基于核酸适配体的电及光电化学传感器在多氯联苯检测中的应用研究

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多氯联苯是一类在环境中微量存在的持久性有机污染物。由于其具有高毒性、稳定性好、降解性差、易生物富集等特点,使多氯联苯在环境中不断积累和扩散,对环境和人类健康造成严重的威胁。因此,建立可靠、灵敏的分析方法对环境中多氯联苯检测具有非常重要的意义。电化学和光电化学分析方法具有灵敏度高、仪器简单、成本低且能够实现实时在线检测等优点。目前,基于电化学和光电化学分析方法发展起来的生物传感技术在环境分析领域显示出了广泛的应用前景。因此,引起了广大研究者们浓厚的兴趣。其中,识别元件是生物传感器的重要构成部分之一,例如抗体、适配体等。若以适配体为识别元件,因为它的高亲和力和特异性识别能力,可以实现对目标物的特异性识别,以及能够对复杂的体系起到抗干扰的作用。本论文是以单个多氯联苯(Polychlorinated Biphenyls,简称PCBs)的适配体为识别元件,将适配体修饰于不同的纳米材料上,构建不同的电化学和光电化学适配体传感器实现对多氯联苯(PCBs)单体PCB77和PCB72的测定。本论文包括以下研究内容:(1)基于铁氰化镍-还原氧化石墨烯杂化纳米复合材料构筑的电化学适配体传感器对PCB77的检测通过原位共沉积技术将铁氰化镍纳米颗粒(NiHCF NPs)沉积在rGO表面,首次合成了直径大小约为5 nm NiHCF NPs的负载于rGO的NiHCF NPs-rGO杂化纳米复合材料。在杂化材料中,rGO具有比表面积大、导电性好的优势可以为负载NiHCF NPs提供更多的空间,同时可提高杂化材料的导电性。NiHCF NPs可用作信号探针,具有良好的峰形、可逆性及稳定性。研究中以PCB77为模型分子,通过共价键反应将PCB77适配体固定在NiHCF NPs-rGO杂化纳米材料上,构建了免标记的电化学适配体传感器用于对PCB77的检测。该传感器对PCB77的测定表现出良好的分析性能,所测电流与PCB77浓度在1.0到100.0 ng/L之间具有良好的线性响应,最低检测限为0.22 ng/L,同时,适配体对PCB77的特异性和高亲和力使传感器对PCB77的检测具有良好的选择性。此外,设计的传感器能够用于对实际环境中PCB77的高灵敏、高选择性检测。(2)基于碳量子点-TiO2纳米复合材料和核酸外切酶I辅助循环放大策略的光电化学适配体传感器的制备及对PCB77的检测首先采用电化学电解法制备了分散性和稳定性极好的碳量子点(CDs)。之后,通过水热法在FTO电极上制备二氧化钛纳米棒(TiO2 NRs),并采用电化学沉积法将CDs沉积在TiO2 NRs,制备得到了CDs/TiO2 NRs/FTO复合电极材料,以此拓展TiO2 NRs的可见光吸收能力,并降低光生电子空穴对的复合率。接着,通过交联剂将互补链DNA修饰到CDs/TiO2 NRs/FTO表面,再通过碱基互补配对原理与适配体杂交,适配体被固定在复合电极表面,制备得到了基于CDs/TiO2NRs/FTO光电化学适配体传感器。当加入PCB77时,由于适配体对PCB77的特异性作用远大于与互补DNA的杂交作用,导致适配体从电极表面分离,光电流增大。此时,在电解质溶液中存在的外切酶I对溶液中的适配体切割,使适配体-PCB77复合物中的PCB77被释放出来,循环参与识别反应,光电流进一步增大,起到了信号放大的目的。由此,构建光电化学适配体传感器可以实现对PCB77高灵敏、高选择性的定量检测,其线性范围为0.003-3 ng/L,检出限可达0.33 pg/L。(3)基于Ti-C3N4/ZnO纳米棒复合材料构筑的光电化学适配体传感器对PCB 72的检测首先,采用煅烧法合成Ti-C3N4。之后,通过制备种子层的方法在FTO电极上合成ZnO纳米棒(ZnO NRs),并通过水热法合成Ti-C3N4/ZnO NRs/FTO纳米复合材料,以此拓展ZnO NRs的可见光吸收能力,并降低光生电子空穴对的复合率。接着,通过交联剂将适配体修饰到Ti-C3N4/ZnO NRs/FTO表面,制备得到了基于Ti-C3N4/ZnO NRs/FTO光电化学适配体传感器。该传感器对PCB72的测定表现出良好的分析性能,其线性范围为1-500 ng/L,检出限可达0.21ng/L。
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