基于类石墨相氮化碳构建电化学及电致化学发光生物传感器用于有机磷的检测

摘要

有机磷（Organophosphorus pesticides，OPs）因其剧毒的性质被广泛应用于杀虫剂。而残留在土壤、食品、环境中的 OPs也给人类的健康带来了威胁。世界卫生组织表示中老年人长期食用有农药残留的蔬菜水果等农产品其罹患帕金森病、早老性痴呆、心脑血管病、糖尿病、白血病等严重疾病的风险明显增加。因此对 OPs残留进行高效、高灵敏检测成为亟待解决的问题。电化学技术是应用非常广泛、成熟的一项 OPs分析技术，具有操作简单、准确性高和低成本等优点。电致化学发光技术（Electrochemiluminescence，ECL）是结合电化学与发光化学的一门新型的 OPs分析检测技术。它具有低的背景信号，高的灵敏度和快速检测等优点。在本论文中，我们着重于合成新型的类石墨相氮化碳（Graphitic carbon nitride, g-C3N4）纳米复合材料，并结合OPs对乙酰胆碱酯酶（Acetylcholinesterase，AChE）的抑制作用设计了新型的电化学及ECL生物传感器，用于有机磷的检测（我们主要以乙基对氧磷（Ethyl paraoxon）为模板目标物），具体研究内容如下：
　　1.基于Pd蠕虫状纳米链/氮化碳构建电化学生物传感器检测有机磷和石杉碱甲A
　　g-C3N4由于具有良好的热稳定性和化学稳定性而被广泛应用在化学发光和电致化学发光领域，但其在电化学领域的应用一直较少。在此次研究中，我们利用g-C3N4较大的比表面积成功将其与Pd蠕虫状纳米链（Pd WLNCs）合成纳米复合材料（Pd WLNCs/g-C3N4）。并基于Pd WLNCs/g-C3N4复合材料和AChE制备了新型电化学生物传感器检测OPs和石杉碱甲（hup A），拓宽了g-C3N4在电化学领域的应用。通过透射电子显微镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）对纳米复合材料的形貌和组分进行表征。实验结果表明，Pd WLNCs/g-C3N4纳米复合材料可以有效地固载酶，并实现信号放大。在最佳实验条件下，所构建的生物传感器显示出良好的性能。OPs和 hup A的线性响应范围分别为1.00 nmol·L 1至14.96μmol·L 1和3.89 nmol·L 1至20.80μmol·L 1，相应的检测限分别为0.33 nmol·L 1和1.30 nmol·L 1（S/N=3）。同时，该生物传感器具有良好的重现性和稳定性，可用于实际样品分析。
　　2.基于环糊精功能化的氮化碳构建电致化学发光生物传感器检测有机磷
　　OPs可以抑制AChE的活性，从而减少酶催化产物硫代胆碱和乙酸（HAc）的生成量。传统的有机磷检测机理多是基于硫代胆碱的量的变化，而忽略了另一种产物 HAc。在这次的研究中，我们基于OPs对HAc产量的影响，结合酸碱反应构建了一种新型的OPs检测方法。首先，合成了新型纳米复合材料氮化碳- -环糊精（g-C3N4-CD），与g-C3N4相比，该复合材料具有更好的分散性，稳定性和发光效率。同时，所获得的 g-C3N4-CD具有超分子识别特性，可以与羧基二茂铁（Fc-COOH）形成主客体包络复合物（g-C3N4-CD-Fc-COOH）。此外，通过酰胺化反应，乙酰胆碱酯酶（AChE）可以高效被 g-C3N4-CD-Fc-COOH固载，形成新的生物复合物 g-C3N4-CD-Fc-COOH/AChE。然后，基于酶的抑制机制和合成的生物复合材料g-C3N4-CD-Fc-COOH/AChE构建了用于OPs检测的ECL生物传感器。该传感器的检测机理如下：通过酶促反应原位产生的HAc可以消耗电极表面周围的共反应试剂三乙胺（Et3N），使得ECL信号显著降低，在加入OPs后，因为OPs对AChE活性的抑制，Et3N的消耗量减少，导致ECL信号的增强。在最佳实验条件下，将构建的生物传感器用于OPs的检测，其线性范围为1.0 pmol·L 1至0.5 mol·L 1，检测限为0.3 pmol·L 1。该生物传感器具有背景信号低，响应快速等优点，为实际样品中的OPs检测提供新的思路。
　　3.基于羧基化氮化碳-聚乙烯亚胺复合物构建电致化学发光生物传感器检测有机磷
　　在ECL生物传感器的构建过程中，信号放大是至关重要的一步。g-C3N4的信号放大往往是基于金属材料的引入，较少的高分子聚合物被应用于放大g-C3N4的ECL信号。我们将聚乙烯亚胺高分子聚合物（PEI）与羧基化的g-C3N4（C-g-C3N4）键合，成功改善C-g-C3N4的发光效率，实现信号放大。并且基于羧基氮化碳-聚乙烯亚胺新型复合物（C-g-C3N4-PEI）和AChE制备了ECL生物传感器用于OPs的灵敏检测。通过C-g-C3N4的-COOH与PEI的-NH2之间的酰胺反应制备的C-g-C3N4-PEI纳米复合材料可以显著增强ECL效率和传感器的稳定性。AChE水解硫代乙酰胆碱（ATCl）产生硫代胆碱，硫代胆碱可以与C-g-C3N4-PEI的共反应试剂K2S2O8反应，使K2S2O8的量减少。因为OPs是AChE抑制剂，所以共反应剂K2S2O8的消耗随着OPs浓度的增加而降低，从而获得增强的EC L信号。在最佳实验条件下，所制备的生物传感器的线性范围为1.0 pmol·L 1至5.0μmol·L 1，检测限为0.3 pmol·L 1。该新型策略具有实用性、稳定性和重现性好的优点，为实际样品中的OPs检测提供了新的方法。
　　综上，基于 Pd WLNCs/g-C3N4纳米复合材料、g-C3N4-CD纳米复合材料、C-g-C3N4-PEI纳米复合材料和AChE分别构建了电化学和电致化学发光生物传感器以检测OPs。通过引入其他材料改善g-C3N4的分散性、导电性、发光效率等，拓宽了g-C3N4的应用领域，提高了生物传感器的灵敏度。并且利用酶催化底物产生的HAc和硫代胆碱的量的变化，作为定量检测OPs的指标。实验结果表明，所制备的生物传感器可以实现 OPs的灵敏检测，且具有较宽的检测范围和较低的检测限，这为我们以后实现OPs快速和即时奠定了基础。

目录

声明

第1章 绪论

1. 1有机磷中毒机理

1. 2有机磷检测方法

1. 3电致化学发光材料

1. 4几种常见的材料及其在传感器领域的应用

1. 5本论文的选题背景和主要工作

第2章 基于Pd蠕虫状纳米链/氮化碳构建电化学生物传感器检测有机磷和石杉碱甲A

2. 1引言

2. 2实验部分

2. 3结果与讨论

2. 4结论

第3章 基于环糊精功能化的氮化碳构建电致化学发光生物传感器检测有机磷

3. 1引言

3. 2 实验部分

3. 3结果与讨论

3. 4结论

第4章 基于羧基化氮化碳-聚乙烯亚胺复合物构建电致化学发光生物传感器检测有机磷

4. 1引言

4. 2实验部分

4. 3结果与讨论

4. 4结论

全文总结及展望

参考文献

作者部分相关论文题录

致谢