构建化学和生物传感界面用于环境有机污染物检测新方法研究

摘要

环境污染目前已经成为全球性问题，大部分环境污染物对人类健康和生态系统存在着严重的威胁。
　　 持久性有毒污染物与臭氧层破坏以及温室效应并称为21世纪影响人类生存与健康的三大环境问题。无论是《斯德哥尔摩公约》中确定的21类持久性有机污染物，还是美国EPA确定的12类持久性生物富集有毒化合物，以及环境内分泌干扰物的研究都与持久性有毒化学污染物有关。多环芳烃和多氯联苯就是其中两类典型的持久性有毒污染物，它们在环境中分布广泛，但多是痕量的，并且不易分解，具有高脂溶性，水溶性低，易于生物富集，同时不仅具有“三致”毒性（致癌、致畸和致突变），而且具有内分泌干扰作用。酚污染同样会给生态系统带来很大危害，其中还有一部分酚类化合物属于内分泌干扰物质或是它们的代谢产物。
　　 加强对环境污染物的检测分析是进行环境风险评价及对它们实施防控的重要前提。由于环境污染物通常处于痕量级，为了便于环境污染物的应急监测和简易监测，非常有必要建立相应的简便快速、价格低廉、能满足一定灵敏度和准确度的简易检测技术。电化学分析方法由于灵敏、快速等特点在环境污染物分析方面具有广阔的应用前景，尤其是将免疫技术与电化学传感技术相结合，成为研究高效、便捷的环境痕量有机污染物分析检测新方法的发展趋势。构建高灵敏、高选择性的传感界面是新型化学修饰电极和电化学生物传感器研制的关键，也是国内外环境分析工作者研究的热点课题之一。
　　 本论文通过两类传感界面的构建，构筑了新型的聚合物修饰电极和电化学免疫传感器，研究了其电化学行为，并且建立了萘酚、对苯二酚、双酚A和部分多环芳烃和多氯联苯等物质的伏安分析新方法。具体内容如下:
　　 1、将吖啶橙单体电化学聚合于玻碳电极表面制备聚吖啶橙膜修饰电极，考察该电极的制备条件和对萘酚同分异构体的电催化性能及选择性能，主要研究了溶液酸度、扫描速率、富集时间和温度等条件对1-萘酚在该修饰电极上响应的影响，并且讨论了反应机理。实验表明，在最佳的测试条件下，1-萘酚浓度分别在2.0×10-7～3.2×10-6mol·L-1和5.2×10-6～1.2×10-4mol·L-1范围内与聚吖啶橙膜修饰电极上的响应峰电流呈良好线性关系，检出限达8.0×10-8mol·L-1（S/N为3）。该修饰电极用于1-萘酚的测定比以往的研究有更好的电催化氧化能力和更宽的检测线性范围。将该方法应用于实际环境样品的分析，并考察了方法的加标回收率，结果令人满意。实际样品分析结果与HPLC测定结果进行比较，具有较好的一致性，表明所建立的方法对环境持久性有毒污染物的检测分析是可行的、有效的。
　　 2、将结晶紫动电位聚合在玻碳电极表面构建聚结晶紫膜修饰电极，考察修饰电极对苯二酚同分异构体的电催化作用，实验研究了聚结晶紫膜修饰电极的制备条件以及不同pH值、富集时间和扫描速率等条件下对苯二酚在聚结晶紫膜修饰电极上的电化学行为，推导了对苯二酚在该电极上的反应机理。实验发现，在苯二酚同分异构体共存时，该修饰电极对对苯二酚的氧化表现出优良的电催化性能和选择性能。该方法应用于实际废水中对苯二酚的加标测定，并与HPLC进行比较，结果满意可靠。
　　 3、双酚A是环境内分泌干扰物，已经被许多国家认定为优先污染物。实验将具有芳环的染料酸性蓝62单体电化学聚合于玻碳电极表面，制备膜修饰电极，实现复杂体系中痕量双酚A的快速灵敏检测。实验发现，在选定的最佳条件下对比空白电极上的响应，双酚A在聚合物膜修饰电极上的氧化峰电流显著增大，氧化峰电位负移100mV，检出限达2.0×10-8mol·L-1（S/N为3）。电极在室温下保存45天后，对双酚A的催化氧化性能为原来的92％，说明稳定性良好。利用该方法测定食品包装材料中双酚A，同时与HPLC进行比较，结果满意。该方法为测定环境和食品中双酚A含量提供了新思路。
　　 4、根据巯基与金能通过Au-S键强力结合的原理，将硫脲固定在金电极表面，再利用硫脲本身的氨基结合纳米金粒子来吸附萘抗体而制备萘免疫传感器。纳米金的使用能保持抗体的活性，从而使该免疫传感器具有较高的稳定性和灵敏度。实验研究了该免疫传感器的制备、表征及其对萘的电化学响应。在优化的实验条件下，NA浓度在0.5～100ng·mL-1范围内与响应电流值呈线性相关，检测下限为0.08ng·mL-1。构建的新型电化学免疫传感器具有好的生物相容性、高的抗体固定量和易于更新等优点，应用于实际环境样品中萘的测定，结果满意。与HPLC方法进行对照，两种方法具有一致性。
　　 5、将PB电化学沉积在玻碳电极表面做为电子转移媒介体，再引入纳米金粒子固定蒽抗体，构建无标记免疫传感器。传感器上的抗体与蒽抗原发生特异性反应，使传感器的响应电流发生变化，实现对蒽的测定。在优化的实验条件下，蒽浓度在0.1～120ng·mL-1范围内与响应电流值呈线性相关，检测下限为0.02ng·mL-1。利用该方法测定印染污泥中蒽含量，并与HPLC方法进行比较，结果满意。该免疫传感器具有操作简单、响应时间短、灵敏度高、稳定性好、易于更新等显著优点。
　　 6、利用壳聚糖分子内大量的氨基吸附纳米金粒子来固定PCB77抗体制备免疫传感器，用于环境土壤样品中PCB77的检测。通过交流阻抗技术、循环伏安法和示差脉冲法对电极的制备过程和实验条件进行了优化，并对免疫传感器的作用机理及性能进行了详细研究。实验结果表明，该方法提高了抗体的固定量，增强了传感器的灵敏度和选择性。在最佳的测试条件下，检测下限为0.01ng·mL-1。应用于实际环境样品的分析，结果令人满意。实际样品检测结果与GC/MS测定结果比较发现两者相关性较好，在误差范围内存在的差异是可以接受的。
　　 本论文将化学和生物传感技术，应用于实际环境样品中酚类物质、多环芳烃和多氯联苯类污染物的测定，结果满意可靠。该研究为探索高选择性、高灵敏的电化学传感界面提供了新思路，对于开拓电分析技术在环境监测领域中的应用具有重要的科学意义。

目录

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摘要

第一章 前言

1．1 化学修饰电极

1．1．1 化学修饰电极概述

1．1．2 聚合物薄膜修饰电极的制备

1．1．3 聚合物薄膜修饰电极的类型

1．1．4 聚合物薄膜修饰电极在环境污染物检测中的应用

1．2 生物传感器

1．2．1 生物传感器的原理

1．2．2 生物传感器的分类

1．2．3 生物传感器上敏感膜的构建

1．2．4 纳米材料修饰技术

1．2．5 生物传感器在环境污染物检测中的应用

1．3 课题的研究目的和意义

1．4 课题的研究内容

1．4．1 研究内容

1．4．2 本课题的特色和创新点

参考文献

第二章 聚吖啶橙膜修饰电极的制备及其对1-萘酚的选择性测定

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 仪器与试剂

2．2．2 修饰电极的制备

2．2．3 实验步骤

2．3 结果与讨论

2．3．1 吖啶橙电化学聚合过程的循环伏安曲线

2．3．2 PAO膜修饰电极的电化学特性

2．3．3 PAO膜修饰电极聚合条件的选择

2．3．4 PAO膜修饰电极对1-萘酚的电催化氧化

2．3．5 酸度和底液对1-萘酚电化学行为的影响

2．3．6 扫描速率对1-萘酚电化学行为的影响

2．3．7 富集时间对1-萘酚电化学行为的影响

2．3．8 温度对1-萘酚电化学行为的影响

2．3．9 电极过程推断

2．3．10 线性范围及检出限

2．3．11 1-萘酚和2-萘酚在PAO膜修饰电极上的电化学行为

2．3．12 共存物质的干扰

2．3．13 实际样品测定

2．4 结论

参考文献

第三章 对苯二酚在聚结晶紫膜修饰电极上的电催化氧化

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 仪器与试剂

3．2．2 修饰电极的制备

3．2．3 实验步骤

3．3 结果与讨论

3．3．1 结晶紫电化学聚合过程的循环伏安曲线

3．3．2 聚结晶紫膜修饰电极的电化学特性

3．3．3 聚结晶紫膜修饰电极聚合条件的选择

3．3．4 PCV膜修饰电极对对苯二酚的电催化氧化

3．3．5 酸度和底液对对苯二酚电化学行为的影响

3．3．6 扫描速率对对苯二酚电化学行为的影响

3．3．7 富集时间对对苯二酚电化学行为的影响

3．3．8 电极过程推断

3．3．9 线性范围及检出限

3．3．10 对苯二酚的同分异构体在PCV膜修饰电极上的电化学行为

3．3．11 共存物质的干扰

3．3．12 实际样品测定

3．4 结论

参考文献

第四章 双酚A在聚酸性蓝62膜修饰电极上的电催化氧化

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 仪器与试剂

4．2．2 修饰电极的制备

4．2．3 实验步骤

4．3 结果与讨论

4．3．1 酸性蓝62电化学聚合过程的循环伏安曲线

4．3．2 PAB膜修饰电极聚合条件的选择

4．3．3 PAB膜修饰电极对双酚A的电催化氧化

4．3．4 溶液酸度和底液对双酚A电化学行为的影响

4．3．5 扫描速率对双酚A电化学行为的影响

4．3．6 富集时间对双酚A电化学行为的影响

4．3．7 温度对双酚A电化学行为的影响

4．3．8 电极过程推断

4．3．9 线性范围及检出限

4．3．10 共存物质的干扰

4．3．11 实际样品测定

4．4 结论

参考文献

第五章 多层自组装硫脲和纳米金电流型萘免疫传感器的研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 仪器与试剂

5．2．2 纳米金的制备

5．2．3 萘抗体的制备

5．2．4 免疫传感器的制备

5．2．5 自组装过程的电化学表征

5．2．6 样品测试方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 电极在自组装过程中的电化学行为

5．3．2 pH对免疫传感器响应的影响

5．3．3 孵育时间对免疫传感器的影响

5．3．4 孵育温度对免疫传感器的影响

5．3．5 线性范围与检出限

5．3．6 免疫传感器的重现性、稳定性和再生

5．3．7 免疫传感器的特异性

5．3．8 免疫传感器的应用

5．4 结论

参考文献

第六章 无标记蒽免疫传感器的研究及应用

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 仪器与试剂

6．2．2 纳米金的制备

6．2．3 蒽抗体的制备

6．2．4 免疫传感器的制备

6．2．5 自组装过程的电化学表征

6．2．6 样品测试方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 电极在自组装过程中的电化学行为

6．3．2 NG膜层数的选择

6．3．3 pH对免疫传感器响应的影响

6．3．4 孵育时间对免疫传感器的影响

6．3．5 孵育温度对免疫传感器的影响

6．3．6 线性范围与检出限

6．3．7 免疫传感器的重现性、稳定性和再生

6．3．8 免疫传感器的特异性

6．3．9 免疫传感器的应用

6．4 结论

参考文献

第七章 基于自组装电化学免疫传感器对PCB77的检测

7．1 引言

7．2 实验部分

7．2．1 仪器与试剂

7．2．2 纳米金的制备

7．2．3 PCBs单体的制备

7．2．4 PCB77抗体的制备

7．2．5 免疫传感器的制备

7．2．6 自组装过程的电化学表征

7．2．7 样品测试方法

7．3 结果与讨论

7．3．1 电极在自组装过程中的电化学行为

7．3．2 抗体固定量的影响

7．3．3 pH对免疫传感器响应的影响

7．3．4 孵育时间对免疫传感器的影响

7．3．5 孵育温度对免疫传感器的影响

7．3．6 线性范围与检出限

7．3．7 免疫传感器的重现性、稳定性和再生

7．3．8 免疫传感器的特异性

7．3．9 免疫传感器的应用

7．4 结论

参考文献

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

攻读博士学位期间已发表和待发表的文章

致谢