基于連續(xù)可更新動(dòng)態(tài)液滴光化學(xué)生物傳感技術(shù)的研究和應(yīng)用.pdf

1、光化學(xué)生物傳感是以光學(xué)信號(hào)選擇性表達(dá)檢測體系化學(xué)、生物組分實(shí)時(shí)信息的應(yīng)用技術(shù)。作為學(xué)科交叉與滲透的產(chǎn)物，它是伴隨現(xiàn)代分析化學(xué)、有機(jī)合成技術(shù)、生物功能分子的應(yīng)用、聚合物化學(xué)乃至光學(xué)波導(dǎo)器件、微電子技術(shù)的進(jìn)步而迅速發(fā)展起來的分析化學(xué)前沿研究領(lǐng)域之一，它在生命科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、疾病診斷、藥物篩選、食品工業(yè)及材料科學(xué)等重要領(lǐng)域中正得到越來越多的應(yīng)用。 光化學(xué)生物傳感技術(shù)的不斷發(fā)展與廣泛應(yīng)用，也要求它自身的各種方法與理論不斷完善和創(chuàng)新。從化

2、學(xué)傳感的角度而言，我們希望識(shí)別分析對象的化學(xué)反應(yīng)為可逆反應(yīng)，以便樣品濃度增加或減少時(shí)能獲得連續(xù)的響應(yīng)信號(hào)。在已發(fā)展的許多光化學(xué)生物傳感器中，大多數(shù)識(shí)別反應(yīng)都符合這一要求。但仍然有一些在分析應(yīng)用上很有價(jià)值的化學(xué)反應(yīng)，由于反應(yīng)產(chǎn)物穩(wěn)定性高，或者反應(yīng)過程中有氣體或沉淀生成等原因，使得反應(yīng)完成后不能返回起始狀態(tài)。這些反應(yīng)往往有很高的檢測靈敏度和專一性，僅僅由于不可逆性而限制了它們在光化學(xué)傳感器中的應(yīng)用。而且在眾多的光化學(xué)傳感器中，敏感材料常常被

3、物理包埋在聚合物膜中制成敏感膜，敏感物質(zhì)的流失難以避免?；谛律旱喂獬氐墓饣瘜W(xué)生物傳感技術(shù)，提供了解決這些問題的辦法。這種測量裝置具有連續(xù)產(chǎn)生新鮮試劑并與樣品相互作用的功能，并且液滴本身就是無需任何光窗的光池，它避免了在傳統(tǒng)的光化學(xué)測量中，試劑和樣品對比色池的污染以及因反應(yīng)池池壁對光的吸收、散射或過程中產(chǎn)生的吸附物質(zhì)等所引起的對測量信號(hào)的干擾；液滴光池近似光學(xué)透鏡的形態(tài)具有聚光作用，使收集到的透射光信號(hào)比普通流通池更多，提高了光耦合效

4、率，因而可以大大提高傳感器檢測的靈敏度和準(zhǔn)確性。 本論文在我們實(shí)驗(yàn)室前期開展的動(dòng)態(tài)液滴光化學(xué)傳感技術(shù)研究工作的基礎(chǔ)上，充分結(jié)合現(xiàn)代分析技術(shù)和熒光分析手段，系統(tǒng)研究了液滴生長機(jī)理、光波傳輸與耦合效率、信號(hào)接收與重現(xiàn)性等涉及液滴光化學(xué)生物傳感器選擇性與靈敏度的技術(shù)指標(biāo)問題；探討了液滴表面更新技術(shù)及在反應(yīng)體系中既可充當(dāng)無光窗光池又可充當(dāng)反應(yīng)器的特征，從而為不可逆反應(yīng)體系在光化學(xué)生物傳感領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了新的思路和方法；通過對以光纖傳導(dǎo)

5、為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)液滴光化學(xué)傳感原理驗(yàn)證機(jī)的改進(jìn)，發(fā)展了以F2500和LS55型熒光/磷光/發(fā)光光度計(jì)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的新型液滴光化學(xué)檢測方法；構(gòu)建了以流動(dòng)注射分析和動(dòng)態(tài)液滴傳感技術(shù)相結(jié)合的多種新型熒光化學(xué)生物傳感器，初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化程度高、測試過程時(shí)間短、樣品試劑消耗量低、實(shí)時(shí)在線的檢測模式；首次研制開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集吸光檢測與熒光檢測于一體的動(dòng)態(tài)液滴光化學(xué)生物傳感儀器，從而實(shí)現(xiàn)了多通道、多組分、多信號(hào)的同時(shí)檢測，為現(xiàn)代光化學(xué)生物傳感器從

6、原有的單參數(shù)式向多參數(shù)、多維乃至智能化方向的發(fā)展提供了可能性。 本論文開展的具體工作包括兩大部分：第一部分：動(dòng)態(tài)液滴光化學(xué)生物傳感技術(shù)的原理與裝置的研究系統(tǒng)闡述了動(dòng)態(tài)液滴光化學(xué)生物傳感技術(shù)的作用機(jī)制及工作原理；在以光纖傳導(dǎo)為基礎(chǔ)的動(dòng)態(tài)液滴傳感原理驗(yàn)證機(jī)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了以F-2500和LS55型熒光/磷光/發(fā)光光度計(jì)為基礎(chǔ)的液滴傳感裝置，對光源、分光系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、傳輸泵、液滴生成部分均做了較大幅度的改進(jìn)，改善了儀器的性能，提高了

7、檢測靈敏度；研制開發(fā)了集吸光檢測與熒光檢測于一體的第三代動(dòng)態(tài)液滴光化學(xué)生物傳感儀器。 第二部分：動(dòng)態(tài)液滴光化學(xué)生物傳感技術(shù)在實(shí)際檢測體系中的應(yīng)用1.在無機(jī)離子檢測體系中的應(yīng)用基于酸性條件下，碘化鉀可被溶液中的亞硝酸根或碘酸根氧化產(chǎn)生碘單質(zhì)而使異硫氰酸熒光素或熒光素發(fā)生熒光猝滅的原理，對亞硝酸鹽和碘酸鹽進(jìn)行檢測。在優(yōu)化條件下，體系熒光強(qiáng)度的變化值(△F)與亞硝酸根溶液的濃度(C)在25～100μg/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，回歸方程為△

8、F=202.04+0.7435C；體系熒光強(qiáng)度的變化值(△F)與碘酸根溶液的濃度(C)在200～800μg/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，回歸方程為△F=-28.799+0.386C；利用該方法對環(huán)境水樣中痕量的亞硝酸鹽和食鹽中碘酸鹽的含量進(jìn)行檢測，取得滿意的結(jié)果。2.結(jié)合固定化酶技術(shù)在有機(jī)分子檢測體系中的應(yīng)用 ①報(bào)道了一種基于凝膠網(wǎng)格中固定酶的流動(dòng)注射液滴熒光分析方法用于溶液中微量L-賴氨酸的檢測方法。實(shí)驗(yàn)中用丙烯酰胺作聚合劑，N,N-

9、亞甲基雙丙烯酰胺作為交聯(lián)劑，過硫酸銨作為引發(fā)劑，在光照或加熱的情況下可交聯(lián)形成凝膠。在酶均勻分散的情況下分別制成辣根過氧化酶酶柱和L-氨基酸氧化酶酶柱。L-氨基酸氧化酶可將溶液中的L-賴氨酸氧化生成過氧化氫，過氧化氫在辣根過氧化酶的催化作用下使TMB-d的熒光發(fā)生猝滅，TMB-d熒光強(qiáng)度變化值與溶液中L-賴氨酸的濃度存在相應(yīng)的關(guān)系，以此為依據(jù)可測定溶液中微量的L-賴氨酸。在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下，溶液濃度為2.0×10-7mol/L到1.1×

10、10-5mol/L范圍內(nèi)，體系熒光強(qiáng)度的變化值(△F)與L-賴氨酸的濃度(C)呈線性關(guān)系，回歸方程為F0/F=0.9776+2.783×105C。 ②利用納米顆粒具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)的特點(diǎn)，將酶吸附在SiO2納米顆粒表面，用易成膜的聚乙烯醇縮丁醛(PVB)做輔助基質(zhì)在毛細(xì)管上固定酶，并采用分立式酶柱，克服了以往混合型酶柱普遍存在的酶促效率不高、使用壽命較短的局限性。所制得的酶柱具有表面反應(yīng)活性高、表面活性中心多、催化效率高

11、等特點(diǎn)。結(jié)合自行設(shè)計(jì)的液滴光化學(xué)生物傳感裝置，建立了一種高效、快速、微量的葡萄糖實(shí)時(shí)檢測方法。在濃度(C)為2.0～400ng/mL范圍內(nèi)，熒光熄滅值(F0/F-1)值與C成良好的線性關(guān)系。3.在藥物分子硫胺素分析體系中的應(yīng)用 ①硫胺素在堿性條件下，被過氧化氫氧化可生成具有較強(qiáng)熒光的硫胺熒，其熒光強(qiáng)度取決于過氧化氫的濃度。基于此原理，利用可更新動(dòng)態(tài)液滴光化學(xué)傳感器對過氧化氫含量進(jìn)行檢測。在K2HPO4-NaOH緩沖溶液中，實(shí)現(xiàn)了

12、過氧化氫在較寬線形范圍內(nèi)的快速測定，其線形響應(yīng)范圍為2.5×10-5mol/L～1.9×10-4mol/L，其檢出限為4.88×10-6mol/L。②利用可更新動(dòng)態(tài)液滴光化學(xué)傳感技術(shù)對硫胺素在Hg2+作用下的在線氧化反應(yīng)的熒光變化進(jìn)行了研究?？朔藗鹘y(tǒng)光化學(xué)傳感器中由于Hg2+易于出現(xiàn)沉淀而難以在比色皿中進(jìn)行光度分析的缺點(diǎn)，進(jìn)一步證實(shí)了液滴光化學(xué)傳感技術(shù)可應(yīng)用于不可逆反應(yīng)體系。在最優(yōu)條件下，硫胺素在1.5×104～3.0×10-6mg/

13、mL范圍內(nèi)有較好的線形響應(yīng)，檢測限為3.0×104mg/mL。建立了一種高靈敏度、在線、實(shí)時(shí)、快速的硫胺素檢測方法。③利用維生素B1、B2和B6在葡聚糖凝膠上的不同吸附性質(zhì)及B1、B6在鐵氰化鉀堿性溶液中的熒光相反表現(xiàn)，應(yīng)用于復(fù)合維生素B藥片和人工合成樣品的檢測，獲得了較為滿意的結(jié)果。維生素B1、B2和B6在濃度分別為0.01～8.00μg/mL，0.01～10.00μg/mL和0.01～3.00μg/mL范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，其檢出限分別