新型传感界面构建及其在农药分子检测和生物活性研究中的应用

摘要

农药在为农业生产提供保障的同时其残留物也对环境和人类健康造成危害，这就对当前农药研究提出了两方面的研究课题：一方面，发展快速、可靠的农药分析检测方法保障食品安全和品质；另一方面，开发高效、低毒、低残留的农药新品种，从源头上降低农药残留带来的副作用。将靶标蛋白与底物结合的高选择性和分子识别能力与电化学检测的灵敏、快速等特点结合，成为研究高效、便捷的农药分析检测新方法的发展趋势。利用靶标蛋白与底物的分子识别能力建立抑制剂离体生物活性分析方法，同样对实现新型农药候选化合物的初期筛选和先导结构化合物验证具有重要意义。无论是农残检测还是药物筛选，界面构建和生物大分子的固定是影响传感分析信号灵敏度和稳定性的关键因素。本文利用电化学和表面等离子体共振技术，以乙酰胆碱酯酶（ACHE）和D1蛋白酶（CtpA）为靶标蛋白构建了几种生物兼容的界面，围绕发展基于靶标蛋白分子识别的农药分子检测和生物活性研究新方法这一中心，开展了以下几个方面的工作： 1.多壁碳纳米管-壳聚糖-乙酰胆碱酯酶复合界面的构建及其与底物的分子识别利用戊二醛作为交联剂将AChE固定在壳聚糖与多壁碳纳米管组成的复合界面上。壳聚糖作为载体固定酶，为AChE提供一个理想的微观环境以保持酶的活性，碳纳米管的引入能有效降低酶催化产物硫代胆碱在电极上的氧化电位。固载的AChE能快速灵敏的催化溶液中的底物氯化乙酰硫代胆碱（ATC1），定量检测ATC1在2.0-20.0μM和20.0-400.0μM两个浓度区间内与电流响应有良好线性关系，AChE的表观米氏常数为132μM。该方法重现性好、灵敏度高、响应迅速、稳定可靠，有望为酶抑制剂的检测提供一个经济、便利的检测方法。 2.构建多壁碳纳米管-交联壳聚糖-乙酰胆碱酯酶复合界面用于杀虫剂检测及生物活性分析以多壁碳纳米管交联壳聚糖复合膜固定AChE，采用竞争结合方法，分析溶液中的杀虫剂与ATC1竞争结合表面固定的酶。电化学信号的降低与杀虫剂三唑磷的浓度在0.03-7.8μM和7.8-32.0μM浓度范围内呈现良好线性，并定性分析比较了西维因、马拉硫磷、乐果对AChE的抑制效果，建立了基于AChE抑制的农药药效快速分析电化学方法。改变表面同载的靶标酶蛋白，可用于其它酶底物或模拟底物水解产物具有电化学活性的酶抑制剂的活性比较。 3.银纳米粒子-生物素复合界面固定乙酰胆碱酯酶检测有机磷农药 将自主合成的biotin-聚醚链-硫辛酸与11-巯基-1-十一醇混合组装于金电极表面，以avidin作为桥接将biotin衍生化的乙酰胆碱酯酶（AChE）固定于表面，银纳米通过与avidin之间的静电引力结合，进而形成银纳米粒子-avidin-AChE复合界面。以ATC1为底物，根据氧化峰电流的减少，检测到乐果在0.05.10.0μM浓度范围内与酶抑制率呈线性关系，线性拟合的相关系数分别0.9983，检测限为0.01μM。 4.金纳米粒子标记的氨基甲酸酯与乙酰胆碱酯酶相互作用的表面等离子体共振研究 AChE通过共价键固定在11-巯基-1-十一酸的自组装膜上，将本课题组设计合成的两种抑制剂先导化合物（HY1和HY2）通过硫金键固定于金纳米粒子表面实现标记（记作ALC1和ALC2）。AChE与抑制剂之间的相互作用会引起表面等离子体（SPR）信号的变化，金纳米特殊的光学性质放大SPR检测信号，提高检测灵敏度，得到AChE与HY1、HY2的结合动力学数据：结合速率常数（Ka）分别为1.46×105（Ms）-1和7.73×104（Ms）-1，解离速率常数（Kd）分别为4.66×10-2s-1和1.21×10-1s-1，计算得到亲合常数（KA）分别为3.13×106和6.39×105M-1。此体系结合竞争模式可以实现其它小分子农药类似物的免标记活性比较分析。 5.芯片表面原位形成金纳米粒子放大表面等离子体共振信号检测酶抑制剂 固定反应时间，SPR信号与AChE的活性有对应关系，根据酶活性的抑制程度建立了有机磷农药三唑磷的高灵敏检测方法，在0.5-14.0μM浓度范围内，三唑磷浓度与SPR信号呈线性关系，检测限为0.05μM。在这个体系中，无论是酶、底物还是分析物都无需标记和固定，反应在溶液中进行，为农药检测提供了一种简单、无标记、实时、灵敏的检测方法。 6.D1蛋白酶与二茂铁标记24肽相互作用的电化学检测及抑制剂活性分析 利用一步沉积法将氯金酸还原成金纳米原位沉积于电极表面构成金纳米-壳聚糖的复合界面固定CtpA。二茂铁（Fc）标记的24肽作为底物，通过与界面固定的CtpA相互作用结合到电极表面。结果表明，溶液中的Fc-24P在2.0-65.0μM的浓度范围内与电流响应呈现良好线性，通过测量小分子抑制剂与Fc-24P对D1蛋白酶的竞争反应，对三种CtpA抑制剂先导化合物HY1、HY2和NA1进行了生物活性分析。 7.D1蛋白酶与金纳米粒子标记24肽相互作用动力学的表面等离子体共振研究及其应用 金片表面修饰生成羧基化葡聚糖界面后将羧基活化，利用酰胺键将CtpA固定在芯片上。利用SPR技术研究金纳米标记的24肽与表面固定的CtpA相互作用，得到动力学数据Ka=3.08×102（Ms）-1，Kd=6.24×10-3s-1。当溶液中有酶的抑制剂存在时，抑制剂与底物竞争性结合界面固定的CtpA。选取竞争性拟合模型拟合了抑制剂存在条件下的SPR数据，获得了抑制剂与酶的结合速率常数、解离速率常数及亲合常数等动力学数据，为实现D1蛋白酶抑制剂的生物活性筛选提供了新方法。

目录

文摘

英文文摘

声明

本论文的主要创新点

第一章绪论

§1.1分子识别

1.1.1分子识别中主要的相互作用力

1.1.2界面分子识别

§1.2分子识别的检测方法

1.2.1电化学方法

1.2.2表面等离子体共振技术(SPR)

§1.3分子识别研究的核心——界面构建

1.3.1自组装膜界面

1.3.2溶胶-凝胶界面

1.3.3聚合物界面

§1.4分子识别检测中的信号放大策略

1.4.1纳米材料放大信号

1.4.2生物分子结合放人信号

1.4.3生物催化产生沉淀放人信号

§1.5基于靶标酶分子识别的抑制剂检测

1.5.1基于靶标酶分子识别的抑制剂作用机制

1.5.2基于靶标酶分子识别的抑制剂分析方法

1.5.3基丁靶标酶分子识别的抑制剂检测发展前景

§1.6基于靶标酶分子识别的药物活性筛选研究

1.6.1药物筛选

1.6.2基于靶标酶分子识别的药物筛选

§1.7论文设计思想与预期目标

参考文献

第二章 多壁碳纳米管-壳聚糖-乙酰胆碱酯酶复合界面构建及其与底物的分子识别

§2.1前言

§2.2实验部分

2.2.1药品及仪器

2.2.2玻碳电极(GCE)预处理

2.2.3 MWNTs的活化

2.2.4电极界面构建及酶的表面固载

2.2.5电化学监测AChE与底物ATCI的识别催化

§2.3结果与讨论

2.3.1表面亲水性研究

2.3.2衰减全反射-傅里叶转换红外光谱(ATR-FTIR)表征界面

2.3.3 ACHE-CMC修饰电极的电化学行为

2.3.4 AChE表面固载条件的优化

2.3.5溶液pH值对界面酶与底物识别响应的影响

2.3.6AChE与ATCl识别的安培响应检测

2.3.7识别检测的重现性和界面的稳定性

2.3.8识别研究的应用展望

§2.4结论

参考文献

第三章 构建多壁碳纳米管-交联壳聚糖-乙酰胆碱酯酶复合界面用于杀虫剂检测及生物活性分析

§3.1前言

§3.2实验部分

3.2.1药品及仪器

3.2.2 AChE修饰电极的制备

3.2.3电化学分析过程

3.2.4酶的复活

§3.3结果与讨论

3.3.1原子力显微镜表征

3.3.2抑制时间的影响

3.3.3抑制剂三唑磷的定量检测

3.3.4农药活性比较

3.3.5 AChE的复活

§3.4结论

参考文献

第四章 银纳米粒子-生物素复合界面固定乙酰胆碱酯酶检测有机磷农药

§4.1前言

§4.2实验部分

4.2.1药品及仪器

4.2.2银胶纳米的制备

4.2.3金电极上复合界面的构建

4.2.4电化学表征和检测

§4.3结果与讨论

4.3.1 ATR-FTIR表征BPT自组装膜

4.3.2 SPR跟踪生物特异性相互作用固定AChE的过程

4.3.3原子力显微镜表征

4.3.4修饰电极的电化学行为

4.3.5有机磷农药乐果的检测

4.3.6修饰电极的重现性和稳定性

§4.4结论

参考文献

第五章 金纳米粒子标记的氨基甲酸醢与乙酰胆碱酯酶相互作用的表面等离子体共振研究

§5.1前言

§5.2实验部分

5.2.1药品及仪器

5.2.2金纳米的制备及标记

5.2.3电化学表征

5.2.4 SPR实时跟踪AChE修饰芯片的制备及分子识别过程

§5.3结果与讨论

5.3.1 UV-vis表征纳米金胶及其标记的氨基甲酸酯类化合物

5.3.2修饰芯片的接触角和电化学表征

5.3.3 SPR评价AChE与金纳米标记化合物的相互作用

5.3.4 AuNPs增强SPR信号检测抑制剂

§5.4结论及展望

参考文献

第六章原位形成金纳米粒子放大表面等离子体共振信号检测酶抑制剂

§6.1前言

§6.2实验部分

6.2.1药品及仪器

6.2.2电化学表征

6.2.3 SPR实时检测AChE催化金纳米生成及抑制剂检测

§6.3结果与讨论

6.3.1扫描电子显微镜(SEM)表征

6.3.2 SPR跟踪金纳米的催化生长过程

6.3.3电化学表征

6.3.3催化条件的优化

6.3.4 AChE抑制剂的检测

§6.4结论

参考文献

第七章 D1蛋白酶与二茂铁标记24肽相互作用的电化学检测及抑制剂活性分析

§7.1前言

§7.2实验部分

7.2.1药晶及仪器

7.2.2 CtpA-Cs—GNPs／Au修饰电极的制备

7.2.3二茂铁标记24肽(Fe-24P)

7.2.4电化学表征和检测

§7.3结果与讨论

7.3.1电极预处理

7.3.2 SEM表征

7.3.3电化学表征

7.3.4二茂铁标记24肽的紫外检测

7.3.5实验条件的优化

7.3.6抑制剂抑制活性比较

§7.4结论

参考文献

第八章 D1蛋白酶与金纳米粒子标记24肽相互作用动力学的表面等离子体共振分析及其应用

§8.1前言

8.1.1 SPR数据采集

8.1.2 SPR数据处理

8.1.3研究背景

8.1.4工作思路

§8.2实验部分

8.2.1药品及仪器

8.2.2界面构建同定蛋白酶

8.2.3金纳米标记24肽(AuNPs-24P)

8.2.4 CtpA与AuNPs-24P／inhibitor相互作用的SPR监测

§8.3结果与讨论

8.3.1接触角表征

8.3.2 FTlR表征

8.3.3 SPR跟踪表面活化、CtpA的固定及与底物的相互作用

8.3.4 CtpA与底物相互作用的动力学研究

8.3.5抑制剂存在条件下的竞争动力学研究

§8.4结论

参考文献

发表和待发表的论文

致谢