植物小分子电化学传感器的构建及初步应用

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植物在生命过程中产生了一系列具有生物活性的小分子,如糖类、氨基酸、植物激素等。这类小分子在植物的生长发育以及环境适应等过程中发挥着重要作用。因而检测植物体内这些小分子的含量对于理解其生物学功能具有重要意义。电化学传感器具有灵敏度高、特异性强、操作简单、易于便携等特点,在农业的现场、活体检测中具有重要潜力。本文以两种活性小分子γ-氨基丁酸(GABA)与葡萄糖(Glucose)为例,分别构建了它们的电化学传感器,并对黄瓜幼苗叶片中的GABA含量与黄瓜果实中的葡萄糖含量进行了活体测量。研究成果如下:1.GABA免疫传感器的构建及其对盐胁迫下黄瓜幼苗中GABA含量的活体检测。选用了一次性的丝网印刷电极(SPE)作为传感器基底,分别修饰金纳米颗粒、二茂铁-石墨烯-碳纳米管复合物、多巴胺、GABA抗体、牛血清白蛋白,以达到对GABA的特异性识别。通过电聚合金纳米颗粒能极大的提高工作电极的导电性,二茂铁作为信号分子可以提供电流信号,石墨烯与碳纳米管混合后拥有高比表面积与强稳定性。电聚合多巴胺能在工作电极表面形成一层多聚物薄膜,能够结合更多的抗体,提高传感器的检测范围,最后牛血清白蛋白的加入增加了一层非特异性膜,增加传感器的抗干扰能力。使得传感器能够对植物进行活体检测。结果表明,该传感器具有广泛的检测范围与极低的检测限,峰电流与GABA浓度的对数在10 a M到100 m M之间存在良好的线性关系。标准曲线的表达式为Δip(μA)=0.57 lg CGABA(a M)+1.5,相关系数为0.995。该传感器的检测限为1.995a M(S/N=3.0)。与其他GABA传感器相比,本研究中开发的免疫传感器优于现有方法。使用传感器分别对对照组的黄瓜幼苗,与盐胁迫组的黄瓜幼苗进行活体检测。经测试,对照组的黄瓜叶片中GABA含量在1.19*10-10M-1.32*10-9M,平均含量为6.73*10-10M;胁迫组的黄瓜叶片中GABA含量在2.88*10-9M-2.82*10-8M,平均含量为1.12*10-8M。胁迫后的黄瓜叶片中GABA的平均含量约为对照组的16.6倍。与传统技术相比,我们提出的免疫传感器获得的信息能够反映植物体内的情况,为以后的GABA活体检测提供了新的思路。2.葡萄糖电化学传感器的构建以及对黄瓜果实中葡萄糖含量的活体检测开发了六阵列电极,工作电极由四根铂丝组成,极大的提高了电极的灵敏度。CS具有好的生物相容性,已被广泛应用于酶的固定。葡萄糖氧化酶的加入可以特异性识别葡萄糖,从而提高电极的识别效率。最后滴加萘酚溶液(Nafion)以保护工作电极。研究采用一步沉积法,将葡萄糖氧化酶(GOx)与壳聚糖(CS)通过一定比例混合,一步电沉积到工作电极。结果表明在1m M到100m M范围内,葡萄糖浓度的对数值与相应电流的对数值存在良好的线性关系。回归方程为:电流(μA)=3.76Lg C葡萄糖(m M)+0.83,相关系数为0.993。传感器的最低检测限为32n M(S/N=3.0)。因此该传感器能够检测到大多数植物体内的葡萄糖含量。使用该电化学传感器对黄瓜果实进行活体检测,测试发现开花后七天的果实中,葡萄糖浓度为27.783-28.408 m M,平均值为28.35 m M;开花后十天的果实中,葡萄糖浓度为34.119-35.683 m M,平均值为34.88 m M。黄瓜体内葡萄糖浓度随着果实的增大而增大,得出的结论与前人的研究一致,所构建的传感器在精准农业中具有良好的应用前景。
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