新型生物传感器的构建及其在环境和生物检测中的应用研究

发布时间：2020-09-17 15:52

　　 生物传感器是一种由生物感应元件和信号处理元件组成，用于对各种生物、化学物质进行检测的分析系统，其基本原理是生物感应元件与检测目标物相互作用后产生响应信号，信号处理元件对响应信号进行接收、加工、转换、输出，以此实现对目标物的定性、定量检测。鉴于生物传感器具有传统分析方法不可比拟的优势，生物传感器已成为分析检测领域的重要技术,被广泛应用于环境检测、生物医学研究、食品检测、发酵工业生产等众多领域。 近年来，对环境污染物的检测成为环境评估、环境治理的重要手段，对生物分子的检测成为生物学研究的重要内容，对环境污染物和生物分子进行快速、灵敏检测的生物传感器的研制开发具有重要的理论价值和广阔的应用前景。本论文成功构建了5种新颖的生物传感器分别用于检测环境污染物重金属二价铅离子、三硝基甲苯、苯并（а）芘及生物小分子含巯基氨基酸。 1、基于谷胱甘肽能够保护银纳米颗粒抵抗盐诱导的聚集原理构建了检测重金属Pb（Ⅱ）离子的生物传感器。谷胱甘肽通过Ag-S键结合到银纳米颗粒表面能够增强银纳米颗粒稳定性，协助银纳米颗粒抵抗盐诱导的聚集；重金属Pb（Ⅱ）离子可竞争性与谷胱甘肽结合，以此削弱谷胱甘肽对银纳米颗粒的保护作用从而导致银纳米颗粒在盐诱导下发生聚集。银纳米颗粒分散、聚集的不同状态导致其紫外可见吸收值的不同即可定性、定量反映不同浓度的Pb（Ⅱ）离子。该生物传感器实现了对Pb（Ⅱ）离子的特异性检测，检测线性范围在0.5-4μM，检测下限为0.5μM。同时该生物传感器实现了对实际水样中Pb（Ⅱ）离子的检测，说明该生物传感器具有良好的实际应用前景。本论文首次发现谷胱甘肽能够保护银纳米颗粒抵抗盐诱导的聚集，增强银纳米颗粒的稳定性，并将这一原理应用于构建可视化、定量检测Pb（Ⅱ）离子的生物传感器。该生物传感器利用盐溶液放大检测信号，可以实现高灵敏度、特异性检测Pb（Ⅱ）离子。该研究方法为检测环境中的重金属离子提供了一条可能的思路：通过寻找与不同重金属特异性结合的配体，结合银纳米等纳米材料在分散、聚集条件下呈现不同颜色所带来的紫外可见吸收值的变化，实现对环境中重金属的特异性检测。 2、利用TNT能够淬灭银纳米簇荧光的原理构建了检测TNT的生物传感器。银离子与单链DNA中胞嘧啶结合后，在硼氢化钠还原作用下生成高质量、稳定的荧光银纳米簇。三硝基甲苯（TNT）是一种较强电子受体，可以有效淬灭银纳米簇的荧光。TNT通过疏水作用结合到银纳米簇表面，淬灭其荧光，随着TNT浓度的增加，TNT荧光淬灭效率增加，银纳米簇荧光强度减小，以此可以实现TNT检测。该生物传感器检测TNT线性范围在0.5-6μg/mL，检测限为0.5μg/mL。通过对土壤和河水添加样中TNT的检测，证明该生物传感器能够实现对环境实际样品中TNT的检测。本论文首次发现三硝基甲苯可以淬灭ssDNA保护的银纳米簇荧光效应，并将其应用于构建检测TNT的生物传感器，为将荧光纳米材料应用于TNT检测生物传感器的构建提供可借鉴的经验。 3、基于斑点杂交原理构建了可视化、半定量检测多环芳烃代表物苯并（а）芘的生物传感器。该生物传感器利用苯并（а）芘与苯并（а）芘抗体、吸附于硝酸纤维素膜上的苯并（а）芘抗原之间发生竞争性免疫反应特性，使用感光胶片对检测信号进行收集。通过对感光胶片的曝光、显影，该生物传感器可以对浓度低至5ng/mL的苯并（а）芘进行可视化检测。使用专业分析软件对检测信号强度进行分析，该生物传感器可以实现半定量检测苯并（а）芘。使用该生物传感器对固相萃取法富集的河水样品中的苯并（а）芘进行检测，检测结果说明该生物传感器能够应用于实际检测。本论文通过将斑点杂交原理应用于构建检测苯并（а）芘的生物传感器，在不使用任何检测仪器的条件下，可以实现对环境样品中苯并（а）芘的定性、半定量检测。该生物传感器操作简单、检测特异性强，为环境有毒污染物检测方法的研究提供了可行的思路。 4、应用单链DNA能够通过碱基与银纳米颗粒之间形成的范德华力吸附到银纳米颗粒表面帮助银纳米颗粒抵抗盐诱导的聚集原理构建了检测含巯基氨基酸的生物传感器。含巯基氨基酸通过巯基结合到银纳米颗粒表面，阻碍了单链DNA的吸附，失去单链DNA保护的银纳米颗粒在盐的诱导下发生聚集，纳米颗粒的紫外可见吸收值发生改变，以此可以实现检测含巯基氨基酸。该生物传感器对同型半胱氨酸、半胱氨酸、谷胱甘肽的检测线性范围分别在在10-500nM、50-500nM、100-500nM，检测限分别为10nM、50nM、100nM。对模拟血清和尿液样品中同型半胱氨酸的成功检测证明该生物传感器具有良好的实际应用前景。本论文基于单链DNA保护银纳米颗粒抵抗盐诱导的聚集原理，根据含巯基氨基酸通过Ag-S键结合到银纳米颗粒表面替代单链DNA的实验现象，创新性的将两者有机结合构建了特异性检测含巯基氨基酸的生物传感器。通过盐溶液放大信号作用，该生物传感器能够实现高灵敏度检测含巯基氨基酸。通过分析银纳米颗粒分散、聚集状态下不同紫外可见吸收值，该生物传感器可以实现可视化、定量检测含巯基氨基酸。该生物传感器设计简单、新颖，检测快速、高效，为生物小分子物质检测提供了新颖的研究思路。 5、基于单链DNA保护的金纳米颗粒的稳定性增强并能够有效抵抗盐诱导的聚集原理构建了检测半胱氨酸的生物传感器。单链DNA通过碱基与金纳米颗粒之间形成的范德华力吸附到金纳米颗粒表面，增强金纳米颗粒的稳定性。半胱氨酸通过巯基以Au-S键结合到金纳米颗粒表面将单链DNA从金纳米颗粒表面排开，失去单链DNA保护的金纳米颗粒在盐诱导条件下发生聚集，导致纳米颗粒的紫外可见吸收值发生改变，以此实现检测半胱氨酸。该生物传感器检测半胱氨酸线性范围在0.1-5μM，检测限为0.1μM。通过对模拟血清样品中半胱氨酸的检测，证明该生物传感器具有良好的实际应用前景。该生物传感器简单、高效，检测灵敏度高，为将纳米材料用于构建检测生物小分子物质的生物传感器提供了可借鉴的研究思路。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2012
【中图分类】：X83;TP212
【部分图文】：

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本文编号：2820914