识别有机小分子的可视化传感阵列构建及检测性能研究

摘要

有机小分子作为常见的工业原料和污染物，严重危害生态环境和生命健康，同时可作为某些疾病的潜在生物标志物或食品的风味物质，与工业生产、环境监测、医疗诊断和食品安全等多个方面息息相关。因此对有机小分子的识别检测有重要的研究意义和实用价值。交叉响应的可视化传感阵列具有操作简单、成本低廉、响应快速、结果可视、便携高效等优点，为多种有机小分子的识别检测提供了一种较理想的方法。基于此，本文构建了特异响应的可视化传感阵列分别用于有机酸类、醛类的识别和定量检测，并且利用纳米材料功能化的染料构建纳米多孔染料可视化传感阵列用于多种有机小分子气体的快速识别。主要研究内容如下：　　① 基于指示剂置换反应的可视化传感阵列构建及其对有机酸的识别检测研究　　利用紫脲酸铵-Ni2+，紫脲酸铵-Cu2+，锌试剂-Zn2+和二甲酚橙-Cu2+的染料-金属离子复合物为敏感单元，构建了一个 3×3 的可视化传感阵列。通过染料、金属离子、有机酸之间的指示剂置换反应（IDA）实现了14种重要有机酸的快速（5 min）识别，特异性和准确率均大于 92%。此外，阵列对丙酮酸表现出优异的定量分析能力，获得了较好的线性范围（10~1500 μM）和检出限（3.45 μM），在人血清和白酒实际样品中的加标回收率在84.8%~114.3%之间。实验表明，IDA阵列的抗干扰性和重复性良好。　　② 基于银镜反应的纳米金比色传感阵列构建及其对醛类的检测研究　　基于醛类与土伦试剂的特征性银镜反应，以3种粒径的金纳米颗粒（GNPs）为显色物质，Ag+被还原得到的银单质包覆在GNPs表面，形成“银包金”核壳结构从而改变了GNPs溶液的颜色。我们成功构建了GNPs比色传感阵列实现了对低浓度下十种醛类的准确区分。除异丁醛以外，准确率和特异性均达到 90%以上。在甲醛浓度为0.05~50000 μM的范围内，阵列响应信号与甲醛浓度对数值之间有良好的线性关系（R2=0.9864），最低检测限为0.03 μM。同时，GNPs比色传感阵列对醛类表现出较优的选择性和重复性，说明其对醛类有良好的检测性能。　　③ 纳米多孔染料可视化传感阵列对挥发性有机小分子气体的快速识别研究　　为了增强可视化传感阵列的识别能力，制备了二氧化硅水凝胶（Sol-gel）、金纳米颗粒（GNPs）、氧化石墨烯（GO）、二硫化钼量子点（MoS2 QDs）四种纳米材料，并采用 TEM、FT-IR、XPS 等表征技术进行结构表征。进一步利用上述纳米材料对敏感染料进行功能化改性，构建了纳米多孔染料可视化传感阵列，实现了对包括有机酸类、醛酮类、醇类、烃类、芳香族化合物在内的16种挥发性气体的快速（4 min）识别，特异性和准确率均大于91%。在气体检测中，该阵列表现出优越的抗温湿度干扰能力以及良好的批次重复性。结果表明纳米材料功能化是提高阵列检测性能的有效方法之一，有良好的应用前景。

目录

中英文缩略词

1 绪 论

1.1 有机小分子的检测意义

1.2 有机小分子的检测方法

1.2.1 有机小分子的大型仪器检测方法

1.2.2 有机小分子的传感检测技术

1.3 可视化传感阵列

1.3.1 可视化传感阵列介绍

1.3.2 可视化传感阵列在有机小分子识别检测中的应用

1.4 纳米材料在可视化传感器中的应用

1.4.1 多孔溶胶-凝胶

1.4.2 纳米金

1.4.3 氧化石墨烯

1.4.4 量子点

1.5.1 本文的研究意义

1.5.2 主要研究内容

2 基于指示剂置换反应（IDA）的可视化传感阵列构建及其对有机酸的识别检测研究

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 试剂与仪器

2.2.2 反应条件的优化

2.2.3 有机酸的检测

2.2.4 丙酮酸的定量检测

2.2.5 IDA阵列对有机酸的选择性

2.3 结果与讨论

2.3.1 pH条件和染料-金属离子浓度比例的优化结果

2.3.2 14种有机酸的差谱图分析

2.3.3 14种有机酸的模式识别分析

2.3.4 丙酮酸的定量检测分析

2.3.5 IDA阵列对有机酸的选择性

2.3.6 IDA阵列对有机酸的重复性

2.3.7 IDA阵列对有机酸的实际样本检测

2.4 本章小结

3 基于银镜反应的纳米金（GNPs）比色传感阵列构建及其对醛类的检测研究

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 试剂和仪器

3.2.2 不同粒径GNPs的合成

3.2.3 土伦试剂用量和反应时间的优化

3.2.4 醛类的检测

3.2.5 甲醛的定量检测

3.2.6 GNPs比色传感阵列对醛类的选择性

3.3 结果与讨论

3.3.1 不同粒径GNPs的表征

3.3.2 土伦试剂用量和反应时间的优化结果

3.3.3 醛类的差谱图分析

3.3.4 醛类的模式识别分析

3.3.5 甲醛的定量检测分析

3.3.6 GNPs比色传感阵列对醛类的选择性

3.3.7 GNPs比色传感阵列对醛类的重复性

3.4 本章小结

4 纳米多孔染料可视化传感阵列对挥发性有机小分子气体的快速识别研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 试剂和仪器

4.2.2 纳米材料的制备

4.2.3 挥发性有机小分子气体样本的制备

4.2.4 传感阵列的制备

4.2.5 挥发性有机小分子气体的检测

4.2.6 湿度、温度干扰实验

4.3 结果与讨论

4.3.1 纳米材料的表征结果

4.3.2 挥发性有机小分子气体的差谱图分析

4.3.3 挥发性有机小分子气体的模式识别分析

4.3.4 阵列抗温度、湿度干扰性

4.3.5 阵列的稳定性

4.3.6 阵列的重复性

4.4 本章小结

5 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读硕士学位期间研究成果

B. 作者在攻读硕士学位期间参与科研项目

C. 学位论文数据集

致谢