基于化学发光信号读出的电位型传感器的构建与应用
文献类型：学位论文
| 作者 | 高雪情 |
| 答辩日期 | 2023-05-25 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院烟台海岸带研究所 |
| 授予地点 | 中国科学院烟台海岸带研究所 |
| 导师 | 秦伟 |
| 关键词 | 电位型传感器 换能方式 信号读出 化学发光 环境分析 |
| 学位名称 | 工学博士 |
| 学位专业 | 环境科学 |
| 英文摘要 | 电位型传感器是通过测定指示电极与参比电极之间的电位差值来确定物质含量的一类电化学传感器，具有设备简单、分析速度快、检测成本低、选择性好等优点，已在环境监测、食品分析、医学诊断等领域得到广泛应用。电位型传感器主要包括聚合物液膜电极和固体膜电极两大类。聚合物液膜电极电位响应与样品溶液中待测离子的活度符合能斯特方程，电极对微小活度变化不敏感，且测定对象局限于简单离子；固体膜电极响应基于电极膜表面电荷变化，检测灵敏度低、重现性差。近年来，电位型传感器的换能方式已从传统的零电流电位检测法发展到计时电位法、库仑法、安培法、光学法等多种传感新方法。这些新型信号输出方式的引入，提高了电位型传感器的检测性能、拓宽了电极的应用范围。化学发光分析法具有灵敏度高、线性范围宽、设备简单、易于实现自动化等优点，是电位型传感器较为理想的换能新方法。本论文开发了一系列面向电位型传感器的化学发光换能新技术，主要工作包括：基于电致化学发光试剂固定化及电机驱动试剂流动技术，研制了检测大肠杆菌的核酸适配体传感器；基于敏感膜电位驱动化学发光试剂释放技术，开发了流动注射化学发光钙离子检测法；设计并合成了Fe3O4-Ca3(PO4)2@聚苯乙烯磁性材料，研发了基于钙离子传感的塑料降解微生物快速筛选平台；基于敏感膜表面阻碍效应，采用脉冲恒电流调控化学发光离子通量技术，实现了对金黄色葡萄球菌的检测。具体研究内容如下： 1. 基于电致化学发光信号读出的固体膜电位型核酸适配体传感器检测大肠杆菌 基于电极表面电荷变化的固体膜电位型传感器检测灵敏度低、重现性差。本研究以修饰核酸适配体的固体膜电极为识别元件、固定电致发光试剂的电极为信号转换元件，构建了基于电致化学发光信号读出的高灵敏电位型核酸适配体传感器，用于大肠杆菌的检测。发光试剂的固定化可提高发光效率并减少试剂损耗；靶标-核酸适配体特异性识别可提供对目标物检测的高选择性；电机驱动试剂流动技术的采用，可加快发光试剂修饰电极与共反应剂之间的电子传递与转移，提高检测的灵敏度与稳定性。通过在信号转换元件和识别元件之间施加一恒电位，固体膜电极对不同浓度大肠杆菌的电位响应信号被转换成电致化学发光信号读出。采用本法，电致化学发光读出信号与5 - 1000 CFU•mL-1大肠杆菌浓度的对数呈现良好的线性关系，检出限达2 CFU•mL-1（3σ）；相较于零电流电位检测法，所构建的电致化学发光信号读出法具有更高的检测精度（对50 CFU•mL-1大肠杆菌重复测定三次的相对标准偏差为1.8%）。本法已成功应用于加标海水中大肠杆菌的检测。 2. 基于化学发光信号读出的聚合物膜电位型传感器检测海水中钙离子浓度 传统的聚合物膜电极响应基于能斯特方程，电极对微小活度变化不敏感。利用聚合物敏感膜中化学发光试剂与样品溶液中待测离子的交换作用，可以实现对水体中离子的化学发光检测；然而已有的技术采用静态发光检测方式，发光效率不高，重现性差，且检测体系易受样品复杂基质的干扰。本研究以海水钙离子为检测对象，利用敏感膜电位驱动化学发光试剂释放技术，开发了流动注射化学发光钙离子检测法，解决了静态化学发光导致发光效率不高、检测重现性差以及复杂样品基质干扰测定等问题。我们将钙离子选择性电极（Ca2+-ISE）作为识别元件，光泽精释放电极作为信号转换元件，两电极分开放置并以盐桥相连；在两电极之间施加一恒定电位，当Ca2+-ISE与样品溶液中不同活度的钙离子接触后，产生的电位变化能够调控电极内充液中的光泽精在敏感膜表面的释放。在碱性条件下，释放的光泽精被H2O2氧化并产生化学发光信号，实现2.0 × 10-3 - 2.9 × 10-3 M钙离子活度的化学发光读出测定。将本传感技术应用于不同深度海水中钙离子的定量分析，结果与电感耦合等离子体质谱法基本一致；与传统零电流电位检测法相比，本法显著降低了检测标准偏差。 3. 聚合物膜电位型传感器快速筛选塑料降解微生物 微生物降解塑料具有污染小、不产生二次污染等特点，在解决塑料污染问题方面极具应用前景。现有可用于评估微生物降解塑料能力的方法通常需要数天甚至数月的降解期，实验过程繁琐耗时，难以实现对塑料降解微生物的快速筛选。本研究将指示离子释放通量调节方法与聚合物膜离子选择性电极相结合，提出了一种可快速检测微生物对塑料降解效率的聚合物膜电极传感新方法。设计并合成了Fe3O4-Ca3(PO4)2@聚苯乙烯（PS）磁性材料，其中，PS包覆层作为识别元件，用于识别特定微生物并与其作用；Ca3(PO4)2包覆层作为信号指示元件，用于介质转换后释放指示离子；Fe3O4颗粒作为磁性基底，便于利用磁性分离方法实现介质转换。利用微生物对PS塑料层的降解作用调控指示离子释放通量，建立电极信号、指示离子通量与微生物降解塑料效率之间的数学关系，实现对微生物降解塑料效率的快速分析。以可降解PS塑料的深海分离菌株为实验菌，以扫描电子显微镜（SEM）观察等传统方法为比对方法，评估所构建的基于聚合物膜电位型传感器技术的塑料降解微生物快速筛选平台的分析性能。在定性分析方面，所构建的检测平台对三种菌落的分析结果与SEM法的测定结果一致。在定量分析方面，所构建基于电化学技术的检测平台仅需6 h即可实现对微生物降解塑料效率的测定，但失重法需要至少30天的降解期。以上结果表明，本研究所构建的基于电化学技术的塑料降解菌筛选方法可极大地提高对塑料降解微生物的筛选效率。 4. 基于化学发光信号读出的聚合物膜电位型传感器用于近海环境中聚苯乙烯塑料降解菌的快速筛选 近岸海域由于受到人类活动的影响，常面临着严重的塑料污染问题。PS塑料作为常见的近海塑料污染物之一，自然降解过程极其缓慢。为解决近岸海域中PS塑料污染问题，本研究以PS塑料降解菌为筛选对象，通过以PS塑料薄膜为附着基底，在烟台近岸海域富集可降解PS塑料的潜在细菌。利用聚合物膜电极传感技术对收集的微生物进行快速筛选，以获得高效的PS塑料降解微生物。为提高微生物筛选效率，本研究通过降低Fe3O4-Ca3(PO4)2@PS微球的PS塑料包覆层厚度，以缩短微生物降解实验所需的时间；利用基于化学发光的电极信号换能新方法，将聚合物膜电极的电位信号转换成灵敏度更高的化学发光信号，以提高聚合物膜传感器的筛选准确度。基于以上关键技术，基于化学发光信号读出的聚合物膜电位型传感器仅需3 h即可实现对细菌降解PS塑料效率的定量分析。检测结果表明，芽孢杆菌属YTZ-2菌株和假单胞菌属YTZ-3菌株具有降解PS塑料的潜力。 5. 基于化学发光信号读出的“堵塞”型聚合物膜电位型传感器检测金黄色葡萄球菌 目前，基于敏感膜表面阻碍效应即“堵塞”型聚合物膜电位型传感器可以实现金黄色葡萄球菌等致病菌的检测，但是此类传感器通常存在检测灵敏度低、检测耗时长等问题。采用上述发展的基于电致化学发光信号读出的固体膜电位型核酸适配体传感器，虽然通过替换相应的核酸适配体也可实现金黄色葡萄球菌的高灵敏检测，但是该体系涉及繁琐的化学发光信号读出装置的使用。鉴于此，本研究将高灵敏的化学发光信号读出方式与“堵塞”型聚合物膜电位型传感器相结合，发展了一种高灵敏、快速、简便的化学发光检测体系，实现了金黄色葡萄球菌的检测。其检测原理是：将金黄色葡萄球菌的核酸适配体固定于液体接触式聚合物膜电位型传感器表面，通过施加电流实现内充液中化学发光试剂（光泽精离子）的快速、可控释放，释放入溶液中的光泽精可以直接进行化学发光信号读出，无需繁琐的化学发光信号读出装置。同时，试样中金黄色葡萄球菌的存在，会阻碍光泽精离子的释放，借此可以实现金黄色葡萄球菌的检测。在最优条件下，我们利用所构建的化学发光检测系统实现了金黄色葡萄球菌的高灵敏、快速、准确检测，线性范围为50 - 5000 CFU•mL-1，检出限为10 CFU•mL-1（3σ），对3000 CFU•mL-1金黄色葡萄球菌检测的相对标准偏差为1.8%（n = 3）。最终，我们采用该检测体系成功实现了海水中金黄色葡萄球菌准确检测。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 166 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/32051]  |
| 专题 | 中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 高雪情. 基于化学发光信号读出的电位型传感器的构建与应用[D]. 中国科学院烟台海岸带研究所. 中国科学院烟台海岸带研究所. 2023. |
入库方式： OAI收割
来源：烟台海岸带研究所
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