汞离子检测的电化学DNA传感器研究
本文关键词：汞离子检测的电化学DNA传感器研究，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：近年来,水环境重金属污染日益严重,给人类和环境造成了巨大的危害。重金属污染的治理十分困难,应防范于未然。因此,对水环境重金属离子的实时监测刻不容缓,对环境保护、健康医疗、食品监测等领域有着重要的意义。随着微电子集成工艺及DNA分子技术的发展,新型的可用于现场快速检测分析的重金属传感器受到人们的重视。本文基于电化学原理,构建了三种重金属传感器,实现对汞离子的检测。结合交流阻抗分析技术及T-Hg2+-T错配原理,构建了两种用于检测汞离子的电化学DNA传感器,具有检出限低,灵敏度高,重复性较好等优点。基于微电子加工工艺,构建了一种基于微电极阵列的电化学传感器,采用差分脉冲溶出伏安法实现对汞离子浓度的定量分析。本文主要创新性工作如下：1、设计检测汞离子的杂交型DNA传感器深入研究了杂交型DNA传感器的设计方法,通过将一端修饰巯基的DNA固定链自组装到金电极表面,再与DNA探针链杂交,基于T-Hg2+.T错配与DNA杂交原理,采用电化学阻抗法实现对汞离子的检测。由于探针链富含胸腺嘧啶,能与汞离子特异性结合形成T-Hg2+.T错配结构并与固定链分离,引起电化学信号的改变。通过对ssDNA固定时间、MCH封闭条件及杂交温度等实验条件进行优化,不仅缩短了检测时间,还提高了ssDNA固定的效果和检测汞离子的性能。实验结果表明,该传感器的最低检出限0.2nM,线性范围为1.10nM。该传感器的特点是利用DNA杂交和T-Hg2+-T错配原理,实现了对汞离子的高灵敏度检测。2、构建检测汞离子的“发卡型”单链DNA传感器深入研究发卡型单链DNA传感器的设计方法,通过将富含胸腺嘧啶的DNA单链固定到金电极表面,DNA链通过T-Hg2+-T错配形成发卡结构,结合电化学阻抗分析技术,可检测到由DNA结构变化导致的电化学信号的改变。研究并改进了DNA共固定的条件,优化了共固定中DNA与MCH的混合比例,实现对Hg离子的定量检测。该传感器的最低检出限0.4nM,线性范围为2-10nM,具有较好的重复性。3、探索了一种基于微电极阵列的汞离子检测的电化学传感器基于微电子加工技术,构建了一种基于微电极阵列的三电极电化学重金属传感器。该传感器主要由金微电极阵列、银电极和铂电极组成。将金微电极阵列作为工作电极,铂电极作为对电极,银电极进一步加工作为参比电极,结合差分脉冲溶出伏安法,实现对重金属汞离子的定量检测。实验结果表明,本文设计的微电极阵列可以实现对重金属汞离子的高灵敏度检测。若进一步结合DNA等生物材料,有望实现更高的特异性和更低的检出限,从而实现痕量汞离子检出的目标。
【关键词】：重金属汞离子检测 DNA电化学生物传感器 微电极阵列电化学传感器 T-Hg~(2+)-T错配
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.2;R114
【目录】：
- 摘要5-7
- Abstract7-12
- 第1章 绪论12-26
- 1.1 重金属的危害及检测的意义12-14
- 1.1.1 水环境重金属污染12-13
- 1.1.2 重金属检测的意义13
- 1.1.3 重金属检测的现状13-14
- 1.2 重金属传感器的研究进展14-18
- 1.2.1 传感器的分类14
- 1.2.2 重金属传感器的研究进展14-18
- 1.3 DNA生物传感器的研究进展18-24
- 1.3.1 DNA荧光传感器19-20
- 1.3.2 DNA比色传感器20-21
- 1.3.3 DNA电化学传感器21-24
- 1.4 本文研究内容24
- 1.5 本章小结24-26
- 第2章 电化学分析及DNA传感器构建方法26-42
- 2.1 引言26
- 2.2 电分析化学的理论基础26-30
- 2.2.1 电极过程26-27
- 2.2.2 法拉第定律27
- 2.2.3 电流强度与电化学反应速率27-28
- 2.2.4 平衡电势与能斯特方程28-29
- 2.2.5 双层模型29-30
- 2.3 基于三电极体系的电化学检测30-34
- 2.3.1 脉冲伏安法30-32
- 2.3.2 溶出伏安法32
- 2.3.3 交流阻抗法32-34
- 2.4 DNA传感器的构建方法34-39
- 2.4.1 DNA结构和复制34-35
- 2.4.2 DNA分子变性与复性35-36
- 2.4.3 DNA分子杂交36-37
- 2.4.4 DNA与重金属汞离子的特异性结合37
- 2.4.5 DNA的固定37-38
- 2.4.6 DNA探针的标记38
- 2.4.7 寡核苷酸序列的设计原则38-39
- 2.5 传感器检测及性能表征39-41
- 2.5.1 标准曲线和标准加入法39
- 2.5.2 线性范围和灵敏度39-40
- 2.5.3 检出限和定量限40
- 2.5.4 误差和重复性40-41
- 2.6 本章小结41-42
- 第3章 杂交型DNA电化学传感器42-56
- 3.1 杂交型DNA传感器的原理42-43
- 3.2 DNA传感器的制备43-50
- 3.2.1 实验试剂和材料43-44
- 3.2.2 实验方法和步骤44-50
- 3.3 实验优化50-54
- 3.3.1 DNA固定时间的优化50-52
- 3.3.2 杂交温度的优化52
- 3.3.3 预固定、共固定与后固定的对比52-54
- 3.4 汞离子检测结果54-55
- 3.5 本章小结55-56
- 第4章 发卡型单链DNA传感器56-64
- 4.1 发卡型单链DNA传感器的原理56
- 4.2 实验优化56-59
- 4.2.1 预固定法中MCH封闭时间的优化56-58
- 4.2.2 共固定方法中的ssDNA与MCH比例的优化58-59
- 4.3 汞离子检测结果59-62
- 4.4 本章小结62-64
- 第5章 三电极电化学传感的研究64-74
- 5.1 微电极64-65
- 5.1.1 微电极特性64
- 5.1.2 微电极阵列的优点64-65
- 5.2 MEA芯片设计65-67
- 5.3 微电极制备工艺及制造流程67-73
- 5.3.1 微电极阵列的加工流程67-68
- 5.3.2 参比电极68
- 5.3.3 工作电极的活化和表征68-70
- 5.3.4 富集电位与时间优化70-71
- 5.3.5 差分脉冲溶出伏安法检测汞离子71-73
- 5.4 本章小结73-74
- 第6章 总结和展望74-77
- 6.1 本文内容总结74-75
- 6.2 课题研究展望75-77
- 参考文献77-80
- 作者简介80
- 攻读硕士学位期间主要的研究成果80-82
- 致谢82
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