新型DNA修饰电极用于重金属离子的电化学检测

摘要

电化学分析方法(electrochemical analysis method)作为仪器分析的重要组成部分,具有仪器设备简单、操作方便、选择性和灵敏度高的优点,它的应用极其广泛,既可以用来测定微量或痕量物质的组成和含量,探究化学反应的各种过程和机理,还可以通过它对物质的形态、构造以及表面特征进行深入的了解。长期以来,在对物质的分析检测方面地位显著。电化学生物传感器(electrochemicalbiosensor)是把电化学分析方法和生物传感器技术的优点结合起来形成的一种新技术,它检测物质的成本更加低廉,分析测试的功能更加强大,应用范围也大大拓宽,对问题的处理也更加全面。电化学DNA传感器是电化学生物传感器的一个重要分支,它以DNA为识别元件,将DNA固定在电极表面,通过电极使DNA与其它物质作用,将生物信号转化为可检测的电信号。某些重金属离子,如汞离子,有剧毒,在自然界中即使是痕量存在都会对人类和生态平衡造成极大的危害性。因此,对有毒重金属离子的检测成为了分析工作者的重要任务。本文主要是利用电化学生物传感器的信号放大技术做了一些针对金属离子的分析检测工作,具体内容如下：
　　 ⑴基于C-Ag+-C结合调节碳纳米管隧道电流效应的Ag+电化学传感器。在第二章中,我们通过C-C错配碱基对对银离子有很高的选择性并可以形成C-Ag+-C复杂分子的原理以及SWCNT-DNA复合物的特性,设计了一条银特异性的核酸探针链,利用碳纳米管吸附层的隧道电流可被DNA-Ag+结合物所调控的现象构建了一个新型的无需信号标记的银离子电化学传感器。该传感器对银离子有很好的选择性和灵敏度,其检测限达到了1.5 nM,远远低于国家规定的饮用水中银离子的最高允许浓度0.46μM。
　　 ⑵基于酶放大信号的电化学检测汞离子。在第三章中,我们将酶信号放大技术与电化学分析方法相结合,设计出了具有灵敏度高、选择性好、简单、迅速等优点的电化学。DNA传感器。汞离子(Ⅱ)可以使胸腺嘧啶-胸腺嘧啶(T-T)之间的错配杂交达到稳定,利用胸腺嘧啶-汞离子(Ⅱ)-胸腺嘧啶(T-Hg2+-T)间的高度特异性相互作用以及酶信号放大技术设计了可以高灵敏度、高选择性的检测痕量Hg2+的电化学生物传感器。该传感器利用Hg2+连接DNA双链,把辣根过氧化酶固定在电极上,使它催化氧化对苯二酚为对苯醌,这样汞离子就与对苯醌还原电流的大小建立了联系,由此实现了对Hg2+的定量分析。我们设计的这个汞离子传感器其检测限达到了0.3 nM,低于饮用水中Hg2+的最高允许浓度10 nM。同时该传感器对汞离子的检测具有很好的选择性。
　　 ⑶基于双官能团信号探针用于无标记电催化汞离子的分析。在第四章中,我们利用G四股螺旋-血红素复合物在双氧水的还原作用下能显示出极好的电催化活性这一独特特征,设计了一个双官能团汞离子识别探针,它结合了特异性的汞离子寡核苷酸序列和G四序列,形成了一个无标记的电催化汞离子(Ⅱ)生物传感器。本章设计了两条汞特异性的核酸探针链,由于汞离子(Ⅱ)的存在它们杂交形成了稳定的T-Hg2+-T复合物,在电极表面形成稳定的双螺旋结构。这个杂交结构随后与Hemin结合,形成了一个G4-Hemin复杂分子,它可以还原H2O2,产生一个放大电化学信号。由于G4-Hemin复合物在电极表面形成的数量取决于待测液中汞离子的浓度,因此H2O2电催化还原电流的结果能够提供一个定量检测汞离子的方法。该汞离子传感器具有设计简单、无需共价修饰电化学信号分子的优点。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1 电化学分析方法概述

1.1.1 电化学电池

1.1.2 电化学电池的电极

1.2 电化学生物传感器

1.2.1 化学传感器

1.2.2 生物传感器

1.2.3 电化学生物传感器基本知识

1.3 电化学DNA传感器

1.3.1 电化学DNA传感器概述

1.3.2 电化学DNA传感器的特点

1.3.3 电化学DNA传感器的应用实例

1.3.4 电化学DNA传感器展望

1.4 本论文研究工作的构思

第2章 基于C-AG+-C结合调节碳纳米管隧道电流效应的AG+电化学传感器

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 仪器和试剂

2.2.2 碳纳米管的纯化和金电极的预处理

2.3 结果与讨论

2.3.1 十二硫醇自组装层上吸附碳纳米管的隧道电流效应

2.3.2 DNA探针-银离子结合调节的碳纳米管隧道电流效应

2.3.3 DNA-SWCNT-H25C12S-Au修饰电极用于银离子的检测

2.3.4 DNA-SWCNT-H25C12S-Au修饰电极的选择性

2.4 小结

第3章 基于汞离子特异性核酸探针与酶催化信号放大的汞离子电化学传感器.

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 仪器与试剂

3.2.2 金电极的清洁处理与核酸探针的固定

3.2.3 Hg2+浓度检测

3.3 结果和讨论

3.3.1 汞离子(Ⅱ)传感器原理

3.3.2 实验条件的优化

3.3.3 汞离子传感器的选择性

3.4 小结

第4章 基于双功能信号探针的电催化汞离子传感器

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 仪器和试剂

4.2.2 金电极的预处理和捕获探针链的固定

4.2.3 电催化检测汞离子

4.3 结果与讨论

4.3.1 汞离子(Ⅱ)传感器的设计

4.3.2 实验条件的优化

4.3.3 传感器用于检测汞离子

4.3.4 汞离子传感器的选择性

4.4 小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢