基于环糊精和核酸适体的持久性有机污染物电化学传感研究

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持久性有机污染物(Persistent organic pollutants,POPs)是一类具有高毒、持久、生物积累性、远距离迁移性,严重危害人类健康和环境的人工合成的有机污染物。POPs大多具有致癌、致畸、致突变效应和遗传毒性,能干扰人体内分泌系统,并且广泛存在于全球范围内各种环境介质以及动植物组织器官和人体中,已经成为一个新的全球性问题。因此,发展高灵敏、高选择性的传感器痕量检测POPs刻不容缓。β-环糊精(β-cyclodextrin,β-CD)是由环糊精葡萄糖残基酶作用于葡萄糖聚合物形成的寡聚葡萄糖,由7个D-吡喃葡萄糖基以α-1,4葡萄糖苷键连接而成。β-环糊精可依据范德华力、疏水相互作用力、主客体分子间的匹配作用与许多无机、有机分子、无机离子结合成主客体包合物。核酸适体(简称“适体”,aptamer)是能特异结合蛋白质或其他小分子物质的寡聚核苷酸片段。适体作为一种新的识别分子,适体对靶分子有高度亲和力和严格特异性识别能力,因而适体生物传感器往往具有好的灵敏度和高选择性。利用环糊精或核酸适体特异性结合环境中痕量的污染物,并协同纳米材料(石墨烯、碳纳米管、多孔碳材料、金纳米颗粒)优异的物理、化学性能,本文制备了一系列电化学传感器,用于超灵敏检测POPs:(1)采用六亚甲基二异氰酸酯(HMDI)作为交联剂聚合β-CD,制备了β-CD-HMDI聚合物非共价功能化多壁碳纳米管(MWCNTs/Poly(β-CD-HMDI)复合材料,并采用傅里叶红外、X射线衍射法、扫描电镜、热重分析和电化学方法对其表征。基于MWCNTs/Poly(β-CD-HMDI)复合材料,成功地制备了一种新型电化学传感器,用于检测非电活性4,4’-二氯联苯(DPCB)。研究中以中性红(NR)做探针,由于主客体包合作用,NR进入环糊精空腔,在MWCNTs/Poly(β-CD-HMDI)/GC电极上出现明显的NR峰电流。由于环糊精对探针分子和目标分子的包合作用存在竞争关系,当DPCB存在时,DPCB分子取代NR分子,从而导致NR的峰电流下降。利用NR的峰信号变化,实现对DPCB的间接电化学检测。所制备的MWCNTs/Poly(β-CD-HMDI)/GCE电化学传感器具有好的灵敏度、重现性和稳定性,检测线性范围为2 nM~80 uM,检测限为0.4 nM(S/N=3)。(2)基于探针分子罗丹明B(Rh B)和目标分子双酚A(BPA)与电聚合β-环糊精/电还原石墨烯(Pβ-CD/EG)的主客体竞争包合作用,建立了一种新型电流比电化学传感器用于高灵敏检测双酚A。Rh B进入β-CD疏水内腔,在Pβ-CD/EG修饰玻碳电极上出现明显的氧化峰电流。双酚A存在时,与Rh B相比,BPA与β-CD的主客体结合能力更强,Rh B被BPA取代。因此,Rh B峰电流(IRh B)下降,BPA峰电流(IBPA)相应增加。在1~6000 nM浓度范围内,电流比IBPA/IRh B与BPA浓度呈线性关系,检测限为52 pM(S/N=3)。本方案用于高灵敏度检测BPA,有望在实际环境样中检测有机污染物。(3)基于适体与目标分子BPA的特异性结合作用,制备了一种新型双信号电化学生物传感器,实现对BPA的高选择性、超灵敏检测。首先,在电极表面电沉金纳米颗粒(Au NPs),然后将适体DNA(DNA1)和与之互补的DNA链(c DNA)杂交的双链DNA自组装到电极表面,c DNA上标记有亚甲基蓝(MB),因而在电极上出现较强的MB电信号。当存在BPA目标分子时,适体与BPA结合,修饰有MB的c DNA会从双链DNA中解离出来,导致MB的电信号减弱,与此同时电极上出现BPA的电信号。本方案用于高灵敏度、高选择性检测BPA,在1 pM~100 nM浓度范围内,IBPA/IMB与BPA浓度呈线性关系,检测限为0.09 pM(S/N=3),有望用于实际环境样中有机污染物的检测。
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