基于金属有机框架材料催化电化学DNA传感器在乳品中重金属检测应用研究

发布时间：2020-05-30 15:14

【摘要】：近年来,电化学传感分析技术不断得到突破,这得益于纳米技术与生物技术的爆发式发展。电化学生物传感分析技术具有高灵敏度、低成本、简便快速等优点且选择性高、特异性强,在微量和痕量分析中占有不可或缺的地位。电化学生物传感分析检测方法简单、快捷,一直被研究人员所关注。将纳米材料与电化学生物传感器相结合,利用纳米材料的特性,可以提高传感器检测灵敏度,缩短检测时间,还可以进一步稳定传感器的理化性质,使得传感器检测性能得到显著提高。致力于研究和构建基于纳米材料增敏的电化学生物传感器的分析检测技术,并将该技术运用于乳品的安全检测与品质监控,使技术与实际相结合,利用技术检测手段来使得消费者的健康得到足够的保障,同时也间接促进乳品行业的发展。本文构建了三种不同的电化学DNA传感器,并将其用于乳品中Hg~(2+)、Ag~+和Pb~(2+)的痕量检测。具体内容分为:第一部分:基于AuNFs功能化纳米增敏材料的DNA传感器用于乳品中Hg~(2+)的电化学检测以金纳米花(AuNFs)作为传感器平台,利用胸腺嘧啶与汞离子之间的特异性配位(T-Hg~(2+)-T)构建一个高灵敏度、高选择性的电化学DNA传感器。实验证明,以金纳米花纳米材料作为电化学传感平台可以提高信号标签的电子传递速度,同时其自身特性使得传感器拥有良好的生物相容性的微环境。3'修饰有电信号物质(MB)的T-rich DNA利用5'的巯基同电极表面的AuNFs以Au-S固定,使得MB远离电极。通过T-rich DNA与Hg~(2+)的结合折叠DNA来减少MB与电极之间的距离来实现电信号的放大从而实现Hg~(2+)的检测。最终实验表明,在一系列的优化条件下,传感器产生的电信号峰值电流的变化与Hg~(2+)浓度在1 fM~1nM存在良好的线性关系,检出限为0.39 fM(S/N=3)。通过加标回收实验也对乳品中的Hg~(2+)进行了分析。实验计算回收率在89%~104.2%范围内。本文提出的检测策略具有良好的性能,表明其运用在评估乳品品质变化中具有有效的发展潜力。同时,该适配体传感器对Hg~(2+)存在选择性,其他金属离子(例如:Pb~(2+),Zn~(2+),Ni~(2+),Co~(2+),Co~(2+)和Cd~(2+))的干扰性微乎其微,对于实际应用于Hg~(2+)的检测具有较大的意义。第二部分:金属有机框架功能化材料作为仿生酶用于乳品中Ag~+的电化学检测本实验通过合成一种结合有金纳米颗粒的卟啉高分子金属有机框架用于构建电化学DNA传感器,并利用该核酸传感器实现Ag~+的检测。在检测过程中当有Ag~+存在时,传感器平台的富胞嘧啶DNA探针会与金属银离子发生配位反应,从而使得DNA发生折叠构相改变,最终使得连接在DNA 5′端的PorMOFs接近电极表面。利用PorMOFs的催化活性催化羟胺产生电信号达成银离子检测目的。在最优条件下,依据检测结果可以表明SWV电流变化与Ag~+浓度在10~(-13) M到10~(-6) M范围内表现出显著的线性关系,其最低检测限为0.016 pM(S/N=3)。依据实验结果,该核酸传感器对Ag~+的检测呈现出极好的重现性和优良的选择性,在实践的样品检测中依旧表现优异。第三部分:金属有机框架功能化材料作为仿生酶用于乳品中Pb~(2+)的电化学检测制备一种功能化铁卟啉金属有机框架化合物(FeTCPP@MOF)DNA探针化并用于铅离子的检测具有高灵敏度的电化学传感平台。将AuNPs结合在FeTCPP@MOF表面,使其与DNA探针上的巯基利用Au-S键结合形成DNA2/AuNPs-FeTCPP@MOF探针。FeTCPP@MOF的拟酶催化性可以将邻苯二胺化成二胺偶氮苯,从而产生明显可见的电化学信号。传感器在有铅离子存在的情况下,固定在电极表面的DNA1识别位点(rA)会被铅离子特异性识别,使得DNA1链断开并与DNA2/AuNPs-FeTCPP@MOF探针上的DNA2识别并杂交结合同时将FeTCPP@MOF有机框架固定在电极表面。此时,核酸传感器的信号开关打开,实现Pb~(2+)的电化学信号检测。检测结果显示,SWV电流信号变化值与Pb~(2+)在1 pM至100 nM范围内具有显著的线性关系,检测限达到0.36 fM(S/N=3)。制备的传感器在实际样品的检测中表现良好,且低成本操作简单具有高灵敏度和优异的选择性。
【图文】：

示意图,电化学DNA传感器,工作原理,示意图

基于金属有机框架材料催化电化学 DNA 传感器在乳品中重金属的检测应用研究1.2.1 电化学 DNA 传感器原理电化学 DNA 传感器的原理[8, 9]：被分析物扩散进入固定化分子识别元件，，分析物与识别元件之间发生直接或间接的生物化学反应并且产生生物化学信号继而被相应的转换器转将产生的信号转换成可测定和可处理的电信号，电信号强度与被分析物浓度存在比例关系，继而再通过检测仪器输出信号，计算出被测物浓度。以图 1.1 所示，可直观的了解传感器工作原理。

示意图,电化学DNA传感器

图 1.1 电化学 DNA 传感器工作原理示意图Fig.1.1 The working principle diagram of aptasensor化学 DNA 传感器的类型核酸传感器的工作原理差别，大致可分为五种类型[10]：利用号的直接 DNA 电化学、通过化学介体增加检测灵敏度的间接介体直接标记在 DNA 上的特异性氧化还原指示剂型、DNA 介修饰纳米材料的纳米颗粒电化学放大五种。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TS252.7;O657.1

【参考文献】