高靈敏功能性生物傳感器檢測(cè)城市生活垃圾堆肥中污染物及特征物質(zhì)的研究.pdf

1、本文考察了高靈敏生物傳感器應(yīng)用于城市生活垃圾堆肥復(fù)雜系統(tǒng)中污染物和特征物質(zhì)檢測(cè)的可行性和機(jī)制研究。結(jié)合目前已經(jīng)完成的工作討論了基于免疫分析的免疫傳感器、基于寡聚核苷酸技術(shù)的DNA傳感器和汞傳感器，以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合酶生物傳感器檢測(cè)堆肥系統(tǒng)中目標(biāo)物的研究情況。重金屬和有機(jī)污染物在堆肥處理的城市生活垃圾中很普遍，重金屬（不能生物降解）和有機(jī)污染物尤其是難降解的持久性有機(jī)污染物，因?yàn)榫哂欣鄯e和富集的效應(yīng)，即便濃度很低，也有可能給環(huán)境和人體帶

2、來(lái)嚴(yán)重危害。這類(lèi)物質(zhì)需要格外關(guān)注和嚴(yán)格監(jiān)控，但由于城市生活垃圾來(lái)源廣泛，使得堆肥系統(tǒng)成分構(gòu)成復(fù)雜，具有不確定性；同時(shí)堆肥化體系反應(yīng)復(fù)雜，給監(jiān)測(cè)造成了巨大難度。使用傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方法，操作繁瑣，在多種物質(zhì)共存的條件下易受干擾，影響檢測(cè)的精度和準(zhǔn)確性，難以滿足精確高效的現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展需求。生物傳感器和在線檢測(cè)策略是環(huán)境檢測(cè)領(lǐng)域近年的研究熱點(diǎn)。將生物傳感器技術(shù)和在線檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于堆肥系統(tǒng)的監(jiān)控領(lǐng)域，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)代新型材料，開(kāi)展用于檢測(cè)環(huán)境

3、污染物和生物大分子的生物傳感檢測(cè)研究，建立高靈敏、高選擇性的新型動(dòng)態(tài)分析檢測(cè)和無(wú)損檢測(cè)方法以及多元參數(shù)的檢測(cè)監(jiān)視方法，從而實(shí)現(xiàn)城市生活垃圾堆肥研究中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),提高堆肥過(guò)程監(jiān)控。為環(huán)境科學(xué)與工程中的實(shí)際問(wèn)題的解決提供新的科學(xué)工具。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、呕诿庖叻磻?yīng)，開(kāi)發(fā)適用于檢測(cè)堆肥中有機(jī)污染物的免疫傳感器。以除草劑毒莠為代表，將這類(lèi)小分子半抗原與牛血清蛋白結(jié)合，合成既有免疫原性又有反應(yīng)原性的完全抗原，進(jìn)而注射入活兔體內(nèi)

4、進(jìn)行免疫培養(yǎng)，制備出高效價(jià)的毒莠定免疫抗體。采用競(jìng)爭(zhēng)式的檢測(cè)策略，利用順磁性將負(fù)載有毒莠定免疫抗體的核-殼磁性納米顆粒將固定在碳糊電極表面，在漆酶標(biāo)記的毒莠定濃度固定的情況下，根據(jù)與不同濃度毒莠定競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生免疫反應(yīng)，形成電化學(xué)信號(hào)變化，開(kāi)發(fā)出一種高靈敏的電化學(xué)免疫傳感器。在優(yōu)化條件下進(jìn)行I-t掃描，I-t響應(yīng)電流的平均下降比DP（％）與待測(cè)毒莠定濃度的自然對(duì)數(shù)成線性關(guān)系，檢測(cè)下限為1×10-4μg/mL，線性范圍為1×10-4～10μg/

5、mL，相關(guān)系數(shù)為0.9945，并用于堆肥體系和湘江水樣中的毒莠定檢測(cè)?；谥|(zhì)體包埋熒光素，研制出一種超靈敏的熒光免疫傳感器用于堆肥體系和城市污水處理廠水樣中的毒莠定檢測(cè)。將 FITC熒光素包埋在標(biāo)記了毒莠定抗體的脂質(zhì)體內(nèi)。使用醛基功能化的玻片分別連續(xù)與毒莠定、脂質(zhì)體標(biāo)記的毒莠定免疫抗體反應(yīng)。反應(yīng)完成后，溶解脂質(zhì)體釋放FITC，并檢測(cè)FITC的熒光強(qiáng)度。熒光強(qiáng)度和毒莠定濃度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，濃度的線性范圍為1×10-4～100 ng/m

6、L，相關(guān)系數(shù)0.996，檢測(cè)下限達(dá)到1×10-5 ng/mL（S/N=3）。
　　⑵利用環(huán)境功能性物質(zhì)，結(jié)合新型納米材料和生物分子材料，構(gòu)建高靈敏生物傳感檢測(cè)體系測(cè)定目標(biāo)物的研究。利用木質(zhì)素過(guò)氧化物酶（LiP）的特異性保守 DNA序列互補(bǔ)的DNA片段制備構(gòu)建可識(shí)別堆肥中LiP的DNA保守序列的電化學(xué)DNA傳感器。在堆肥處理城市生活垃圾過(guò)程中，微生物分泌的LiP被認(rèn)為是啟動(dòng)微生物降解木質(zhì)素的一種關(guān)鍵酶。通過(guò)檢測(cè)LiP特定編碼基因片段

7、能夠有效表征微生物降解木質(zhì)素過(guò)程中LiP的動(dòng)態(tài)變化情況。使用MNPs-Cys/MWCNTs-GNPs/Chi功能化電極，并構(gòu)建基于酶聯(lián)放大的競(jìng)爭(zhēng)式基因雜交反應(yīng)電化學(xué)傳感體系。在優(yōu)化條件下測(cè)定HRP催化的電化學(xué)氧化還原電流。I-t響應(yīng)電流平均下降比和LiP目標(biāo)鏈濃度的自然對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，濃度的線性范圍為0.001～1μM，相關(guān)系數(shù)0.994，檢測(cè)下限1 nM，靈敏度為2.707×103 mA/M cm?；贖g2+可以與DNA上胸腺嘧啶（

8、T）特異性綁定的協(xié)調(diào)化學(xué)作用，進(jìn)而形成T-Hg2+-T錯(cuò)配的雙鏈DNA構(gòu)型的性質(zhì)，使用富含胸腺嘧啶（T）的DNA探針開(kāi)發(fā)新型汞傳感器用于堆肥樣品監(jiān)測(cè)。開(kāi)發(fā)了一種基于汞特異性 DNA、3D納米金簇和陰離子嵌入劑構(gòu)建的電化學(xué)生物傳感器進(jìn)行堆肥浸出液等環(huán)境樣品中的痕量汞的檢測(cè)識(shí)別。在電極表面電沉積3D金納米簇，并運(yùn)用陰離子嵌入劑——2,6-蒽醌二磺酸鈉（AQDS），顯著改善了傳感器的檢測(cè)性能，并在環(huán)境樣品的Hg2+檢測(cè)中表現(xiàn)出了良好的效果。該

9、傳感器具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性、良好的選擇性、靈敏性以及再生能力。優(yōu)化條件下進(jìn)行SWV檢測(cè)，在濃度范圍0.05～350 nM，峰電流響應(yīng)與 Hg2+濃度的對(duì)數(shù)呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.9952，檢測(cè)下限為0.01 nM。開(kāi)發(fā)了一種基于石墨烯、納米金以及功能化策略的超靈敏Hg2+檢測(cè)方法，在玻碳電極表面依次電沉積上石墨烯和納米金，再自組裝修飾上汞特異性 DNA探針，配合亞甲基藍(lán)標(biāo)記的納米金信號(hào)放大策略構(gòu)建了一個(gè)超靈敏的電化學(xué)汞傳感器。優(yōu)化條件

10、下，在濃度范圍1.0 aM～100 nM，峰電流響應(yīng)與Hg2+濃度的對(duì)數(shù)呈線性相關(guān)，檢測(cè)下限達(dá)到0.001 aM。
　?、沁\(yùn)用不同的功能化電極以及納米金信號(hào)放大策略構(gòu)建電化學(xué)傳感器，進(jìn)行電化學(xué)傳感策略檢測(cè)性能影響的機(jī)制研究，以便更有效地開(kāi)發(fā)適用于堆肥復(fù)雜體系中目標(biāo)物檢測(cè)的電化學(xué)傳感策略。分別使用納米金功能化電極、金納米簇功能化電極、碳納米管-納米金功能化電極、石墨烯-納米金功能化電極，選取亞甲基藍(lán)作為電化學(xué)信號(hào)指示劑，搭配納米金信

11、號(hào)放大策略構(gòu)建電化學(xué)傳感器檢測(cè)相同的目標(biāo)物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，納米金載體信號(hào)放大策略對(duì)電化學(xué)檢測(cè)性能具有一定的提升作用（效能約為30%），但是不同的功能化電極能夠表現(xiàn)對(duì)電化學(xué)檢測(cè)性能出更加顯著的影響力（效能超過(guò)70%）。
　?、冉Y(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），復(fù)雜環(huán)境體系中定量檢測(cè)有機(jī)污染物的數(shù)據(jù)分析研究?；诤?殼磁性納米粒子在電極表面固定漆酶的生物傳感器，拓展構(gòu)建了ANN模型與漆酶生物傳感器檢測(cè)系統(tǒng)快速、低成本定量分析堆肥浸出液中的對(duì)

12、苯二酚含量。該檢測(cè)系統(tǒng)不僅繼承了生物傳感器快速、簡(jiǎn)便，靈敏的優(yōu)勢(shì)，還能有效避免檢測(cè)范圍限制、信號(hào)重疊和干擾等影響，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境污染物體系的快速準(zhǔn)確檢測(cè)。相比于直接使用漆酶生物傳感器檢測(cè)堆肥中對(duì)苯二酚，該檢測(cè)系統(tǒng)利用非線性檢測(cè)和ANN模型的預(yù)測(cè)能力，不僅將檢測(cè)范圍擴(kuò)大到1.5×10-8 M~3.6×10-4 M，優(yōu)于已知的對(duì)苯二酚傳感器，而且提升了檢測(cè)精度，為開(kāi)發(fā)可應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境中污染物的高效在線檢測(cè)系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。進(jìn)行堆肥中污染物及特征物