基于计算机辅助筛选和设计识别载体的电位型传感器的构建及应用
文献类型：学位论文
| 作者 | 王俊豪 |
| 答辩日期 | 2024-11-22 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 秦伟 ; 梁荣宁 |
| 英文摘要 | 环境检测是实现环境可持续发展和维护生态系统健康不可或缺的关键环节，准确、及时的环境检测能够为环境质量评估、污染源追踪、环境风险预警以及环境管理决策提供科学依据，从而保障公众健康，维护生态平衡，实现人与自然的和谐共处。聚合物膜电位型传感器具有操作简单、成本低廉、可微型化和易于在线分析等优点，在环境检测领域展现出广阔的应用前景。 识别载体是聚合物膜电位型传感器的核心，其对目标离子的识别能力直接决定了传感器的选择性和灵敏度。尽管已开发了种类繁多的无机离子的识别载体，甚至部分载体已成功实现商品化（如钠离子载体ETH 2120、钙离子载体ETH 129、铜离子载体ETH 1062、镁离子载体ETH 4030等），但是这些载体主要是无机阳离子载体。环境中的无机阴离子、有机污染物及生物大分子的检测对于环境风险评估、污染控制和生态系统健康监测至关重要。目前，能够高选择性识别无机阴离子、有机物和生物大分子的载体仍然相对稀少，发展对这些目标物具有高选择性的识别载体仍具有挑战性。 计算化学在识别载体的筛选与设计中受到广泛关注，通过量子化学计算和分子模拟技术能够系统性地研究分子间的相互作用，预测不同官能团、骨架结构以及空间构型对识别载体选择性的影响，从而辅助构建具有高选择性的识别载体。因此，本文采用计算化学辅助筛选设计技术，针对无机阴离子、有机污染物和生物大分子等三类目标物，合成了一系列具有高选择性的识别载体，并据此构建了电位型传感器，为实现高选择性检测水体中环境要素及污染物浓度提供技术支撑。本论文具体研究内容如下： 1. 基于计算机辅助载体筛选技术的磷酸氢根选择性电极的构建 磷酸盐具有强亲水性，离子载体需克服较大的水合能才能将其从溶液相萃取到敏感膜相。目前，已开发的离子载体对磷酸盐的选择性较差，极大地限制了磷酸盐电极在实际样品检测中的应用。鉴于此，本章基于密度泛函理论（DFT），计算了五种含有多个N-H键供体的化合物（包括吡咯衍生物、酰胺衍生物和胍基衍生物）与磷酸氢根（HPO42-）的相互作用，进而筛选出对HPO42-具有较高亲和力的化合物，即吡咯衍生物5,5’,5”,5”’-（1,3-亚苯基双（乙烷-1,1,1三酰基））四（1H-吡咯-2-甲醛）。通过DFT计算了HPO42-与吡咯衍生物的结合能，并使用静电势（ESP）分析和相互作用区域指示（IRI）函数探究了两者之间的相互作用。我们将吡咯衍生物作为离子载体构建了HPO42-选择性电极，并进行了选择性系数测试。与基于离子交换剂的电极相比，该电极对HPO42-的选择性明显提高，在10-5~10-2 mol/L浓度范围内对HPO42-呈线性响应，能斯特斜率为-30.8 mV/dec，检出限为9.5×10-7 mol/L，并成功应用于加标矿泉水样品中HPO42-的检测。 2. 基于计算机辅助载体设计技术的硝酸根选择性电极的构建 在上一章中，我们使用DFT计算筛选出了对HPO42-具有高选择性的离子载体。需要指出的是，所选取的化合物对HPO42-的识别作用仅依赖于基团之间的相互作用，而缺少了空腔识别作用。为了进一步提高离子载体的选择性，我们根据目标离子的特征，并考察载体的空间构型对识别作用的影响，进而设计对目标离子具有高选择性的离子载体。基于这一思路，本章设计了六种新型硫脲基化合物，并使用DFT计算了这六种化合物与硝酸根（NO3-）的相互作用。其中，1,3,7,9,13,15-六氮杂环二十碳烷-2,8,14-三硫酮对NO3-展现出最高的亲和力。该化合物含有三个硫脲基团，可与NO3-产生多重氢键相互作用。此外，硫脲基团通过烷基链连接形成与NO3-尺寸和形状互补的空腔，增强了该化合物对NO3-的识别能力。通过DFT计算了NO3-与硫脲基环状化合物的结合能，并使用ESP分析和IRI函数研究了两者之间的相互作用。进一步合成了硫脲基环状化合物，并将其作为离子载体构建了NO3-选择性电极。与基于离子交换剂和市售离子载体的电极相比，该电极对NO3-展现出更高的选择性，在10-5.5~10-2 mol/L浓度范围内对NO3-呈线性响应，能斯特斜率为-58.5 mV/dec，检出限为2.2×10-6 mol/L。此外，该电极还展现出良好的可逆性和长期稳定性，并成功应用于天然淡水样品中NO3-的直接测定。 3. 基于特异性功能单体提高分子印迹聚合物膜电位型传感器选择性的研究 基于分子印迹聚合物（MIPs）作为识别载体的电位型传感器已成功应用于有机离子、电中性有机物和生物大分子的电位检测。然而，这些MIP识别载体仍存在选择性较低的问题。本章提出了一种提高基于MIP作为识别载体的电位型传感器选择性的方法，即采用对目标物具有高亲和力的特异性功能单体代替传统的“普适性”功能单体制备高选择性的MIP。通过DFT计算研究模板分子与功能单体之间的相互作用，并以模板分子与功能单体之间的结合能作为依据，判断两者结合作用的强弱，筛选出对目标分子具有最高亲和力的功能单体，进而合成高选择性的MIP。我们以双酚A（BPA）作为模板分子，对BPA具有特异性识别能力的β-环糊精（β-CD）作为特异性功能单体，通过DFT计算证明了β-CD对BPA的亲和力远高于“普适性”的功能单体（丙烯酸、甲基丙烯酸、4-乙烯基吡啶和甲基丙烯酸甲酯）；进一步合成了以β-CD作为功能单体的BPA印迹聚合物，并将其作为识别载体构建了电位型传感器。实验结果表明，基于β-CD作为功能单体的MIP电位型传感器对BPA具有高选择性和高灵敏度，并成功应用于加标海水样品中BPA的检测。 4. 基于计算机辅助载体设计技术的电位型全氟辛烷磺酸盐传感器的构建 对于全氟辛烷磺酸盐（PFOS），目前尚缺乏对其特异性识别的功能单体。因此，本章设计了一种对PFOS具有亲和力的新型柱[5]芳烃衍生物（1,4-二（3-氨基丙氧基）柱[5]芳烃），并使用DFT计算了柱[5]芳烃衍生物与PFOS之间的相互作用以及结合能。研究表明：该化合物含有丰富的氨基，能够与PFOS的磺酸基形成多重氢键；其柱状空腔与PFOS的尺寸和形状相匹配，增强了两者之间的相互作用。我们将柱[5]芳烃衍生物作为识别载体构建了电位型PFOS传感器，并进行了选择性系数测试。该传感器对PFOS展现出高选择性，在10-6~10-4 mol/L浓度范围内对PFOS呈线性响应，能斯特斜率为-58.9 mV/dec，检出限为2.8×10-7 mol/L。此外，该传感器还具有良好的可逆性和长期稳定性，并成功应用于加标天然淡水样品中PFOS的检测。 5. 基于高选择性和刺激响应性分子印迹聚合物的纳米孔计时电位型传感器检测两种生物大分子 针对生物大分子，本章沿用“使用特异性功能单体合成高选择性分子印迹聚合物”这一策略，通过DFT和分子对接方法计算了多种功能单体和核酸适配体与两种生物分子的相互作用，筛选出了亲和力最高的特异性功能单体和核酸适配体，进一步合成了具有高选择性的MIP。同时为了提高检测效率，我们基于刺激响应性MIP修饰的纳米孔，构建了一种使用单个聚合物膜电极计时电位检测两种生物大分子的新方法。纳米孔具有优异的机械和化学稳定性，通过在纳米孔表面修饰识别载体，可以使纳米孔对目标分子具有选择性。以刺激响应性MIP作为识别载体，乙酰胆碱作为指示离子，目标物与纳米孔中的MIP的识别反应能够阻碍指示离子在阴极电流脉冲驱动下由溶液相向敏感膜相的离子通量，从而导致指示离子的电位响应发生变化，并以此作为定量检测目标物的依据。通过使用不同的外部刺激（pH和温度），可以有效地调节在纳米孔中修饰的刺激响应性MIP的识别能力，从而通过简单地切换两种外部刺激实现无标记计时电位检测两种目标物。以甲型肝炎病毒抗原和SARS-CoV-2 N蛋白作为研究对象，采用基于刺激响应性MIP的纳米孔计时电位型传感器，成功实现了对加标天然淡水样品中两种生物大分子的高灵敏检测。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/38251]  |
| 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 | 王俊豪. 基于计算机辅助筛选和设计识别载体的电位型传感器的构建及应用[D]. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：烟台海岸带研究所
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