生物傳感器是一種由生物感應元件和信號處理元件組成，用于對各種生物、化學物質進行檢測的分析系統(tǒng)，其基本原理是生物感應元件與檢測目標物相互作用后產生響應信號，信號處理元件對響應信號進行接收、加工、轉換、輸出，以此實現對目標物的定性、定量檢測。鑒于生物傳感器具有傳統(tǒng)分析方法不可比擬的優(yōu)勢，生物傳感器已成為分析檢測領域的重要技術,被廣泛應用于環(huán)境檢測、生物醫(yī)學研究、食品檢測、發(fā)酵工業(yè)生產等眾多領域。 近年來，對環(huán)境污染物的檢測成為環(huán)境評估、環(huán)境治理的重要手段，對生物分子的檢測成為生物學研究的重要內容，對環(huán)境污染物和生物分子進行快速、靈敏檢測的生物傳感器的研制開發(fā)具有重要的理論價值和廣闊的應用前景。本論文成功構建了5種新穎的生物傳感器分別用于檢測環(huán)境污染物重金屬二價鉛離子、三硝基甲苯、苯并（а）芘及生物小分子含巰基氨基酸。 1、基于谷胱甘肽能夠保護銀納米顆粒抵抗鹽誘導的聚集原理構建了檢測重金屬Pb（Ⅱ）離子的生物傳感器。谷胱甘肽通過Ag-S鍵結合到銀納米顆粒表面能夠增強銀納米顆粒穩(wěn)定性，協助銀納米顆粒抵抗鹽誘導的聚集；重金屬Pb（Ⅱ）離子可競爭性與谷胱甘肽結合，以此削弱谷胱甘肽對銀納米顆粒的保護作用從而導致銀納米顆粒在鹽誘導下發(fā)生聚集。銀納米顆粒分散、聚集的不同狀態(tài)導致其紫外可見吸收值的不同即可定性、定量反映不同濃度的Pb（Ⅱ）離子。該生物傳感器實現了對Pb（Ⅱ）離子的特異性檢測，檢測線性范圍在0.5-4μM，檢測下限為0.5μM。同時該生物傳感器實現了對實際水樣中Pb（Ⅱ）離子的檢測，說明該生物傳感器具有良好的實際應用前景。本論文首次發(fā)現谷胱甘肽能夠保護銀納米顆粒抵抗鹽誘導的聚集，增強銀納米顆粒的穩(wěn)定性，并將這一原理應用于構建可視化、定量檢測Pb（Ⅱ）離子的生物傳感器。該生物傳感器利用鹽溶液放大檢測信號，可以實現高靈敏度、特異性檢測Pb（Ⅱ）離子。該研究方法為檢測環(huán)境中的重金屬離子提供了一條可能的思路：通過尋找與不同重金屬特異性結合的配體，結合銀納米等納米材料在分散、聚集條件下呈現不同顏色所帶來的紫外可見吸收值的變化，實現對環(huán)境中重金屬的特異性檢測。 2、利用TNT能夠淬滅銀納米簇熒光的原理構建了檢測TNT的生物傳感器。銀離子與單鏈DNA中胞嘧啶結合后，在硼氫化鈉還原作用下生成高質量、穩(wěn)定的熒光銀納米簇。三硝基甲苯（TNT）是一種較強電子受體，可以有效淬滅銀納米簇的熒光。TNT通過疏水作用結合到銀納米簇表面，淬滅其熒光，隨著TNT濃度的增加，TNT熒光淬滅效率增加，銀納米簇熒光強度減小，以此可以實現TNT檢測。該生物傳感器檢測TNT線性范圍在0.5-6μg/mL，檢測限為0.5μg/mL。通過對土壤和河水添加樣中TNT的檢測，證明該生物傳感器能夠實現對環(huán)境實際樣品中TNT的檢測。本論文首次發(fā)現三硝基甲苯可以淬滅ssDNA保護的銀納米簇熒光效應，并將其應用于構建檢測TNT的生物傳感器，為將熒光納米材料應用于TNT檢測生物傳感器的構建提供可借鑒的經驗。 3、基于斑點雜交原理構建了可視化、半定量檢測多環(huán)芳烴代表物苯并（а）芘的生物傳感器。該生物傳感器利用苯并（а）芘與苯并（а）芘抗體、吸附于硝酸纖維素膜上的苯并（а）芘抗原之間發(fā)生競爭性免疫反應特性，使用感光膠片對檢測信號進行收集。通過對感光膠片的曝光、顯影，該生物傳感器可以對濃度低至5ng/mL的苯并（а）芘進行可視化檢測。使用專業(yè)分析軟件對檢測信號強度進行分析，該生物傳感器可以實現半定量檢測苯并（а）芘。使用該生物傳感器對固相萃取法富集的河水樣品中的苯并（а）芘進行檢測，檢測結果說明該生物傳感器能夠應用于實際檢測。本論文通過將斑點雜交原理應用于構建檢測苯并（а）芘的生物傳感器，在不使用任何檢測儀器的條件下，可以實現對環(huán)境樣品中苯并（а）芘的定性、半定量檢測。該生物傳感器操作簡單、檢測特異性強，為環(huán)境有毒污染物檢測方法的研究提供了可行的思路。 4、應用單鏈DNA能夠通過堿基與銀納米顆粒之間形成的范德華力吸附到銀納米顆粒表面幫助銀納米顆粒抵抗鹽誘導的聚集原理構建了檢測含巰基氨基酸的生物傳感器。含巰基氨基酸通過巰基結合到銀納米顆粒表面，阻礙了單鏈DNA的吸附，失去單鏈DNA保護的銀納米顆粒在鹽的誘導下發(fā)生聚集，納米顆粒的紫外可見吸收值發(fā)生改變，以此可以實現檢測含巰基氨基酸。該生物傳感器對同型半胱氨酸、半胱氨酸、谷胱甘肽的檢測線性范圍分別在在10-500nM、50-500nM、100-500nM，檢測限分別為10nM、50nM、100nM。對模擬血清和尿液樣品中同型半胱氨酸的成功檢測證明該生物傳感器具有良好的實際應用前景。本論文基于單鏈DNA保護銀納米顆粒抵抗鹽誘導的聚集原理，根據含巰基氨基酸通過Ag-S鍵結合到銀納米顆粒表面替代單鏈DNA的實驗現象，創(chuàng)新性的將兩者有機結合構建了特異性檢測含巰基氨基酸的生物傳感器。通過鹽溶液放大信號作用，該生物傳感器能夠實現高靈敏度檢測含巰基氨基酸。通過分析銀納米顆粒分散、聚集狀態(tài)下不同紫外可見吸收值，該生物傳感器可以實現可視化、定量檢測含巰基氨基酸。該生物傳感器設計簡單、新穎，檢測快速、高效，為生物小分子物質檢測提供了新穎的研究思路。 5、基于單鏈DNA保護的金納米顆粒的穩(wěn)定性增強并能夠有效抵抗鹽誘導的聚集原理構建了檢測半胱氨酸的生物傳感器。單鏈DNA通過堿基與金納米顆粒之間形成的范德華力吸附到金納米顆粒表面，增強金納米顆粒的穩(wěn)定性。半胱氨酸通過巰基以Au-S鍵結合到金納米顆粒表面將單鏈DNA從金納米顆粒表面排開，失去單鏈DNA保護的金納米顆粒在鹽誘導條件下發(fā)生聚集，導致納米顆粒的紫外可見吸收值發(fā)生改變，以此實現檢測半胱氨酸。該生物傳感器檢測半胱氨酸線性范圍在0.1-5μM，檢測限為0.1μM。通過對模擬血清樣品中半胱氨酸的檢測，證明該生物傳感器具有良好的實際應用前景。該生物傳感器簡單、高效，檢測靈敏度高，為將納米材料用于構建檢測生物小分子物質的生物傳感器提供了可借鑒的研究思路。
【學位單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2012
【中圖分類】：X83;TP212
【部分圖文】：

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本文編號：2820914