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基于新型分子印迹复合材料的快速检测技术在环境医学中的应用研究

荆涛  
【摘要】:随着生命科学和环境科学的发展,环境污染对健康的影响研究逐步深入。为探讨环境污染所致人群健康损害,需要从个体暴露、个体效应和人群效应等多个角度出发,深入分析环境与健康之间的关系。个体暴露分析主要检测复杂的环境和食品样品中低浓度污染物;个体效应分析主要检测外来污染物进入人体后,在体内的分布和代谢水平;而人群效应研究依赖于大量人群样本中相应生物标记物的分析。开展大量环境样本中痕量污染物的快速检测和生物样本中生物标志物的高通量分析对于开展环境污染物对人体健康危害的综合评价意义重大,在环境医学领域中扮演着十分重要的角色。目前,随着现代分离分析技术的迅速发展,高灵敏、高特异和高稳定的检测仪器已经趋于成熟,因而,样品预处理过程成为快速高通量分析技术建立的关键环节。开展自动化、快速简便、高效灵敏的前处理技术有利于缩短分析时间、提高检测结果的重复性、准确性和灵敏度、避免二次污染、降低运行成本。但是,由于环境和生物样品极为复杂,传统的前处理技术不能选择性萃取目标分子,难以有效地去除样品杂质,不可避免地干扰目标分子的测定。因此,开发一种高选择性识别材料对于快速高通量分析技术的建立势在必行。 分子印迹聚合物是一种高度交联的网状材料,具有与模板分子的空间结构相匹配的印迹孔穴和固定排列的功能基团,能够特异性识别模板分子及其结构类似物,且在高温、高压、有机溶剂、酸、碱等苛刻环境中稳定存在,是当前分子识别领域的理想材料。近十年来,分子印迹技术以其卓越的分子识别特性在诸多领域获得了突飞猛进的发展,特别是和纳米技术广泛结合,制备多功能分子印迹复合材料,实现各种材料优良性能的互补,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原材料而满足各种不同应用领域的要求,为快速高通量分析技术的建立开辟了一条新的道路。 本研究分为三个部分: 第一章基于双模板分子印迹聚合物的自动化在线分析系统快速检测食品中痕量四环素类抗生素 本研究在前期工作基础上,分别以土霉素、四环素、金霉素和强力霉素为模板分子,制备了四种分子印迹聚合物,并结合模板分子结构系统考察了这四种聚合物对四环素类抗生素的选择性和吸附容量,初步探讨了相关的识别机理。在此基础上以土霉素和金霉素为双模板分子,制备了一种高选择性分子印迹聚合物,系统优化合成条件,实现对四环素一族抗生素的选择性识别。结果表明,土霉素、四环素、金霉素和强力霉素在双模板分子印迹聚合物上的印迹因子均大于6.0,且最大吸附容量依次为27μmol g-1,35μmol g-1,35μmol g-1。及39μmol g-1。本研究进一步将此印迹聚合物作为固相萃取吸附剂和液相色谱-紫外检测器联用,搭建一个自动化在线分析系统,实现复杂食品样品中痕量四环素类抗生素的快速检测。在最佳条件下,10 mL的样品溶液通过定量环注入在线分析系统,使得四环素类抗生素选择性地保留在分子印迹固相萃取柱上,而样品杂质通过淋洗过程排入废液瓶中。随后转动六通阀,将保留在萃取柱中的四环素类抗生素洗脱下来并且全部注入色谱分析柱,实现四环素类抗生素的定性定量分析。由于在线分析系统的自动化操作,可以实现在一个样品分离检测的同时完成下一个样品的净化和富集。与常规的固相萃取过程相比,自动化在线分析系统极大地缩短了样品的分析时间(17 min),提高了样品中目标组分的富集倍数(159-410),降低了方法的检测限(0.8-1.3 ng g-1)。此外,本研究采用在线分析系统实现了大量食品样本(虾肉、蜂蜜、鸡蛋和牛奶)中痕量四环素类抗生素的残留检测,获得了极佳的净化和富集效果,方法的回收率在91.6%-107.6%之间,为探讨四环素类抗生素所致健康损害提供了技术保证。 第二章基于亲水性分子印迹聚合物/Ni纤维复合材料的电化学传感器快速检测地表水中痕量2,4-二硝基酚 本研究以2,4-二硝基酚为模板分子,在制备分子印迹聚合物的过程中引入亲水修饰单体甲基丙烯酸缩水甘油酯,通过两步修饰过程,在聚合物表面修饰一层羟基基团,制备出亲水性分子印迹聚合物。本研究从合成条件优化、吸附容量评价、吸附动力学研究和选择性评价等方面系统考察了亲水性分子印迹聚合物在水相和有机相中对酚类化合物的特异性分子识别能力,初步探讨了亲水性修饰对于分子印迹效果的影响。结果表明,甲基丙烯酸缩水甘油酯的使用并没有干扰模板分子/功能单体复合物的形成乃至印迹孔穴的构建,同时可以实现印迹聚合物的亲水性修饰,有效地降低聚合物和模板分子间的非特异性疏水作用力,增大模板分子进入印迹孔穴的概率。此外,本研究首次将亲水性分子印迹聚合物引入到电化学领域,制备了一种亲水性分子印迹聚合物/Ni纤维复合材料修饰电极,快速检测地表水中痕量2,4-二硝基酚。通过对电极的制备条件、萃取条件和电化学参数的仔细优化,方法的线性范围为0.7-30μg L-1,检测限为0.1μg L-1,且测定结果与常规LC-MS法的检测结果具有良好的一致性。随后,本研究利用此方法开展了地表水(长江和汉江)中2,4-二硝基酚的检测,添加回收率在91.3%-102.6%之间,相对标准偏差(RSD)不高于5.1%,进一步验证了方法的实用性和可靠性,对于开展环境水样中2,4-二硝基酚的监测和危害评定提供了一种新技术。 第三章基于多功能分子印迹磁性复合材料的高通量分析技术快速检测尿样中的溶菌酶 本研究对磁性纳米粒子进行了表面改性和修饰,随后以溶菌酶为模板分子,甲基丙烯酸和丙烯酰胺为功能单体,制备了一种多功能分子印迹磁性复合材料(磁敏感性、分子识别特性和环境响应性)。相关表征手段表明:此复合材料是一种壳核结构,比饱和磁化强度为22.1 emu g-1,具有明显的磁敏感性。此外,分子印迹薄膜可以保证复合材料对目标分子的特异性分子识别能力,最大吸附容量为110 mg g-1,远大于相关文献报道的溶菌酶印迹聚合物的最大吸附量。随后,本研究将此复合材料作为固相萃取吸附剂,与高灵敏的化学发光技术联用,建立一种高通量检测尿样中溶菌酶的新方法。分子印迹磁性复合材料可以在外界磁场作用下快速回收且反复利用,因而能够分散到生物样品中直接萃取溶菌酶,避免了复杂样品基质对传统固相萃取柱的填塞,缩短了样品预处理流程,节约了分析时间和运行成本,非常适合于大量生物样本的高通量筛选。经过对固相萃取和化学反光条件的仔细优化,方法的回收率在90.1%-103.7%之间,检测限为5 ng mL-1。所建方法的检测结果与常规酶联免疫试剂盒的检测结果具有良好的一致性(r=0.9595,n=26),可以应用于尿样中溶菌酶的检测。最后,本研究利用所建方法开展了肾相关疾病病人和健康人群尿样中溶菌酶的检测,进一步验证了方法的实用性和可靠性,有助于临床辅助诊断肾小管功能障碍性疾病,为环境有害因素所致肾功能损害评价提供了技术支持。


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