rGO-TEPA/铜纳米线修饰乙酰胆碱酯酶生物传感器的研究

摘要

有机磷农药在预防农作物病虫害，提高农作物产量方面发挥了不可忽视的作用。但是有机磷农药的大量使用使其在环境污染，食品安全，人类身体健康方面产生负面影响。因此，建立一种简单，快速，灵敏，准确度高的有机磷农药检测方法一直是研究者们努力的方向。近年来，纳米科技技术发展迅猛，基于纳米材料（Cu NWs、rGO-TEPA）的出色性能构建的生物传感器由于具有响应时间短、成本低等优点，为农药残留的现场实时检测提供了一种简单、快速、准确且有效的方法。 本论文基于以上研究背景，利用简易的湿化学法合成了铜纳米线（Cu NWs），基于还原性氧化石墨烯四乙烯五氨（rGO-TEPA）,Cu NWs结合壳聚糖（CS）、戊二醛构建了乙酰胆碱酯酶（acetylcholinesterase，AChE）生物传感器。具有褶皱形态的rGO-TEPA与纤细的Cu NWs的相互交联作用所形成的纳米复合材料为负载乙酰胆碱酯酶提供了巨大比表面积。rGO-TEPA与Cu NWs的协同作用显著提高了AChE传感器的灵敏度。壳聚糖具有较好的生物相容性，其与戊二醛的相互交联作用将乙酰胆碱酯酶牢固的固定在电极表面。Cu NWs体现了对硫代化合物良好的催化效果，并实现了对氯化硫代胆碱（acetylcholine chloride，ATCl）的低电位氧化。文论文围绕rGO-TEPA-Cu NWs纳米复合材料的制备，表征以及构建的AChE传感器的性能、应用进行了研究，所取得结果主要如下： （1）通过简单可控的湿化学法成功制备Cu NWs，对所制备的Cu NWs通过SEM表征手段进行表征，结果表明，Cu NWs粒径分布均匀，并具有较大的比表面积。通过EDX对rGO-TEPA-Cu NWs纳米复合材料进行元素分析，结果显示，EDX图谱上的Cu N O C元素分别来自Cu NWs和rGO-TEPA。 （2）分别采用循环伏安法（CV）、差分脉冲伏安法(DPV）对乙酰胆碱酯酶生物传感器的电化学行为进行了研究。结果表明，氧化段0.3V左右的氧化峰的出现是水解产物硫代胆碱在电极的激发下产生的氧化电流响应。 （3）采用循环伏安法(CV）对乙酰胆碱酯酶生物传感器检测底物氯化硫代胆碱（ATCl）进行电化学行为的研究。可以观察到由于rGO-TEPA与Cu NWs之间的协同作用所增强的电化学性能。 （4）分别采用循环伏安法(CV）和交流阻抗法（EIS）对构建的AChE传感器的构建过程进行表征。结果表明，传感器的电极构建过程成功，rGO-TEPA-Cu NWs纳米复合材料极大的增加了电子的传递速率，AChE的成功固定阻碍了电子传递也增大了电阻。 （5）采用脉冲伏安法（DPV）对实验条件进行了优化，经过优化，将实验条件分别确定为rGO-TEPA与Cu NWs比例为2∶1；纳米复合材料的修饰量为6μL；缓冲液的pH为7.4；乙酰胆碱酯酶的修饰量为0.3U；ATCl的浓度为2mM；传感器在马拉硫磷中的孵育时间为10分钟。为了优化每个参数，所有其他参数在其最佳条件下操作。 （6）将马拉硫磷作为检测目标，在优化后的实验条件下对马拉硫磷实现检测。AChE传感器对马拉硫磷检测的线性范围为0.01ng/mL～100ng/mL,检测限为0.01ng/mL。 （7）采用DPV对AChE传感器抗干扰性进行测试。结果表明，AChE传感器对无机盐离子CO32-；PO43-；NO3-以及金属离子铜离子，葡萄糖；多巴胺；尿酸以及抗坏血酸等表现出了较好的抗干扰性。同时该传感器具有较好的稳定性和重复性。 综上所述，该传感器有潜力成为有机磷检测的有效平台。

目录

缩略词表

第一章 绪论

1 农药残留的概述

2有机磷农药常用的检测方法

2.1气相色谱法

2.2气相色谱-质谱技术

2.3高效液相色谱法

2.4酶联免疫分析法

2.5电化学生物传感器

3电化学生物传感器简介

3.1电化学生物传感器的基本原理

3.2电化学生物传感器分类

4酶传感器的研究简介

4.1酶催化型农残检测电化学传感器的研究现状

4.2酶抑制型农残检测电化学传感器研究现状

5 AChE传感器简介

5.1 AChE传感器的检测机理

5.2 AChE的研究介绍

5.3酶的固定化方法

6纳米材料构建的电化学生物传感器在农残检测中的应用

6.2石墨烯类以其衍生物在电化学传感器中的应用

6.3 铜纳米线材料在农残检测生物传感器中的应用

7电化学的分析方法

7.1循环伏安法

7.2脉冲伏安法

7.3计时电流法

7.4电化学阻抗法

8研究的目的、意义以及主要内容

8.1研究目的及意义

8.2研究的主要内容

9本研究技术路线

10 本研究解决的关键问题

第二章材料与方法

1实验材料与试验试剂

1.1试剂与仪器

1.2主要溶液的配制

2材料的制备与表征

2.1 Cu NWs的合成与制备

2.2材料的表征

3乙酰胆碱酯酶生物传感器的制备

4传感器的工作原理

5乙酰胆碱酯酶生物传感器的电化学检测

6实际样品的前处理

第三章实验结果与分析

1 rGO-TEPA和Cu NWs表征分析

1.1rGO-TEPA和Cu NWs SEM 表征分析

1.2rGO-TEPA-Cu NWs复合材料 EDX表征分析

2 Cu NWs的电化学行为研究

3传感器构建过程的电化学表征

3.1乙酰胆碱酯酶生物传感器电极构建过程的循环伏安法表征

3.2乙酰胆碱酯酶生物传感器电化学阻抗法表征

4乙酰胆碱酯酶生物传感器的电化学行为研究

5乙酰胆碱酯酶生物传感器对ATCl的功能验证

6实验检测条件的优化

6.1 rGO-TEPA-Cu NWs比例的优化

6.2 rGO-TEPA-Cu NWs复合材料加载量的优化

6.3 磷酸盐缓冲液的pH优化

6.4 AChE加载量的优化

6.5 ATCl浓度的优化

6.6 马拉硫磷孵育时间的优化

7乙酰胆碱酯酶生物传感器对马拉硫磷的检测

8乙酰胆碱酯酶生物传感器的重复性和稳定性

9乙酰胆碱酯酶生物传感器的抗干扰性

10 AChE传感器对实际样品的检测

11 AChE-CS-glutaraldehyd/rGO-TEPA-Cu NWs/GCE与其他AChE传感器的比较

第四章结论与展望

1结论

2展望

参考文献

致谢

在校期间科研成果

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