高灵敏功能性生物传感器检测城市生活垃圾堆肥中污染物及特征物质的研究

摘要

本文考察了高灵敏生物传感器应用于城市生活垃圾堆肥复杂系统中污染物和特征物质检测的可行性和机制研究。结合目前已经完成的工作讨论了基于免疫分析的免疫传感器、基于寡聚核苷酸技术的DNA传感器和汞传感器，以及人工神经网络结合酶生物传感器检测堆肥系统中目标物的研究情况。重金属和有机污染物在堆肥处理的城市生活垃圾中很普遍，重金属（不能生物降解）和有机污染物尤其是难降解的持久性有机污染物，因为具有累积和富集的效应，即便浓度很低，也有可能给环境和人体带来严重危害。这类物质需要格外关注和严格监控，但由于城市生活垃圾来源广泛，使得堆肥系统成分构成复杂，具有不确定性；同时堆肥化体系反应复杂，给监测造成了巨大难度。使用传统监测方法，操作繁琐，在多种物质共存的条件下易受干扰，影响检测的精度和准确性，难以满足精确高效的现代监测技术的发展需求。生物传感器和在线检测策略是环境检测领域近年的研究热点。将生物传感器技术和在线检测技术应用于堆肥系统的监控领域，结合神经网络以及现代新型材料，开展用于检测环境污染物和生物大分子的生物传感检测研究，建立高灵敏、高选择性的新型动态分析检测和无损检测方法以及多元参数的检测监视方法，从而实现城市生活垃圾堆肥研究中的一项关键技术,提高堆肥过程监控。为环境科学与工程中的实际问题的解决提供新的科学工具。本研究主要内容包括：
　　⑴基于免疫反应，开发适用于检测堆肥中有机污染物的免疫传感器。以除草剂毒莠为代表，将这类小分子半抗原与牛血清蛋白结合，合成既有免疫原性又有反应原性的完全抗原，进而注射入活兔体内进行免疫培养，制备出高效价的毒莠定免疫抗体。采用竞争式的检测策略，利用顺磁性将负载有毒莠定免疫抗体的核-壳磁性纳米颗粒将固定在碳糊电极表面，在漆酶标记的毒莠定浓度固定的情况下，根据与不同浓度毒莠定竞争发生免疫反应，形成电化学信号变化，开发出一种高灵敏的电化学免疫传感器。在优化条件下进行I-t扫描，I-t响应电流的平均下降比DP（％）与待测毒莠定浓度的自然对数成线性关系，检测下限为1×10-4μg/mL，线性范围为1×10-4～10μg/mL，相关系数为0.9945，并用于堆肥体系和湘江水样中的毒莠定检测。基于脂质体包埋荧光素，研制出一种超灵敏的荧光免疫传感器用于堆肥体系和城市污水处理厂水样中的毒莠定检测。将 FITC荧光素包埋在标记了毒莠定抗体的脂质体内。使用醛基功能化的玻片分别连续与毒莠定、脂质体标记的毒莠定免疫抗体反应。反应完成后，溶解脂质体释放FITC，并检测FITC的荧光强度。荧光强度和毒莠定浓度的对数呈线性关系，浓度的线性范围为1×10-4～100 ng/mL，相关系数0.996，检测下限达到1×10-5 ng/mL（S/N=3）。
　　⑵利用环境功能性物质，结合新型纳米材料和生物分子材料，构建高灵敏生物传感检测体系测定目标物的研究。利用木质素过氧化物酶（LiP）的特异性保守 DNA序列互补的DNA片段制备构建可识别堆肥中LiP的DNA保守序列的电化学DNA传感器。在堆肥处理城市生活垃圾过程中，微生物分泌的LiP被认为是启动微生物降解木质素的一种关键酶。通过检测LiP特定编码基因片段能够有效表征微生物降解木质素过程中LiP的动态变化情况。使用MNPs-Cys/MWCNTs-GNPs/Chi功能化电极，并构建基于酶联放大的竞争式基因杂交反应电化学传感体系。在优化条件下测定HRP催化的电化学氧化还原电流。I-t响应电流平均下降比和LiP目标链浓度的自然对数呈线性关系，浓度的线性范围为0.001～1μM，相关系数0.994，检测下限1 nM，灵敏度为2.707×103 mA/M cm。基于Hg2+可以与DNA上胸腺嘧啶（T）特异性绑定的协调化学作用，进而形成T-Hg2+-T错配的双链DNA构型的性质，使用富含胸腺嘧啶（T）的DNA探针开发新型汞传感器用于堆肥样品监测。开发了一种基于汞特异性 DNA、3D纳米金簇和阴离子嵌入剂构建的电化学生物传感器进行堆肥浸出液等环境样品中的痕量汞的检测识别。在电极表面电沉积3D金纳米簇，并运用阴离子嵌入剂——2,6-蒽醌二磺酸钠（AQDS），显著改善了传感器的检测性能，并在环境样品的Hg2+检测中表现出了良好的效果。该传感器具有较强的环境适应性、良好的选择性、灵敏性以及再生能力。优化条件下进行SWV检测，在浓度范围0.05～350 nM，峰电流响应与 Hg2+浓度的对数呈线性相关，相关系数为0.9952，检测下限为0.01 nM。开发了一种基于石墨烯、纳米金以及功能化策略的超灵敏Hg2+检测方法，在玻碳电极表面依次电沉积上石墨烯和纳米金，再自组装修饰上汞特异性 DNA探针，配合亚甲基蓝标记的纳米金信号放大策略构建了一个超灵敏的电化学汞传感器。优化条件下，在浓度范围1.0 aM～100 nM，峰电流响应与Hg2+浓度的对数呈线性相关，检测下限达到0.001 aM。
　　⑶运用不同的功能化电极以及纳米金信号放大策略构建电化学传感器，进行电化学传感策略检测性能影响的机制研究，以便更有效地开发适用于堆肥复杂体系中目标物检测的电化学传感策略。分别使用纳米金功能化电极、金纳米簇功能化电极、碳纳米管-纳米金功能化电极、石墨烯-纳米金功能化电极，选取亚甲基蓝作为电化学信号指示剂，搭配纳米金信号放大策略构建电化学传感器检测相同的目标物。实验结果表明，纳米金载体信号放大策略对电化学检测性能具有一定的提升作用（效能约为30%），但是不同的功能化电极能够表现对电化学检测性能出更加显著的影响力（效能超过70%）。
　　⑷结合人工神经网络（ANN），复杂环境体系中定量检测有机污染物的数据分析研究。基于核-壳磁性纳米粒子在电极表面固定漆酶的生物传感器，拓展构建了ANN模型与漆酶生物传感器检测系统快速、低成本定量分析堆肥浸出液中的对苯二酚含量。该检测系统不仅继承了生物传感器快速、简便，灵敏的优势，还能有效避免检测范围限制、信号重叠和干扰等影响，实现复杂环境污染物体系的快速准确检测。相比于直接使用漆酶生物传感器检测堆肥中对苯二酚，该检测系统利用非线性检测和ANN模型的预测能力，不仅将检测范围扩大到1.5×10-8 M~3.6×10-4 M，优于已知的对苯二酚传感器，而且提升了检测精度，为开发可应用于复杂环境中污染物的高效在线检测系统奠定基础。进行堆肥中污染物及特征物质的在线检测高灵敏传感器技术的研究，能够为应用传感器技术进行堆肥过程控制和堆肥产品安全监测提供理论基础和技术支持。开发高灵敏功能性生物传感器作为一种监测手段用于堆肥中污染物及特征物质的在线检测，具有良好的可行性，能够有效避免干扰进行目标物特异性的检测，并具有良好的检测精度，是一种极具发展潜力的符合现代技术要求的新型监测方法。

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第1章 绪 言

1.1 前瞻

1.2 堆肥与化学污染

1.3 环境检测分析涉及的功能性物质

1.4 生物传感器

1.5 本文构想

第2章 基于免疫传感器检测痕量持久性有机污染物的研究

2.1 前言

2.2 制备毒莠定免疫抗体

2.3 基于磁性核-壳纳米粒子固定的易再生高灵敏毒莠定免疫传感器的研究

2.4 基于脂质体包埋荧光素检测毒莠定的超灵敏荧光免疫传感器的研究

第3章 环境功能性物质生物传感器的研究

3.1 前言

3.2 基于顺磁性固定技术的LiP基因片段电化学生物传感器的研究

3.3 基于3D金纳米簇固定富含胸腺嘧啶的基因片段检测Hg离子的生物传感器的研究

3.4 基于电沉积石墨烯-纳米金修饰电极以及纳米金信号放大策略的痕量汞检测生物传感器的研究

第4章 功能化电极与信号放大策略影响电化学传感器检测性能的机制研究

4.1 前言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 小结

第5章 基于神经网络预测模型和生物传感器定量分析堆肥中对苯二酚的研究

5.1 前言

5.2 实验部分

5.3 结果与讨论

5.4 小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文目录

附录B 攻读学位期间参与的研究课题

附录C 攻读学位期间申请的专利