用于环境激素快速检测的新型纳米生物传感器

论文摘要

有机磷农药（OPs）是农业上应用非常广泛的害虫杀灭剂,其对生物体的神经系统具有强烈的抑制作用。人体长时间接触有机磷农药会导致体内乙酰胆碱酯酶（AChE）不可逆地失去活性,使其底物乙酰胆碱（一种神经递质）大量蓄积,进而导致一系列神经类疾病。因此快速灵敏地检测环境中的有机磷农药含量对于食品安全和人类健康尤为重要。基于乙酰胆碱酯酶的电化学生物传感器由于具备良好的选择性、灵敏性、低成本及以小型化等优点,而被广泛应用于有机磷农药残留量检测的相关研究中（基于酶抑制原理）。然而这类传感器一般需要较高的工作电位（700 mV）氧化酶促产物——硫代胆碱生成检测电流,在高电位下许多物质很容易发生氧化反应,如果一些杂质在此时发生了氧化将会产生噪音信号,影响传感器的选择性。因此,近年来大量研究致力于降低生物传感器的工作电位以提高其选择性。本研究构建了一种基于Nafion-多壁碳纳米管（MWNTs）复合材料的乙酰胆碱酯酶生物传感器。这种复合材料具有优良的电催化和酶固定性能,因此该生物传感器的工作电位可被有效较低,进而有效地提高生物传感器的选择性。同时该生物传感器还具有很好的灵敏度、稳定性和检测限。除此之外其制备方法非常简便,只需要两次滴涂干燥即可。首先将聚电解质Nafion作为MWNTs的分散介质,制备了具有良好分散性的Nafion-MWNTs复合物。然后以Nafion作为固定基质将AChE固定于Nafion-MWNTs/GCE表面,构建了一种AChE/nafion-MWNTs/GCE生物传感器,并对实验条件进行了优化。交流阻抗谱结果证明Nafion-MWNTs复合膜能够显著降低电极的电子转移阻抗（Rct）,并且能够有效地催化电化学探针。由于其优良的电催化性能,Nafion-MWNTs/GCE能够将巯基胆碱的氧化电位降至约300mV,并且显著地提高其氧化电流。计时电流表征结果证明AChE/Nafion-MWNTs/GCE能够在0.02mM1.1mM范围内快速且线性地响应底物——乙酰硫代胆碱,灵敏度为10.303nA·μM-1。计算得出,本实验中固定化乙酰胆碱酯酶的米氏常数为0.57mM。传感器制备条件及实验条件优化后,使用AChE/nafion-MWNTs/GCE传感器检测有机磷农药——对氧磷的含量。线性检测范围为10-1110-8g/mL,检测限为3×10-12g/mL,相对加样回收率为95%107%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 环境激素及其检测方法
• 1.1.1 有机磷农药
• 1.1.2 用于检测有机磷农药的方法
• 1.2 电化学酶生物传感器
• 1.2.1 酶生物传感器的研究进展
• 1.2.2 酶的固定化方法
• 1.2.3 应用于有机磷农药测定中的生物传感器
• 1.3 酶生物传感器中常用的纳米材料
• 1.3.1 碳纳米管
• 1.3.2 普鲁士蓝
• 1.4 常用的电化学表征方法
• 1.4.1 循环伏安法
• 1.4.2 电化学交流阻抗谱
• 1.4.3 计时电流法
• 1.5 本课题的研究意义和研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验仪器
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 玻碳电极的电化学清洁处理
• 2.3.2 Nafion-MWNTs复合物制备
• 2.3.3 AChE/Nafion-MWNTs/GCE制备
• 2.3.4 硫代胆碱的制备及浓度测定
• 2.3.5 固定化乙酰胆碱酯酶的活性检测
• 2.3.6 Nafion-MWNTs复合物形貌表征
• 2.3.7 实验中的电化学测试
• 2.3.8 氯化乙酰硫代胆碱标准曲线
• 2.3.9 固定化乙酰胆碱酯酶的米氏常数测定
• 2.3.10 传感器灵敏度测定
• 2.3.11 传感器准确性及重复性测定
• 2.3.12 有机磷农药检测
• 2.3.13 回收率测定
• 第3章 实验结果与分析
• 3.1 Nafion-MWNTs/GCE表征
• 3.1.1 Nafion-MWNTs复合物形貌表征
• 3.1.2 Nafion-MWNTs/GCE电化学行为表征
• 3.2 AChE/Nafion-MWNTs/GCE表征
• 3.2.1 乙酰胆碱酯酶的固定化表征结果
• 3.2.2 实验方案的可行性
• 3.2.3 实验条件优化
• 3.2.4 氯化乙酰硫代胆碱标准曲线测定
• 3.2.5 AChE/Nafion-MWNTs/GCE传感器准确性及重复性
• 3.3 对氧磷浓度测定
• 3.3.1 对氧磷抑制时间选定
• 3.3.2 对氧磷标准曲线测定
• 3.3.3 加样回收率测试
• 3.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢