基于磁性纳米粒子的电化学H2O2生物传感器的研究与应用

论文摘要

有机磷农药在防治农作物病虫草害及提高作物产量等方面具有见效快、适应性广、性质稳定等诸多优点,被广泛应用在农业生产中。然而,农药是一类有毒有害的化学品,且不易自然降解,农药残留引起的食品安全和环境污染问题也日趋严重,对人类生存环境和人体健康造成严重威胁。目前常规的农残检测方法（如气相色谱、液相色谱、气-质联用等）设备昂贵、操作繁琐,并且需要专业人员操作,不能用于现场检测。因此,研究有机磷农药残留量的快速灵敏检测方法具有重要意义。有机磷农药生物传感器不仅具有灵敏度高、选择性好的特点,而且成本低廉、操作简单、抗干扰能力强,适用于农残的快速检测,是当今农残分析领域的热点课题。本文利用金包覆普鲁士蓝磁性纳米粒子（Au@PBMNPs）及金包覆四氧化三铁磁性纳米粒子（Au@Fe3O4MNPs）,在磁性碳糊电极（MCPE）上固定辣根过氧化物酶（HRP）,利用PBMNPs、Fe3O4MNPs、HRP的协同催化作用,制备了一种电位型过氧化氢（H202）传感器。再利用H202传感器检测碱性磷酸酶（ALP）催化3-吲哚氧基磷酸酯（3-IP）水解所产生H202,进而根据有机磷农药对ALP的抑制作用,实现对有机磷农药的痕量分析。检测结果表明,所提出的有机磷农药检测方法简便快捷,检测下限较低,灵敏度高,在农残检测中有一定应用前景。论文主要有以下三部分：（1）碳糊电极在含有邻苯二胺反应体系中对H202的电位响应基于H202氧化邻苯二胺（OPD）生成2,3-二氨基吩嗪（DAP）反应,建立了一种电位法检测H202的新体系,研究了该体系中碳糊电极（CPEs）对H202的响应性能。在最优实验条件下,CPEs对H202的线性响应范围为3.53×10-6mol/L-6.38×10-2 mol/L,检测下限为1.91×10-6mol/L,工作曲线斜率为23.42mV/decade。结果表明,在所设计的新体系中,CPEs检测下限低、灵敏度高、线性范围较宽,电极一致性和重现性较好。与一般的电化学酶传感器相比,CPEs制备方法简单、性能稳定、原料成本低且易获得,具有较好的应用前景。（2）基于Au@Fe3O4MNPs、Au@PBMNPs及HRP的电位型H202传感器的制备为实现对有机磷农药的的快速检测,首先制备了快速检测H202的生物传感器。利用nanoAu分别将PBMNPs、Fe3O4MNPs包覆成性质更加稳定的Au@PBMNPs和Au@ Fe3O4MNPs,同时以静电引力及磁力将二者固定于MCPE表面,制备了一种快速检测H202的电化学生物传感器,利用PBMNPs、Fe3O4MNPs、HRP共同催化H202氧化OPD,从而实现痕量H202的快速检测。实验结果表明,该传感器对H202响应时间非常短（<2s）,线性响应范围为8.82×10-8～3.53×10-3mol/L,跨越6个数量级,检测下限达8.71×10-8mol/L,具有检测范围宽、下限低、响应迅速等优点,适合于痕量有机磷农药的快速检测。（3） HRP/Au@Fe3O4/Au@PB/MCPE在有机磷农药快速检测中的应用利用上述HRP/Au@Fe3O4/Au@PB/MCPE快速检测ALP催化3-IP水解产生的H2O2,基于有机磷农药对ALP催化活性的抑制作用,对溶液中对硫磷及氧化乐果进行痕量分析,其线性响应范围分别为8.58×10-6-1.56×10-3mol/L、1.88×10-6-1.50×10-3 mol/L,检测下限均可达10-6mol/L,实现了有机磷农药的快速痕量检测,具有较好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 农残危害及其检测方法
• 1.1.1 农药及农药残留
• 1.1.2 农药残留的危害
• 1.1.3 农药残留的检测方法
• 1.2 电化学生物传感器分类及其在农残检测中的应用
• 1.2.1 电化学生物传感器的分类
• 1.2.2 电化学酶生物传感器在农残传感器中的应用
• 1.2.3 过氧化氢传感器及其在农残检测中的应用
• 1.3 纳米材料及其在传感器制作中的应用
• 1.3.1 纳米材料及其特性
• 1.3.2 纳米材料在传感器制作中的应用
• 1.3.3 纳米金在生物传感器中的应用
• 1.3.4 纳米四氧化三铁在生物传感器中的应用
• 1.3.5 纳米普鲁士蓝在生物传感器中的应用
• 1.4 本论文工作的内容及意义
• 2O₂的电位响应'>2 碳糊电极在含有邻苯二胺反应体系中对H₂O₂的电位响应
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验原理
• 2.1.2 仪器与试剂
• 2.1.3 碳糊电极的制备
• 2.1.4 检测方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 pH对碳糊电极性能的影响
• 2.2.2 温度对碳糊电极性能的影响
• 2.2.3 碳糊电极的一致性及重现性
• 2.2.4 碳糊电极的选择性
• 2.2.5 碳糊电极的线性范围和检测限
• 2.3 小结
• 3O₄MNPs和HRP协同作用的H₂O₂传感器的研制'>3 基于Au@PBMNPs及Au@Fe₃O₄MNPs和HRP协同作用的H₂O₂传感器的研制
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验原理
• 3.1.2 仪器与试剂
• 3O₄MNPs及Au@Fe₃O₄ MNPs的制备'>3.1.3 Fe₃O₄MNPs及Au@Fe₃O₄MNPs的制备
• 3.1.4 PB MNPs及Au@PB MNPs的制备
• 3.1.5 磁性碳糊电极的制备
• 3.1.6 修饰电极的制备
• 3.1.7 检测方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 磁性纳米粒子的表征
• 3O₄/Au@PB/MCPE对H₂O₂的响应'>3.2.2 HRP/Au@Fe₃O₄/Au@PB/MCPE对H₂O₂的响应
• 3.3 传感器的性能
• 2O₂标准曲线的绘制'>3.3.1 检测H₂O₂标准曲线的绘制
• 3.3.2 传感器的寿命
• 3.3.3 传感器的一致性
• 3.3.4 传感器的选择性
• 3.4 小结
• 3O₄/Au@PB/MCPE在有机磷农药快速检测中的应用'>4 HRP/Au@Fe₃O₄/Au@PB/MCPE在有机磷农药快速检测中的应用
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验原理
• 4.1.2 仪器与试剂
• 4.1.3 检测方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 3-IP反应时间的确定
• 4.2.2 底物缓冲溶液pH的确定
• 4.2.3 ALP用量的确定
• 4.2.4 3-IP用量的确定
• 4.2.5 对硫磷最佳抑制时间的选择
• 4.2.6 检测对硫磷标准曲线的绘制
• 4.2.7 氧化乐果最佳抑制时间的选择
• 4.2.8 检测氧化乐果标准曲线的绘制
• 4.3 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢