高靈敏功能性生物傳感器檢測城市生活垃圾堆肥中污染物及特征物質的研究.pdf

1、本文考察了高靈敏生物傳感器應用于城市生活垃圾堆肥復雜系統(tǒng)中污染物和特征物質檢測的可行性和機制研究。結合目前已經(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的DNA傳感器和汞傳感器，以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡結合酶生物傳感器檢測堆肥系統(tǒng)中目標物的研究情況。重金屬和有機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）和有機污染物尤其是難降解的持久性有機污染物，因為具有累積和富集的效應，即便濃度很低，也有可能給環(huán)境和人體帶

2、來嚴重危害。這類物質需要格外關注和嚴格監(jiān)控，但由于城市生活垃圾來源廣泛，使得堆肥系統(tǒng)成分構成復雜，具有不確定性；同時堆肥化體系反應復雜，給監(jiān)測造成了巨大難度。使用傳統(tǒng)監(jiān)測方法，操作繁瑣，在多種物質共存的條件下易受干擾，影響檢測的精度和準確性，難以滿足精確高效的現(xiàn)代監(jiān)測技術的發(fā)展需求。生物傳感器和在線檢測策略是環(huán)境檢測領域近年的研究熱點。將生物傳感器技術和在線檢測技術應用于堆肥系統(tǒng)的監(jiān)控領域，結合神經(jīng)網(wǎng)絡以及現(xiàn)代新型材料，開展用于檢測環(huán)境

3、污染物和生物大分子的生物傳感檢測研究，建立高靈敏、高選擇性的新型動態(tài)分析檢測和無損檢測方法以及多元參數(shù)的檢測監(jiān)視方法，從而實現(xiàn)城市生活垃圾堆肥研究中的一項關鍵技術,提高堆肥過程監(jiān)控。為環(huán)境科學與工程中的實際問題的解決提供新的科學工具。本研究主要內容包括：
　　⑴基于免疫反應，開發(fā)適用于檢測堆肥中有機污染物的免疫傳感器。以除草劑毒莠為代表，將這類小分子半抗原與牛血清蛋白結合，合成既有免疫原性又有反應原性的完全抗原，進而注射入活兔體內

4、進行免疫培養(yǎng)，制備出高效價的毒莠定免疫抗體。采用競爭式的檢測策略，利用順磁性將負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爭發(fā)生免疫反應，形成電化學信號變化，開發(fā)出一種高靈敏的電化學免疫傳感器。在優(yōu)化條件下進行I-t掃描，I-t響應電流的平均下降比DP（％）與待測毒莠定濃度的自然對數(shù)成線性關系，檢測下限為1×10-4μg/mL，線性范圍為1×10-4～10μg/

5、mL，相關系數(shù)為0.9945，并用于堆肥體系和湘江水樣中的毒莠定檢測?；谥|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。將 FITC熒光素包埋在標記了毒莠定抗體的脂質體內。使用醛基功能化的玻片分別連續(xù)與毒莠定、脂質體標記的毒莠定免疫抗體反應。反應完成后，溶解脂質體釋放FITC，并檢測FITC的熒光強度。熒光強度和毒莠定濃度的對數(shù)呈線性關系，濃度的線性范圍為1×10-4～100 ng/m

6、L，相關系數(shù)0.996，檢測下限達到1×10-5 ng/mL（S/N=3）。
　?、评铆h(huán)境功能性物質，結合新型納米材料和生物分子材料，構建高靈敏生物傳感檢測體系測定目標物的研究。利用木質素過氧化物酶（LiP）的特異性保守 DNA序列互補的DNA片段制備構建可識別堆肥中LiP的DNA保守序列的電化學DNA傳感器。在堆肥處理城市生活垃圾過程中，微生物分泌的LiP被認為是啟動微生物降解木質素的一種關鍵酶。通過檢測LiP特定編碼基因片段

7、能夠有效表征微生物降解木質素過程中LiP的動態(tài)變化情況。使用MNPs-Cys/MWCNTs-GNPs/Chi功能化電極，并構建基于酶聯(lián)放大的競爭式基因雜交反應電化學傳感體系。在優(yōu)化條件下測定HRP催化的電化學氧化還原電流。I-t響應電流平均下降比和LiP目標鏈濃度的自然對數(shù)呈線性關系，濃度的線性范圍為0.001～1μM，相關系數(shù)0.994，檢測下限1 nM，靈敏度為2.707×103 mA/M cm。基于Hg2+可以與DNA上胸腺嘧啶（

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

9、傳感器具有較強的環(huán)境適應性、良好的選擇性、靈敏性以及再生能力。優(yōu)化條件下進行SWV檢測，在濃度范圍0.05～350 nM，峰電流響應與 Hg2+濃度的對數(shù)呈線性相關，相關系數(shù)為0.9952，檢測下限為0.01 nM。開發(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，配合亞甲基藍標記的納米金信號放大策略構建了一個超靈敏的電化學汞傳感器。優(yōu)化條件

10、下，在濃度范圍1.0 aM～100 nM，峰電流響應與Hg2+濃度的對數(shù)呈線性相關，檢測下限達到0.001 aM。
　?、沁\用不同的功能化電極以及納米金信號放大策略構建電化學傳感器，進行電化學傳感策略檢測性能影響的機制研究，以便更有效地開發(fā)適用于堆肥復雜體系中目標物檢測的電化學傳感策略。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，選取亞甲基藍作為電化學信號指示劑，搭配納米金信

11、號放大策略構建電化學傳感器檢測相同的目標物。實驗結果表明，納米金載體信號放大策略對電化學檢測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)對電化學檢測性能出更加顯著的影響力（效能超過70%）。
　?、冉Y合人工神經(jīng)網(wǎng)絡（ANN），復雜環(huán)境體系中定量檢測有機污染物的數(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，拓展構建了ANN模型與漆酶生物傳感器檢測系統(tǒng)快速、低成本定量分析堆肥浸出液中的對

12、苯二酚含量。該檢測系統(tǒng)不僅繼承了生物傳感器快速、簡便，靈敏的優(yōu)勢，還能有效避免檢測范圍限制、信號重疊和干擾等影響，實現(xiàn)復雜環(huán)境污染物體系的快速準確檢測。相比于直接使用漆酶生物傳感器檢測堆肥中對苯二酚，該檢測系統(tǒng)利用非線性檢測和ANN模型的預測能力，不僅將檢測范圍擴大到1.5×10-8 M~3.6×10-4 M，優(yōu)于已知的對苯二酚傳感器，而且提升了檢測精度，為開發(fā)可應用于復雜環(huán)境中污染物的高效在線檢測系統(tǒng)奠定基礎。進行堆肥中污染物及特征物