农业用水中汞离子检测的电化学发光生物传感器研究

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二价的汞离子(Hg2+)是毒性较强的重金属离子,而且在自然环境中不会被微生物降解。水中的Hg2+会通过灌溉残留在土壤或农作物,影响农作物的正常生长,引起农作物枯萎甚至死亡,导致农作物的产量减少和质量降低,造成农业经济的损失。因此,对农业用水中Hg2+的含量进行检测很有必要,它可以为水质量评估和后续处理提供理论依据,从而减少因为Hg2+所造成的农业经济损失。对于Hg2+的分析,传统的检测方法具有仪器设备昂贵、操作技术严苛和预处理繁琐等局限性,因此,发展一种简便、灵敏、成本低的新型检测技术成为必然的趋势。本论文的工作主要研究简便、灵敏、成本低的电化学发光(ECL)生物传感器用于Hg2+的检测,为研究直接在农业生产中使用的便携式检测器件提供基础。本论文的主要工作内容可以分为以下两部分:(1)首先利用固相反应法制备氮化碳量子点(g-C3N4 QDs),并通过酰胺反应,将氨基修饰的DNA1和DNA2分别与羧基化三联吡啶钌(Ru(dcbpy)32+)、g-C3N4 QDs结合。基于Ru(dcbpy)32+和g-C3N4 QDs复合材料构建了一种新型的ECL生物传感器。当加入Hg2+后,DNA1和DNA2通过T-Hg2+-T配对结合,使Ru(dcbpy)32+与g-C3N4 QDs距离变近,ECL信号增强。基于以上原理构建的ECL生物传感器实现了Hg2+高灵敏度和高选择性分析。在最佳实验条件下,该传感器对Hg2+的线性响应范围为1.00×10-14 mol·L-11.00×10-9mol·L-1,检测限为3.30×10-15 mol·L-1(S/N=3),并成功用于京杭大运河水中Hg2+检测,为ECL传感技术在农业用水中Hg2+检测方面提供了一种新的策略。(2)为了缩短发光体与共反应物电子传递的距离,减少反应能量损耗,提高发光效率,将发光体三联吡啶钌(Ru(bpy)32+)和共反应物g-C3N4 QDs通过静电吸附作用结合,利用反相微乳法将复合物包裹在二氧化硅(SiO2)纳米球中,制备自增强ECL探针(Ru-QDs@SiO2)。基于自增强ECL探针,引入富含T碱基的DNA作为识别元件,构建了一种简便、新型的自增强ECL生物传感器。单链DNA可以吸附在Ru-QDs@SiO2纳米球的表面,在发光材料和电极之间形成屏障。当目标物Hg2+存在时,单链DNA通过T-Hg2+-T配对结合形成刚性双链结构,不能吸附在纳米球表面,此时发光材料可以直接与电极接触,ECL信号增强。该ECL生物传感器对Hg2+的分析检测具有较高的灵敏度、较好的选择性和重现性。在最优实验条件下,该传感器对Hg2+的线性响应范围为1.00×10-10 mol·L-11.00×10-5 mol·L-1,检测限是3.30×10-11 mol·L-1(S/N=3)。利用构建的ECL生物传感器实现了对京杭大运河水中Hg2+含量的检测,回收率在97%106.2%之间,相对标准偏差在1.84%5.4%之间。
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