多环芳烃电化学免疫检测及纳米半导体电催化
文献类型：学位论文
| 作者 | 韦明元 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-01 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 郭良宏 |
| 关键词 | 环境污染物 免疫传感器 信号放大 表面修饰 半导体纳米材料 电催化 缺陷位点 environmental pollutants immunosensor signal amplification surface modification semiconductor nanomaterials electrocatalysis defect sites |
| 其他题名 | Electrochemical Immunoassay of PAHs and Study of Electrocatalytic Property of Semiconductor Nanomaterial |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 中文摘要 | 多环芳烃（PAHs）是一类主要的污染物，许多PAHs都是致癌物或潜在致癌物，其中苯并[a]芘（BaP）是被认为毒性最高的一种PAHs。近年来，随着PAHs污染的扩大，检测样品数量急剧增加，使得快速、低成本、特别是能满足现场检测的PAHs的检测方法成为迫切需求。由于具有响应时间短、低成本、设备小、足够灵敏等优点，电化学免疫分析在PAHs的现场检测领域备受关注。最重要的一点是，结合微电子组装技术，电化学设备非常容易实现集成化和小型化，这使得它成为最适合用于生物芯片的检测手段。在电化学免疫传感器阵列检测中，由于底物或信号分子的扩散作用，酶标记、纳米标记方法存在交叉干扰的问题；小分子标记方法是将标记物通过抗原/抗体的结合而固定到电极表面，可避免交叉干扰的问题，但小分子标记物的一个最大的缺点在于电活性不高，不具备酶和纳米标记物的催化活性，因此其灵敏度往往较低。针对小分子标记方法的这一弱点，笔者的研究组开发了一种独特的信号放大体系——“氧化铟锡（ITO）电极-小分子标记物-草酸钠”。本文将这一信号放大体系的应用范围拓展至电化学免疫传感领域，构建了基于小分子标记物的新型电化学免疫传感器，并用于PAHs的检测。这部分工作的主要结论如下： （1） 合成PAH-小分子标记物（钌吡啶络合物），作为检测示踪物。采用紫外可见光谱、质谱、电化学等手段对合成产物进行定性表征，结果表明，产物即为PAH-钌吡啶化合物（PAH-Ru）； （2） 采用表面等离子共振（SPR）免疫传感器方法对PAH-Ru和抗体的识别作用进行考察，结果表明，PAH-Ru能被抗体识别，可作为电化学免疫传感器检测的示踪物； （3） 采用3[(2,3)-环氧丙氧]丙基三甲氧基硅烷（GPTMS）对ITO电极上进行控制性修饰，以共价固定抗体。GPTMS作为双功能交联剂，一端通过硅烷化固定于ITO表面，另一端通过环氧基团与抗体中的氨基反应，使抗体共价固定。采用X-射线光电子能谱、溶液和表面电化学探针分别对GPTMS修饰及抗体的固定进行表征，结果表明，随着GPTMS修饰时间增加，固定的GPTMS分子的量相应增加，共价固定的抗体的量亦增加；同时，GPTMS量的增加会导致电极导电性急剧下降，进而使电极的电化学响应消失。通过优化GPTMS修饰时间，得到最佳修饰时间为1 h，此条件是兼顾抗体固定量和电极导电性两大因素的平衡点。通过优化实验，得到抗体固定的实验条件：抗体悬涂浓度为0.3 mg/mL、固定时间为12 h。（4） 在此基础上，得到电化学免疫传感器的特异性响应信号，并优化PAH-Ru浓度，为12 μM。对1-芘丁酸进行竞争性检测，得到IC50和LOD分别为1.28 μg/mL和 10 ng/mL；对苯并[a]芘（BaP）的 LOD为10 nM（或2.35 ng/mL）。并考察了其它PAHs对BaP的交叉反应率，结果与酶联免疫检测（ELISA）的结果相符。 本研究所构建的电化学免疫传感器对BaP的检测限比相关文献用竞争抑制伏安法免疫检测的低十倍，与酶标记安培法免疫检测相近。尽管如此，该传感器的灵敏度距离实际应用还有一段距离。其可能原因是由于传感器表面电子传递速率低的问题，因为电子需要分别穿越固定抗体分子膜层和电极修饰有机膜层方能抵达电极表面。因此，可通过在电极表面引入纳米线（NWs）作为连接小分子标记物和电极表面的导体，使电子可以从小分子标记物经该导体抵达电极表面，从而提高电子传递的效率。为降低纳米线自身背景干扰，选择在SnO2纳米颗粒电极上进行了光电化学免疫检测。免疫反应后的电极与SnO2 NWs作用，SnO2 NWs能与电极以某种方式产生结合作用，使光电流提高约30 %。虽然SnO2 NWs与电极的作用方式及其电子导线效应的机理尚需进一步研究，但实验结果为进一步提高免疫传感器灵敏度提供了一种选择。 为进一步研究半导体纳米材料的纳米效应，解释其机理，为其应用奠定理论基础，本文对半导体纳米材料的纳米效应进行了初步研究和探讨。首先观察到抗坏血酸的电化学氧化电位在ITO纳米颗粒（NPs）电极上比ITO膜电极上低约800 mV，推测ITO NPs电极具有电催化的纳米效应。分别制备了In2O3 NPs和SnO2 NPs电极，前者表现出氧化电位负移，而后者则没有。采用光致发光方法证明在In2O3 NPs电极和ITO NPs电极中均存在类似的“缺陷”位点；而在SnO2 NPs电极中则不存在。根据实验结果推断ITO NPs电极的电催化机理是：由于具有较大的比表面积和较高浓度的边缘原子，ITO NPs电极的In2O3晶体中的“缺陷”位点的密度被认为高于ITO电极，随之引起电子传递速率的提高，使得ITO NPs电极上的电催化得以发生。 基于小分子标记的新型电化学免疫传感器的构建，为采用免疫芯片对PAHs进行多组分检测奠定了基础。将半导体纳米材料的“纳米效应”引入检测体系，可进一步提高传感器的性能，为实现传感器乃至免疫芯片的实际应用提供灵敏度上的保障。 |
| 学科主题 | 环境化学 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2010-06-29 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/523]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_环境化学与生态毒理学国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 韦明元. 多环芳烃电化学免疫检测及纳米半导体电催化[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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