

4 李彦文,杨仁斌,郭正元;生物传感器在环境污染物检测中的应用[J];环境科学动态;2004年01期

5 王锋;樊先平;王民权;;光学生物传感器的研究进展[J];材料导报;2004年07期

6 耿敬章,仇农学;生物传感器及其在食品农药残留检测中的应用[J];粮油食品科技;2005年01期

7 周南;;德国生物传感器会议[J];分析试验室;2006年06期

8 李永生;高秀峰;齐娇娜;肖真;;乙醇荧光毛细生物传感器的研究[J];酿酒科技;2006年07期

9 康天放;刘润;鲁理平;程水源;;再生丝素固定乙酰胆碱酯酶生物传感器[J];应用化学;2006年10期

10 陈俭霖;;生物传感器在环境监测中的应用及发展前景[J];污染防治技术;2006年03期

相关会议论文 前10条

1 崔传金;吴海云;左月明;;生物传感器研究进展及发展趋势[A];纪念中国农业工程学会成立30周年暨中国农业工程学会2009年学术年会（CSAE 2009）论文集[C];2009年

2 莫冰;刘晓为;;浅谈生物传感器在几个主要领域的应用及展望[A];中国传感器产业发展论坛暨东北MEMS研发联合体研讨会论文集[C];2004年

3 薛瑞;康天放;;基于丝素蛋白固定乙酰胆碱酯酶的有机磷和氨基甲酸酯类农药生物传感器的研究[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年

4 李彤;赵纯;;用于水体监测的生物传感器研究进展[A];2012中国环境科学学会学术年会论文集（第一卷）[C];2012年

5 任湘菱;唐芳琼;;光电化学体系构建新型葡萄糖生物传感器[A];中国感光学会影像材料的研究与应用学术研讨会论文集[C];2009年

6 邹琴;李刘冬;;生物传感器在贝毒快速检测中的应用[A];泛珠三角区域渔业经济合作论坛第三次年会会议论文[C];2008年

7 邱筱岷;;生物传感器及其在临床医学中的应用研究[A];中华医学会医学工程学分会第十次学术年会暨2009中华临床医学工程及数字医学大会论文集[C];2009年

8 马芬;张成孝;;多标记型汞离子电化学发光生物传感器的研究[A];中国化学会第十届全国发光分析学术研讨会论文集[C];2011年

9 任湘菱;唐芳琼;;银—金纳米复合颗粒增强的葡萄糖生物传感器[A];第一届全国纳米技术与应用学术会议论文集[C];2000年

10 黄智伟;黄琛;;光纤DNA生物传感器研究动向[A];中国电子学会第七届学术年会论文集[C];2001年

相关重要报纸文章 前10条

1 哈尔滨工业大学 莫冰;四大应用领域，，生物传感器技术发展迅速[N];中国电子报;2004年

2 张巍巍;美研制出超灵敏生物传感器[N];科技日报;2012年

3 吴琼;生物传感器迅速成长[N];中国电子报;2000年

4 何屹;新生物传感器可观测细菌生长[N];科技日报;2011年

5 记者 毛黎;人体细胞生物传感器分子机理首次揭开[N];科技日报;2011年

6 记者 何永晋;乌生物传感器研究硕果累累[N];科技日报;2003年

7 白毅 王宇星;我国生物传感器研究获重大进展[N];中国医药报;2006年

8 张佳星;“火眼金睛”窥测基因调控[N];科技日报;2008年

9 汪明;2009年全球生物传感器市场有望突破40亿美元[N];中国医药报;2006年

10 邹争春;漏声表面波生物传感器检测系统构建成功[N];中国医药报;2012年

相关博士学位论文 前10条

1 史大川;恒温型纳米—滚环扩增-SPR传感器快速检测病原微生物的研究[D];第三军医大学;2015年

2 刘蓬勃;提高微流芯片生物传感器检测限的研究[D];大连理工大学;2015年

3 唱凯;Ⅰ:LSAW生物传感器的构建及临床应用研究 Ⅱ:两株罕见致病菌的鉴定[D];第三军医大学;2015年

4 高小尧;基于核酸的生物传感器的研究与应用[D];福州大学;2014年

5 闫志勇;蛋白激酶活性的光电化学生物分析研究[D];青岛大学;2016年

6 张冰;SPR生物传感器及其与电化学联用研究[D];浙江大学;2016年

7 李继;生物传感器表面功能化的研究[D];西南交通大学;2015年

8 戚艳侠;新型纳米光学传感体系的构建及其对生物体内重金属离子的分析研究[D];华东师范大学;2017年

9 叶尊忠;快速检测毒死蜱和大肠杆菌的便携式阻抗生物传感器仪器研究[D];浙江大学;2015年

10 刘云;小型化光纤表面等离子激元共振生物传感器系统的研究[D];大连理工大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 徐云英;基于免标记荧光生物传感器检测蛋白质和小分子的研究[D];西南大学;2015年

2 杨彩凤;水热法生长微/纳米结构及其电化学性能研究[D];西南大学;2015年

3 吴小平;基于新型碳纳米复合材料构建电致化学发光酶生物传感器的研究[D];西南大学;2015年

4 马晔;三维石墨烯/纳米材料复合生物传感器制备及应用研究[D];浙江大学;2015年

5 范玲玲;两种二茂铁探针的合成及其在QCM生物传感器组装与再生研究中的应用[D];郑州大学;2015年

6 段凯月;硫族钼化物纳米复合材料修饰玻碳电极的制备及其在分析化学中的应用研究[D];兰州大学;2015年

7 何颖;金属纳米材料和功能化的碳纳米材料在生物传感器中的应用研究[D];西南大学;2015年

8 张娟娟;基于纳米材料和酶构建的胆固醇和伴刀豆球蛋白A的电致化学发光生物传感器的研究[D];西南大学;2015年

9 王昱琳;基于明胶—多孔炭过氧化氢生物传感器的制备及其应用研究[D];北京化工大学;2015年

10 汪淑婷;基于纳米材料和核酸探针的新型荧光生物传感器[D];湖北中医药大学;2015年

本文编号：2299568