比色可见传感芯片的设计及其微痕量检测应用研究

摘要

小分子分析物的检测、分析是现代分析化学领域的热门研究方向之一。这类分析物广泛分布在生化、环境、食品样本中，尽管结构简单，却发挥着不可替代的作用，与药物设计与评价、临床检测与治疗、环境污染与治理以及食品安全监管都有着密不可分的联系。例如，生物代谢物中的氨基酸、脂肪酸和小分子RNA直接反映了机体的生理功能变化，是临床疾病监测的重要标志物；人体呼出气体中的挥发性有机物，间接反映了组织的健康状态，其含量与组成可以作为癌症早期筛查、诊断的重要参考指标；一定含量的重金属离子可以参与机体多种代谢活动，维持生理稳态与健康，但生活环境中的重金属的超标，可经食物链进入人体循环体统，诱发多种疾病甚至癌症；而食品中过量的抗生素残留会破坏微生物生长平衡，导致人体免疫机能衰退，产生不可忽视的病理影响。因此，建立快速有效、准确可靠的方法分析、检测小分子分析物具有重要的理论与实际应用价值。
　　依赖于大型设备的检测技术成本花费较高，精密仪器操作复杂，需要专业人员，难以达到大范围普及，无法实现便捷、快速、实时检测。与此同时，小分子分析样本中通常伴有大量干扰物质，检测前必须尽量除去干扰物，高效的样品前处理技术也是现代大型检测设备所面临的巨大难题。近年来，基于传感技术的检测方法如“电子鼻”和“电子舌”为混合分析物的快速、便捷检测提供了新思路。与传统的单组份分析不同，这种方法将复杂混合对象看做整体，通过综合的传感信号输出完成鉴别分析，速度快、效率高。其缺点在于需要复杂的后期数据处理和模式识别技术获取有效信息，且由于缺乏精确的化学识别能力，常常无法克服结构相似组分的信号重叠问题。比色阵列传感器的出现为这一问题提供了解决方案。通过模拟哺乳动物的鼻、舌系统，它们可以结合单个阵列点的独立信号，组合成对给定检测物在液相或气相条件下的特殊响应信号，从而达到模式识别，并给出独一无二的“指纹图谱”。这一检测技术的不断发展有望为小分子分析物的高效、快速、实时检测带来重要突破。本文针对小分子分析物识别鉴定所面临的成本高、灵敏度低、选择性差等缺点，选择了VOCs和重金属离子为研究对象，设计了个体化的比色传感检测芯片，显著提升了检测性能。主要研究工作包括如下几个方面：
　　（1）以PVDF膜为基底材料，基于交叉反应机制开发了醛类气体比色传感阵列芯片，可以区分低浓度的9种醛和16种潜在肺癌相关挥发性有机化合物。该芯片与前人报道相比，对醛类气体响应提高约10倍，且在干扰物存在下对40 ppb和10 ppm的低浓度标志物气体表现出良好的选择性。分层聚类分析（HCA）和判别分析（DA）验证了传感芯片对结构相似醛类气体的优异辨别能力。此外，芯片可以有效检测低浓度甲醛气体，线性范围在10 ppb到150 ppm之间，检测限低至8.2 ppb。
　　（2）针对醛、酯、酸、醇类气体设计的比色传感芯片，可以区分12种高酒精度白酒基酒和15种不同口感、风味的中国白酒。通过GC-MS分析和因子分析法，确定了分属四类化合物的17种挥发性有机化合物可作为气体标志物。由此设计的特异性比色传感阵列芯片，集成了对不同类型挥发性标记物的选择性与灵敏度。使用化学计量学和统计学方法对酒样进行鉴别，结果表明可通过芯片颜色变化实现多种高酒精度基酒或相同风味类型市售白酒的区分。与依赖于非特异性相互作用的广谱性比色芯片相比，其响应性和选择性显著提高。比色阵列芯片对白酒的识别与酒体中的特征风味化合物（酯、醛和酸）和酒精浓密切相关。
　　（3）制备了一种简单、便宜、高效的功能滤纸芯片，可以选择性吸附和检测Cu2+。使用纤维素滤纸作为基底，将TiO2功能涂层修饰在纤维素表面，使用N-[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基]乙二胺改性后特异性结合Cu2+。在优化条件下，功能试纸芯片可以高效吸附Cu2+，用铜试剂作为显色剂，得到了高灵敏度的比色响应。铜离子浓度与比色响应信号（B值）在动态吸附条件下呈指数线性相关，线性范围为33.6 nM至39.8μM，检测限约为33.6 nM。微波加热可以进一步提高检测性能，降低反应时间至20 min，线性范围在16.2 nM至0.98 mM之间，最低检测限低至16.8 nM。
　　（4）亲/疏水改性的功能试纸加载纳米复合染料后，制作的比色芯片可以在纸基材料表面完成染料置换反应检测镍离子。将锌试剂zincon掺入中空ZnSiO3纳米微球用作混合离子载体，由于与离子载体中Zn2+的竞争、置换，连续加入Ni2+后，溶液原始蓝色衰减，使用Na2-EDTA作为掩蔽剂可以进一步提高选择性。检测溶液加载到TiO2和甲硅烷基化试剂相继改性的纤维素滤纸，制造出了可以裸眼检测Ni2+的比色传感芯片。在优化条件下，溶液系统的检测限达到35.6 nM，线性范围为32 nM至9.2 mM。功能滤纸芯片的检测限为83 nM，线性范围在78nM和76μM之间，裸眼检出限低至0.1μM。
　　（5）在纸基芯片表面功能化改性加载AuNPs，所设计比色传感芯片可以通过纳米金蚀刻原理高效检测Pb2+。纤维素滤纸进行TiO2功能改性后，相继进行-NH2和-SH基团的装饰，功能基团增强了与壳聚糖包覆AuNPs的结合能力。在优化检测条件下，芯片与Pb2+溶液反应后显示出明显的颜色变化，对潜在干扰物有良好的选择性。比色响应信号（ΔG）与Pb2+浓度在4nM至0.78μM范围内线性相关，检测限低至4 nM（3δ）。
　　（6）亲/疏水改性的功能试修饰-NH2和-SH基团后加载AuNPs，可进一步提升固定化效果，实现了芯片表面纳米金蚀刻原理高效水溶性样本中Fe3+。优化制备和检测条件后，传感芯片在Fe3+浓度范围为1.0至37μM时与比色响应信号（G）线性关系良好（R2>0.98），以3σ计算的检测限为0.85μM，对多种干扰离子表现出良好选择性。

目录

1 绪 论

1.1常见小分子分析物

1.2小分子的传感检测技术

1.3研究现状与本文研究目的

2 醛类比色可见传感芯片的设计

2.1 实验部分

2.2 结果与讨论

2.3 本章小结

3 白酒鉴别比色传感阵列芯片的设计

3.1 实验部分

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

4功能纸基吸附检测芯片的设计

4.1 实验部分

4.2 结果与讨论

4.3 本章小结

5亲/疏水纸基染料置换反应芯片的设计

5.1 实验部分

5.2 结果与讨论

5.3 本章小结

6功能纸基AuNPs蚀刻比色芯片的设计

6.1实验部分

6.2 结果与讨论

6.3 本章小结

7亲/疏水纸基AuNPs蚀刻比色芯片的设计

7.1实验部分

7.2 结果与讨论

7.3 本章小结

8 总结与展望

8.1 主要结论

8.2 展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读博士学位期间申请的专利目录