基于纳米复合材料的电化学传感器检测堆肥中酚类物质及木质素功能基因研究

摘要

堆肥法是目前有机固体废物资源化的一种有效处理方法。在堆肥系统中，各种有机固体废物中含有不少酚类污染物，微生物降解多环芳烃的过程中还会产生对苯二酚和邻苯二酚两种中间产物。木质素是一种堆肥过程中大量存在且难以降解的芳香族化合物，锰过氧化物酶(MnP)和纤维二糖脱氢酶(CDH)在微生物降解木质素的过程中其中起了关键性作用。电化学生物传感器以其操作简单、选响应快速、选择性好、灵敏度高、成本低廉等特点在环境、生物、医药及食品工程等领域受到广泛关注。将纳米材料独特的导电性、催化活性及生物相容性与生物分子高度的催化能力和特异性识别能力结合起来，构建功能化的复合电极界面，为堆肥环境中污染物及其功能基因的分析检测提供了一个新的技术平台，对堆肥过程控制及环境监测具有十分重要的意义。
　　本文以堆肥环境体系为研究对象，探讨了基于碳纳米管、石墨烯、金、铂等纳米复合材料的制备及功能化方法，合成并表征了多种水溶性纳米材料，研究了它们的电化学性质并将其应用于生物传感界面的修饰。通过酶、核酸探针等生物分子在电极上的固定，构建了一系列基于水溶性纳米复合材料修饰的生物传感器，用于堆肥环境中对苯二酚、邻苯二酚及锰过氧化物酶和纤维二糖脱氢酶功能基因的高灵敏检测。
　　利用硼氢化钠化学还原及L-半胱氨酸共价结合的方法制备出一种水溶性石墨烯-纳米铂复合材料，构建出一种新型电化学传感器用于堆肥系统中的对苯二酚和邻苯二酚的同时检测。该纳米复合物具有良好的水溶性和生物相容性，可明显增大电极的有效比表面积、导电性能及催化活性。采用差分脉冲伏安法将其用于堆肥浸出液中对苯二酚和邻苯二酚的同时检测，检测下限分别为2.0×10-8M和1.0×10-8M。该传感器特异性好，稳定性强，灵敏度高，且不易受系统中其他物质的干扰，能快速实现酚类污染物的实时在线监测。
　　制备了一种基于水溶性碳纳米管/L-赖氨酸/纳米金共同修饰的漆酶生物传感器用于对苯二酚和邻苯二酚两种物质的高灵敏测定。将L-赖氨酸通过电沉积的方法聚合在纳米金修饰后的玻碳电极上，滴涂刚果红功能化的碳纳米管水溶液，利用戊二醛交联的方法将漆酶固定。此固定化方法能很好地保持漆酶的生物活性，使得电极的催化能力大大提高，碳纳米管及纳米金均能明显提高电极的导电性、比表面积等电化学特性。该传感器制作简单，响应快速，灵敏度高，选择性好，检测下限达到了1.0×10-8M和1.0×10-9M，可用于各种环境中酚类污染物的实时监测。
　　采用聚合酶链式反应扩增及限制性内切酶技术与基因传感技术相结合，研制出一种基于辣根过氧化物酶和漆酶共同标记的生物传感器，用于锰过氧化物酶和纤维二糖脱氢酶编码基因的同时检测。利用目标链与巯基修饰的捕获探针及双酶标记的响应探针间夹心式杂交将其固定在电极表面，通过双酶信号放大来实现目标基因的快速检测。在最优实验条件下，采用计时电流法得到的还原电流与MnP和CDH两种目标基因浓度的常用对数值成良好的线性相关性，检测下限分别为6.2×10-12M和3.0×10-11M。该生物传感器选择性好，精密度高，稳定性和可重复性好，为污染物生物降解过程中微生物功能基因的协同作用机理分析提供了很好的技术支持。
　　研制了一种基于纳米金/多壁碳纳米管/1，5-萘二胺复合膜修饰的生物传感器用于纤维二糖脱氢酶功能基因的快速检测。1，5-萘二胺导电聚合膜带有大量自由氨基，有利于羧基化碳纳米管在电极表面的固定。经刚果红共价修饰后的碳纳米管导电性能好，水溶性也大大增强，为纳米金提供了一定的结合位点，增强了DNA分子在电极表面的固定量，提高了生物催化反应活性。将复合膜修饰后的电极通过扫描电镜、循环伏安法及交流阻抗法进行了表征。该传感器的灵敏度高，特异性好，操作简便，成本低，检测下限达到了1.2×10-16M，可应用于生命科学、临床医学以及环境污染控制系统中实时在线监测。
　　开发出一种基于纳米金/多壁碳纳米管/石墨烯共同修饰的基因生物传感器用于锰过氧化物酶功能基因的超灵敏检测。L-半胱氨酸和刚果红分别对石墨烯和碳纳米管进行功能化修饰，得到一种水溶性较好、导电性能优越、生物相容性好的纳米复合材料。为纳米金的电化学沉积提供了良好的载体条件，明显增大了电极的比表面积，同时也提高了DNA分子在电极表面的固载量。通过扫描电镜、透射电镜、红外光谱扫描等方法对材料的形态和结构进行了表征。在最优实验条件下，采用计时电流法得到的还原电流与MnP目标基因浓度的常用对数值呈良好的线性相关性，检测下限达到了2.0×10-17M。该基因传感器的灵敏度极高，选择性和稳定性好，制备方法简单，成本低，可对环境中其他特定核苷酸序列进行快速灵敏检测。

目录

文摘

英文文摘

插图索引

附表索引

第1章 绪 论

1.1 芳香族化合物的生物降解及检测

1.1.1 堆肥化中芳香族化合物的生物降解

1.1.2 环境中酚类污染物的检测

1.1.3 木质素降解酶及功能基因的检测

1.2 基于纳米材料的电化学生物传感器研究进展

1.2.1 电化学生物传感器的原理及分类

1.2.2 碳纳米管在生物传感技术中的应用

1.2.3 石墨烯在生物传感技术中的应用

1.2.4 贵金属纳米材料在生物传感技术中的应用

1.2.5 纳米复合材料在生物传感技术中的应用

1.3 本课题的研究意义及内容

1.3.1 研究意义

1.3.2 研究内容

第2章 基于石墨烯/纳米铂/1，5-萘二胺的电化学传感器同时检测对苯二酚和邻苯二酚

2.1 前言

2.2 材料与方法

2.2.1 试剂与仪器

2.2.21，5-萘二胺电聚合

2.2.3 水溶性石墨烯-铂纳米复合物修饰电极的制备

2.2.4 同时检测对苯二酚和邻苯二酚

2.2.5 堆肥实际样品中的应用

2.3 结果与讨论

2.3.1 不同修饰材料的形态及结构表征

2.3.2 传感器的电化学表征

2.3.3 实验条件优化

2.3.4 同时检测对苯二酚和邻苯二酚

2.3.5 传感器的重复性和稳定性

2.3.6 干扰实验

2.3.7 堆肥实际样品中的应用

2.4 本章小结

第3章 基于碳纳米管/L-赖氨酸/纳米金的漆酶传感器检测对苯二酚及邻苯二酚

3.1 前言

3.2 材料与方法

3.2.1 试剂与仪器

3.2.2 水溶性碳纳米管的制备

3.2.3 电化学沉积纳米金

3.2.4 L-赖氨酸聚合

3.2.5 漆酶传感器的制备

3.2.6 对苯二酚及邻苯二酚的测定

3.2.7 堆肥实际样品中的应用

3.3 结果与讨论

3.3.1 漆酶生物传感器的制备原理

3.3.2 不同修饰材料的形态表征

3.3.3 漆酶传感器的电化学表征

3.3.4 实验条件优化

3.3.5 酶传感器检测对苯二酚和邻苯二酚

3.3.6 酶传感器的重复性和稳定性

3.3.7 干扰实验

3.3.8 堆肥实际样品中的应用

3.4 本章小结

第4章 基于双酶标记的基因传感器同时检测锰过氧化物酶和纤维二糖脱氢酶功能基因

4.1 前言

4.2 材料与方法

4.2.1 试剂与仪器

4.2.2 核苷酸探针、目标链及引物设计

4.2.3 黄孢培养及基因提取

4.2.4 PCR扩增及限制性酶切

4.2.5 漆酶-链霉亲和素的制备

4.2.6 固定捕获探针及标记响应探针

4.2.7 杂交反应及电化学检测

4.3 结果与讨论

4.3.1 基因传感器的电化学表征

4.3.2 实验条件优化

4.3.3 基因传感器检测人工合成寡核苷酸链的性能

4.3.4 基因传感器的重复性和稳定性

4.3.5 基因传感器的特异性和抗干扰性

4.3.6 基因传感器同时检测两种基因片段

4.4 本章小结

第5章基于纳米金/碳纳米管/1，5-萘二胺的基因传感器检测纤维二糖脱氢酶功能基因

5.1 前言

5.2 材料与方法

5.2.1 试剂与仪器

5.2.21，5-萘二胺电聚合

5.2.3 水溶性碳纳米管修饰电极的制备

5.2.4 电化学沉积纳米金

5.2.5 寡核苷酸探针的固定及目标链杂交

5.2.6 电化学检测

5.3 结果与讨论

5.3.1 基因传感器的制备原理

5.3.2 不同修饰膜的形态表征

5.3.3 不同修饰电极的电化学表征

5.3.4 实验条件优化

5.3.5 基因传感器检测人工合成寡核苷酸链的性能

5.3.6 基因传感器的选择性

5.3.7 基因传感器的重复性和稳定性

5.3.8 基因传感器检测黄孢CDH基因片段

5.4 本章小结

第6章 基于纳米金/碳纳米管/石墨烯的基因传感器检测锰过氧化物酶功能基因

6.1 前言

6.2 材料与方法

6.2.1 试剂与仪器

6.2.2 水溶性石墨烯/碳纳米管复合膜修饰电极的制备

6.2.3 电化学沉积纳米金

6.2.4 生物传感器的构建及电化学检测

6.3 结果与讨论

6.3.1 基因传感器的制备原理

6.3.2 不同修饰材料的形态及结构表征

6.3.3 不同修饰电极的电化学表征

6.3.4 实验条件优化

6.3.5 基因传感器检测人工合成寡核苷酸链的性能

6.3.6 基因传感器的选择性

6.3.7 基因传感器的重复性和稳定性

6.3.8 基因传感器检测黄孢MnP基因片段

6.4 本章小结

结 论

参考文献

附录A 攻读学位期间发表论文目录

附录B 攻读学位期间申请的专利目录

附录C 攻读学位期间参与的研究课题

附录D 攻读学位期间获得的奖励

致 谢