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用于农业污染物检测的二维光子晶体酶传感技术研究

李果果  
【摘要】:随着农业现代化的不断推进,我国农业经济迅速发展,与此同时也引发了一系列农业污染现象,尤其是化肥和农药的不合理使用,使得农业污染问题日益突出。目前常用的污染物检测方法有荧光法、电化学法、表面增强拉曼散射光谱法及高效液相色谱法等。虽然这些方法均可实现对目标物的分析检测,但所需仪器设备昂贵和操作过程复杂等特性在一定程度上限制了它们的广泛应用。因此,进一步发展简便、无标记且价格经济的新型传感器具有十分重要的现实意义。近年来,光子晶体因其独特的光学调控性质得到了广大科研工作者的青睐,同时将光子晶体与刺激响应聚合物结合的响应性光子晶体水凝胶材料凭借其对外部刺激的灵敏性和可视化光学信号的特点,在生化传感等领域也成为了研究的热点。其中基于三维光子晶体结构发展的传感器已比较全面成熟,相比之下,二维光子晶体则具有更多潜在的发展空间。本论文基于二维光子晶体水凝胶材料,发展了无标记、小型化、便捷化的传感技术用于农业污染物的分析检测,具体内容如下:(1)通过将二维光子晶体嵌入固定有脲酶的刺激响应聚合物中,发展了一种用于尿素和脲酶抑制剂可视化检测的二维光子晶体水凝胶材料。在尿素存在的情况下,脲酶与尿素反应产生铵根离子和碳酸氢根离子,降低了水凝胶骨架上羧基间的静电斥力而使得水凝胶体积收缩,衍射波长蓝移;当反应体系中含有脲酶抑制剂时,尿素的水解反应将被抑制,二维光子晶体水凝胶衍射波长的蓝移程度会明显下降。此外,由于二维光子晶体具有独特的德拜衍射光学性质,还可通过测量德拜衍射环的直径变化来实现对尿素和脲酶抑制剂(苯基磷酰二胺)的定量检测,其最低检测浓度分别为1 mM和5.8 nM。同时水凝胶优良的生物兼容性和结构稳定性也使得该传感器拥有较好的选择性和再现性。(2)为进一步拓宽二维光子晶体水凝胶传感方法的应用范围,构建了一种乙酰胆碱酯酶功能化的二维光子晶体水凝胶生物传感器,用于对氧磷农药的快速灵敏检测。对氧磷通过抑制乙酰胆碱酯酶的酶催化反应而影响着体系的微环境,进而引发二维光子晶体德拜衍射环直径发生变化,基于这一响应原理,成功实现了对氧磷的无标记检测,且检测限低至1 ng mL~(-1)。此外,该传感器还具有一定的抗干扰能力,有望用于实际样品中对氧磷的分析。


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