基于介孔碳的电化学酪氨酸酶生物传感器测定水体中的苯酚及高效液相色谱法

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时间:2019-06-11

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资源描述:

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1、本实验主要是采用新型的介孔碳材料作为固载酪氨酸酶的检测平台构建生物传感器,应用于水体环境中苯酚污染物的检测,并通过高效液相色谱法对电化学酪氨酸酶生物传感器法的准确性进行了评价。研究表明,介孔碳的“空间限制效应”能够防止酪氨酸酶(三维尺寸为6.5nmx9.8nmx5.5nm)体外去折叠失活。基于介孔碳材料构建的电化学酪氨酸酶生物传感器在苯酚污染物检测方面显示了优良的性能,其重现性、灵敏度、稳定性、选择性以及检出限均比较令人满意。基于介孔碳的电化学酪氨酸酶生物传感器对苯酚污染物的检出限达到20nmol/L,线性范围0.

2、1-10mol/L。采用基于介孔碳的电化学酪氨酸酶生物传感器和高效液相色谱法对实际水产品进行测定结果比对,结果表明该生物传感器方法检测结果准确、有效,适合于苯酚污染物突发污染事件的应急检测。基于介孔碳的电化学酪氨酸酶生物传感器测定水体中的苯酚及高效液相色谱法评价介孔碳是一类新型的非硅基介孔材料,2nm<孔径<50nm,具有巨大的比表面积(可高达2500m2/g)和孔体积(可高达2.25cm3/g),非常有望在催化剂载体、储氢材料、电极材料等方面得到重要应用,因此受到人们的高度重视。此外介孔材料制得的双电层电容材料的

3、电荷储量高于金属氧化物粒子组装后的电容量,更远高于市售的金属氧化物双电层电容器。空间限制效应:镶嵌于介质中的半导体纳米颗粒,当它们的尺寸为量子尺寸(即可以与半导体块材料中束缚激子的玻尔半径相比较)时,存在着对电子结构的空间量子限制效应。这种效应表现在三个方面〔3〕:第一,在接近布里渊区中心处,不存在价带或导带;第二,空间限制项加在带能量上,块材带隙光学吸收和带-带跃迁大大地减少;第三,电子和空穴的波函数总是在相当大的程度上交迭着,且可因库仑相互作用而形成激子。激子的运动除了受到半导体纳米晶体本身的空间量子限制之外,

4、还受到周围介质的势垒的限制作用(总称量子限制效应作用)。苯酚是一种常见的工业污染物,主要来源于炼焦、炼油、造纸等生产过程中排出的废气和废水。苯酚可经呼吸道、消化道和皮肤侵人人体,与细胞原生质中的蛋白质结合,使细胞失去活力。苯酚还对神经、泌尿、消化系统有毒害作用。苯酚是环境中广泛存在的一类优先控制有机污染物,不仅具有毒性,还具有内分泌干扰效应。苯酚污染物严重威胁饮用水安全和人类健康,对苯酚污染物进行检测是饮用水安全评价的一项重要指标。我国生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)规定饮用水中挥发性酚类似苯酚计)不能

5、超过0.002mg/L。存在于饮用水环境中的这些苯酚污染物严重威胁着生态安全和人类健康。所以需要发展高灵敏度、高选择性的检测方法,从而能够及时筛查出环境中的苯酚污染物并及时采取补救措施。目前常用高效液相色谱(HPLC)等方法对苯酚污染物进行定量检测。此类分析方法的准确度较高,但是操作复杂、耗时并且仪器设备笨重、分析成本高,不适于大量环境样品的快速筛查。因此急需发展灵敏、经济、便捷的能够筛查水体环境中的苯酚污染物的新方法。酪氨酸酶(三维尺寸为6.5nmx9.8nmx5.5nm)生物传感器是催化氧化苯酚的核心部件,同时

6、酪氨酸酶也是一种生物活性蛋白质(体外易失活)。酪氨酸酶易失活的特性决定了必须要有一个对酪氨酸酶分子生物相容性较好的固定材料来提供一个有利的微环境,以保持其生物活性和稳定性,同时要求这个固定基底具有较好的电化学换能力(导电性)和高的酶载量以提高生物传感器的灵敏度和检出限。因此,电化学酶基生物传感器发展的核心是传感材料,性能优良的固定材料能够显著提高酶的体外稳定性和生物活性。电化学酪氨酸酶生物传感器是一种非常有应用前景的苯酚污染物检测方法。其对苯酚的检测原理是:电化学酪氨酸酶生物传感器能够利用分子氧催化苯酚生成邻苯酚和

7、邻苯醌,而邻苯醌又可以在电极表面通过电化学催化还原生成邻苯酚形成信号循环放大。有序介孔碳具有可控的孔结构和孔径大小。大的比表面积和孔体积、良好的导电性、好的电化学稳定性,可以作为酪氨酸酶的理想固定基底。本研究将酪氨酸酶分子诱陷到合适孔径大小的介孔碳材料中,并由此构建了基于介孔碳材料的酪氨酸酶生物传感器。研究结果发现,当介孔碳直径与酶分子大小相匹配时,利用介孔碳的空间限制效应,可防止酶分子的去折叠失活,提高酶的长期稳定性和生物活性;同时酪氨酸酶分子与导电基底之间由于距离较近而减少了长程电子传输,利于电化学能转化。介孔

8、碳多孔的网络骨架结构还可以为酪氨酸酶反应的底物和产物提供通畅的通道,提高传感器的响应速度和灵敏度。此外,介孔碳材料优良的电化学换能能力和高的酶载量能够满足环境中酚类检测对酪氨酸酶生物传感器在灵敏度和检出限等方面的要求,达到快速检测环境样品中苯酚污染物的要求。本研究采用高准确度的(HPLC)对电化学酪氨酸酶生物传感器检测结果的准确性、可靠性进行了评价。1.1材

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