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汞离子的比率荧光传感研究及其在农田灌溉水中的应用

李文佳  
【摘要】:重金属污染问题已成为威胁我国农业现代化发展及人民身体健康的重要因素。作为毒性最强的重金属之一,汞离子(Hg~(2+))进入农业环境后会抑制土壤的硝化和氨化,影响作物生长且能在作物中富集,而后可通过食物链进入人体,对神经系统产生严重危害。因此,研究人员开发了多种用于汞离子(Hg~(2+))分析的检测技术,如原子光谱法、电感耦合等离子体-质谱法以及电化学法、荧光法等。原子光谱法、电感耦合等离子体-质谱法精准度高、可靠性强,但其成本高、操作专业性强;电化学、荧光法成本低、操作简便,且有望实现现场分析。目前,荧光法已广泛用于各类样品中Hg~(2+)检测,然而农业分析存在基质复杂、影响因素多等问题,因此进一步提高荧光法的检测精准度尤为关键。针对上述问题,本论文希望发展高效比率荧光传感器,实现农田灌溉水中Hg~(2+)的精准、快速分析。本论文从提高荧光传感器的检测精准度入手,发展了荧光探针的高效制备新方法,将荧光检测方法与比率策略相结合,构建了多种比率荧光传感体系,实现了农业环境中Hg~(2+)的精准检测,进一步研发了基于智能手机的便携式荧光检测装置,成功应用于Hg~(2+)快速、精准分析。主要研究内容如下:(1)为了提高检测灵敏度与精准度,发展了一种基于生物酶和荧光内滤效应(IFE)机制的比率荧光传感方法用于Hg~(2+)检测。利用L-脯氨酸合成的金纳米团簇(AuNCs)作为荧光供体,2,3-二氨基苯嗪(DAP)作为荧光受体;通过引入漆酶(LACC)催化邻苯二胺(OPD)生成DAP,而LACC活性与Hg~(2+)浓度密切相关。基于此,利用Hg~(2+)对LACC催化活性的抑制作用调控DAP与AuNCs的荧光强度比,可建立基于DAP与AuNCs荧光比值对Hg~(2+)浓度的响应关系。在最优条件下,构建传感体系对Hg~(2+)检测的线性范围为0.8~35μM,检测限为0.27μM;同时,该方法还用于自来水、农田灌溉水中Hg~(2+)检测,取得了满意的分析结果。(2)为了降低检测成本、提高可靠性,发展了基于家用微波炉的硅量子点(SiQDs)合成新方法,实现了SiQDs快速(8分钟)、高效制备,降低了合成时间与成本;同时,利用合成的铂纳米粒子(Pt NPs)作为纳米酶,替代生物酶LACC,提高荧光传感体系的稳定性。在此基础上,利用荧光共振能量转移(FRET)原理,构建了基于SiQDs/Pt NPs/OPD/H_2O_2的比率荧光传感体系,实现了Hg~(2+)的精准检测。在最优条件下,该传感体系对Hg~(2+)检测的线性范围为20~3000 n M,检测限低至10.5 n M。同时,该传感体系成功应用于农田灌溉水分析,且结果与电感耦合等离子体-质谱法(ICP-MS)一致。(3)为了提高传感方法特异性,引入可特异性识别Hg~(2+)的DNA,通过形成T-Hg~(2+)-T结构实现对Hg~(2+)的选择性分析;同时,引入外切酶Exonuclease III(Exo III),实现循环扩增、信号放大。利用静电作用,将罗丹明(Rox)标记富含T碱基的DNA链组装至SiQDs表面,此时SiQDs猝灭Rox荧光;加入Hg~(2+)后,Exo III可剪切通过T-Hg~(2+)-T结构而形成的DNA双链,并释放Hg~(2+)及Rox,此时Rox荧光恢复。Rox荧光猝灭源于其与SiQDs间的能量转移,同时过程中作为受体的SiQDs荧光不受影响;Exo III剪切过程循环发生,可实现响应信号放大。利用Rox与SiQDs荧光强度比与Hg~(2+)浓度关系可实现后者检测,线性范围为0.02n M~10 n M,检测限低至0.01 n M,并成功用于农田灌溉水中Hg~(2+)的特异性分析。(4)为了实现比率荧光方法的实际分析应用,研发了一款基于智能手机图像采集与RGB颜色分析的便携式比率荧光分析装置。该装置由两部分构成,包括作为主机的微型检测盒,以及作为荧光图像采集与RGB颜色分析软件载体的智能手机。其中,研发的检测盒集成了LED光源、样品仓、滤光片等元件,并利用设计的印刷电路板(PCB)实现对检测盒光源等的控制。在此基础上,提出了基于AuNCs与SiQDs的比率荧光传感体系,利用Hg~(2+)仅猝灭AuNCs荧光而对SiQDs荧光无影响的特点,实现不同浓度Hg~(2+)条件下体系荧光由粉红色到蓝色的转变;利用研发的装置对上述传感体系的分析性能进行考察,其检测范围为0.5~10μM,检测限0.4μM。研发的装置可实现Hg~(2+)快速、精准分析,有望解决农田灌溉水中Hg~(2+)的现场分析难题。


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