（环境科学与工程专业论文）构建化学和生物传感界面用于环境有机污染物检测新方法研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本 人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：厶。是 日期：2 。【。年岁月；j 日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密彰 学位论文作者签名：舻遗艚教师繇庄沈 | 少纱 日期：2 - i 。年妇；e 1日期：净笤月3fe l 摘费 构建化学和生物传感界面用于环境有机污染物检测新方法研究 摘要 环境污染目前已经成为全球性问题，大部分环境污染物对人类健康和生态系 统存在着严重的威胁。 持久性有毒污染物与臭氧层破坏以及温室效应并称为2 1 世纪影响人类生存 与健康的三大环境问题。无论是斯德哥尔摩公约中确定的2 1 类持久性有机 污染物，还是美国e p a 确定的1 2 类持久性生物富集有毒化合物，以及环境内分 泌干扰物的研究都与持久性有毒化学污染物有关。多环芳烃和多氯联苯就是其中 两类典型的持久性有毒污染物，它们在环境中分布广泛，但多是痕量的，并且不 易分解，具有高脂溶性，水溶性低，易于生物富集，同时不仅具有“三致”毒性 ( 致癌、致畸和致突变) ，而且具有内分泌干扰作用。酚污染同样会给生态系统 带来很大危害，其中还有一部分酚类化合物属于内分泌干扰物质或是它们的代谢 产物。 加强对环境污染物的检测分析是进行环境风险评价及对它们实施防控的重 要前提。由于环境污染物通常处于痕量级，为了便于环境污染物的应急监测和简 易监测，非常有必要建立相应的简便快速、价格低廉、能满足一定灵敏度和准确 度的简易检测技术。电化学分析方法由于灵敏、快速等特点在环境污染物分析方 面具有广阔的应用前景，尤其是将免疫技术与电化学传感技术相结合，成为研究 高效、便捷的环境痕量有机污染物分析检测新方法的发展趋势。构建高灵敏、高 选择性的传感界面是新型化学修饰电极和电化学生物传感器研制的关键，也是国 内外环境分析工作者研究的热点课题之一。 本论文通过两类传感界面的构建，构筑了新型的聚合物修饰电极和电化学免 疫传感器，研究了其电化学行为，并且建立了萘酚、对苯二酚、双酚a 和部分 多环芳烃和多氯联苯等物质的伏安分析新方法。具体内容如下： 1 、将吖啶橙单体电化学聚合于玻碳电极表面制备聚吖啶橙膜修饰电极，考 察该电极的制各条件和对萘酚同分异构体的电催化性能及选择性能，主要研究了 溶液酸度、扫描速率、富集时间和温度等条件对1 萘酚在该修饰电极上响应的影 响，并且讨论了反应机理。实验表明，在最佳的测试条件下，1 一萘酚浓度分别在 2 0 1 0 3 2 x 1 0 一m 0 1 l 。1 和5 2 x 1 0 1 2 1 0 m 0 1 l 一1 范围内与聚吖啶橙膜修饰 摘 璧 电极上的响应峰电流呈良好线性关系，检出限达8 0 x 10 8m 0 1 l 一1 ( s n 为3 ) 。该 修饰电极用于1 一萘酚的测定比以往的研究有更好的电催化氧化能力和更宽的检 测线性范围。将该方法应用于实际环境样品的分析，并考察了方法的加标回收率， 结果令人满意。实际样品分析结果与h p l c 测定结果进行比较，具有较好的一致 性，表明所建立的方法对环境持久性有毒污染物的检测分析是可行的、有效的。 2 、将结晶紫动电位聚合在玻碳电极表面构建聚结晶紫膜修饰电极，考察修 饰电极对苯二酚同分异构体的电催化作用，实验研究了聚结晶紫膜修饰电极的制 备条件以及不同p h 值、富集时间和扫描速率等条件下对苯二酚在聚结晶紫膜修 饰电极上的电化学行为，推导了对苯二酚在该电极上的反应机理。实验发现，在 苯二酚同分异构体共存时，该修饰电极对对苯二酚的氧化表现出优良的电催化性 能和选择性能。该方法应用于实际废水中对苯二酚的加标测定，并与h p l c 进行 比较，结果满意可靠。 3 、双酚a 是环境内分泌干扰物，已经被许多国家认定为优先污染物。实验 将具有芳环的染料酸性蓝6 2 单体电化学聚合于玻碳电极表面，制备膜修饰电极， 实现复杂体系中痕量双酚a 的快速灵敏检测。实验发现，在选定的最佳条件下 对比空白电极上的响应，双酚a 在聚合物膜修饰电极上的氧化峰电流显著增大， 氧化峰电位负移1 0 0m v ，检出限达2 o 1 0 一m o l l 。1 ( s n 为3 ) 。电极在室温下 保存4 5 天后，对双酚a 的催化氧化性能为原来的9 2 ，说明稳定性良好。利用 该方法测定食品包装材料中双酚a ，同时与h p l c 进行比较，结果满意。该方法 为测定环境和食品中双酚a 含量提供了新思路。 4 、根据巯基与金能通过a u s 键强力结合的原理，将硫脲固定在金电极表 面，再利用硫脲本身的氨基结合纳米金粒子来吸附萘抗体而制备萘免疫传感器。 纳米金的使用能保持抗体的活性，从而使该免疫传感器具有较高的稳定性和灵敏 度。实验研究了该免疫传感器的制备、表征及其对萘的电化学响应。在优化的实 验条件下，n a 浓度在o 5 1 0 0n g m l 。范围内与响应电流值呈线性相关，检测 下限为0 0 8n g m l 一。构建的新型电化学免疫传感器具有好的生物相容性、高的 抗体固定量和易于更新等优点，应用于实际环境样品中萘的测定，结果满意。与 h p l c 方法进行对照，两种方法具有一致性。 5 、将p b 电化学沉积在玻碳电极表面做为电子转移媒介体，再引入纳米金 摘燮 粒子固定蒽抗体，构建无标记免疫传感器。传感器上的抗体与：息抗原发生特异性 反应，使传感器的响应电流发生变化，实现对蒽的测定。在优化的实验条件下， 蒽浓度在o 1 1 2 0n g m l 。1 范围内与响应电流值呈线性相关，检测下限为o 0 2 n g m l 。利用该方法测定印染污泥中蒽含量，并与h p l c 方法进行比较，结果 满意。该免疫传感器具有操作简单、响应时间短、灵敏度高、稳定性好、易于更 新等显著优点。 6 、利用壳聚糖分子内大量的氨基吸附纳米金粒子来固定p c b 7 7 抗体制备免 疫传感器，用于环境土壤样品中p c b 7 7 的检测。通过交流阻抗技术、循环伏安 法和示差脉冲法对电极的制备过程和实验条件进行了优化，并对免疫传感器的作 用机理及性能进行了详细研究。实验结果表明，该方法提高了抗体的固定量，增 强了传感器的灵敏度和选择性。在最佳的测试条件下，检测下限为o 0 1n g m l 一。 应用于实际环境样品的分析，结果令人满意。实际样品检测结果与g c m s 测定 结果比较发现两者相关性较好，在误差范围内存在的差异是可以接受的。 本论文将化学和生物传感技术，应用于实际环境样品中酚类物质、多环芳烃 和多氯联苯类污染物的测定，结果满意可靠。该研究为探索高选择性、高灵敏的 电化学传感界面提供了新思路，对于开拓电分析技术在环境监测领域中的应用具 有重要的科学意义。 关键词：聚合物修饰电极，免疫传感器，电化学分析，纳米金，酚类，多环芳烃， 多氯联苯 a b s t r a c t s t u d yo nt h ec o n s t r u c t i o na n da p p l i c a t i o no fc h e m i c a la n d b i o l o g i c a ls e n s i n gi n t e r f a c e sf o rt h ed e t e r m i n a t i o no f e n v i r o n m e n t a lo r g a n i cp o l l u t a n t s a b s t r a c t i th a sb e c o m ean o t e w o r t h yp r o b l e mf o re n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o ni na l lo v e rt h e w o r l d ，a n dm o s te n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n t sh a v ea ni n v a l u a b l ep o t e n t i a lt h r e a tf o r b i o l o g ya n dh u m a nh e a l t h p e r s i s t e n tt o x i cs u b s t a n c e s ( p t s ) w h i c ha f f e c t i n gh u m a ns u r v i v a la n dh e a l t h ， a r ek n o w na st h et h r e em a j o re n v i r o n m e n t a lp r o b l e m si n21s t c e n t u r y ，a sw e l la st h e g r e e n h o u s ee f f e c ta n do z o n ed e p l e t i o n w h e t h e rt h e21 c a t e g o r i e so fp e r s i s t e n t o r g a n i cp o l l u t a n t s ( p o p s ) i d e n t i f i e di n “t h es t o c k h o l mc o n v e n t i o n ”，t h e12 c a t e g o r i e so fp e r s i s t e n tb i o a c c u m u l a t i v e & t o x i cc h e m i c a l s ( p b t ) i d e n t i f i e db yu s e p a ，o rt h es t u d yo fe n v i r o n m e n t a le n d o c r i n ed i s r u p t o r s ( e e d s ) ，t h e ya r ec l o s e l y r e l a t e dw i t hp t s p o l y c y c l i ca r o m a t i ch y d r o c a r b o n s ( p a h s ) a n dp o l y c h l o r i n a t e d b i p h e n y l s ( p c b s ) a r et w ot y p e so ft y p i c a lp e r s i s t e n tt o x i cs u b s t a n c e s t h e ya r ew i d e l y d i s t r i b u t e di nt h ee n v i r o n m e n t ，b u tm o s t l yt r a c e ，a n dd i f f i c u l tt od e g r a d e ，w i t ha h i g h f a t s o l u b l e ，w a t e r - i n s o l u b l e ，a n de a s yt ob i o a c c u m u l a t i o n m o r e o v e r ，t h e ya r en o to n l y c a r c i n o g e n i c ，t e r a t o g e n i ca n dm u t a g e n i c ，b u ta l s o h a v et h er o l eo fe n d o c r i n e d i s r u p t o r s p h e n o l i cc o m p o u n d sa r ea l s oh a r m f u lt oe c o s y s t e m s s o m ep h e n o l i c c o m p o u n d sa r ee n d o c r i n ed i s r u p t i n gc h e m i c a l so rm e t a b o l i t eo f t h e m b a s e do nt h ea s s e s s m e n to ft h eh e n t hh a z a r da n dd o s er e s p o n s ef o rp o l l u t a n t s ，i t i sv i t a lt od e t e r m i n et h ec o n c e n t r a t i o no fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n t s t h ec o n c e n t r a t i o n o fp o l l u t a n t si sa l w a y st r a c e ，s oi ti ss i g n i f i c a n tt of o u n ds p e c i f i c ，r a p i da n dd i r e c t a n a l y t i c a lt e c h n i q u e st o c o n v e n i e n tf o rt h ee m e r g e n c ym o n i t o r i n ga n ds i m p l e m o n i t o r i n go ft h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n t sa n db e t t e ru n d e r s t a n dt h el o n g - t e r m ， h e a l t he f f e c t so fc h r o n i ce x p o s u r et ot h e m b e c a u s eo fs e n s i t i v i t ya n dc o n v e n i e n c e ， t h ee l e c t r o c h e m i c a ld e t e c t i o nt e c h n i q u eh a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h e a n a l y s i so fe n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n t s i np a r t i c u l a r , c o m b i n i n gt h ei m m u n o l o g yw i t h i v a b s t r a c t t h ee l e c t r o c h e m i c a ls e n s i n gt e c h n i q u e si sc o n s i d e r e dt ob eh o tt o p i c so fc u r r e n t r e s e a r c hi no r g a n i cp o l l u t a n t sd e t e c t i o n h o wt oc o n s t r u c th i g hs e n s i t i v ea n ds e l e c t i v e s e n s i n gi n t e r f a c ei s ak e yf o rt h ep r e p a r a t i o no fn o v e lc h e m i c a l l ym o d i f i e de l e c t r o d e a n de l e c t r o c h e m i c a lb i o s e n s o r , w h i c hh a sb e c o m eo n eo ft h er e s e a r c hs u b je c to fk e e n i n t e r e s tf o re n v i r o n m e n t a la n a l y s t s i nt h i s t h e s i s ，n o v e lp o l y m e r m o d i f i e de l e c t r o d e sa n de l e c t r o c h e m i c a l i m m u n o s e n s o r sw e r ef a b r i c a t e db a s e do nt w ot y p e so fs e n s i n gi n t e r f a c e s ，a f t e rw h i c h t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r sw e r es t u d i e di nd e t a i l s t h en e wp o l y m e rm o d i f i e d e l e c t r o d e sa n de l e c t r o c h e m i c a li m m u n o s e n s o r sw e r eu s e df o ra m p e r o m e t r i c d e t e r m i n a t i o no fn a p h t h o l ，h y d r o q u i n o n e ，b i s p h e n o la ，s o m eo fp o l y c y c l i ca r o m a t i c h y d r o c a r b o n sa n dp o l y c h l o r i n a t e db i p h e n y l s t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa r es u m m a r i z e d a n dp r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 a c r i d i n eo r a n g ew a se l e c t r o p o l y m e r i z e do nag l a s s yc a r b o ne l e c t r o d eb yu s i n g ap o t e n t i o d y n a m i ct e c h n i q u et oc o n s t r u c tac a t a l y t i ci n t e r f a c ef o rt h ei n v e s t i g a t i o no f n a p h t h 0 1 t h ee l e c t r o c h e m i c a l b e h a v i o r so f1 - n a p h t h o lo nt h em o d i f i e de l e c t r o d e w e r es t u d i e db yd e t e r m i n i n gt h ei n f l u e n c e sf r o ms o l u t i o na c i d i t y ，t h es c a nr a t e ，t h e a c c u m u l a t i o nt i m e ，a n dt h ew o r k i n gt e m p e r a t u r e e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h e p o l y ( a c r i d i n eo r a n g e ) f i l me l e c t r o d ed e m o n s t r a t e de l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t y t ot h e e l e c t r o o x i d a t i o no f1 - n a p h t h o lg i v i n gag r e a t l yi m p r o v e dd e t e c t i o nl i m i td o w nt o 8 xlo m o l l ( s n = 3 ) a tt h eo p t i m a le x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，a n dt h eo x i d a t i o np e a k c u r r e n tf r o mt h ep o l y ( a c r i d i n eo r a n g e ) f i l me l e c t r o d ew a sl i n e a r l yp r o p o r t i o n a lt ot h e c o n c e n t r a t i o no f1 - n a p h t h o li nt h er a n g eo f2 x 1 0 3 2 x 1 0 m o l l 一1a n d5 2 1 0 一 1 2 x10 m o l l 一t h ed e t e c t i o no f1 - n a p h t h o li nt a pw a t e ra n dr i v e rw a t e rw a sc a r r i e d o u tw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s t h em o d i f i e de l e c t r o d ef o r1 - n a p h t h o ld e t e r m i n a t i o nw a s b e t t e rt h a nt h a ti np r e v i o u ss t u d i e si ne l e c t r o c a t a l y t i ca c t i v i t ya n dl i n e a rr a n g e s o m e e n v i r o n m e n t a ls a m p l e sw e r ea n a l y z e dw i t hs a t i s f a c t o r yr e s u l t s ，i n c l u d i n gs p e c i f i c i t y a n d r e c o v e r y r a t e t h er e s u l t sw e r ea c c o r d a n tt o h i g hp e r f o r m a n c el i q u i d c h r o m a t o g r a p h y ( h p l c ) ，i n d i c a t i n g t h a tt h em e t h o df o rt h ed e t e c t i o no f e n v i r o n m e n t a lp o l l u t a n t sw a sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e 2 c r y s t a lv i o l e tw a se l e c t r o p o l y m e r i z e dp o t e n t i o d y n a m i c a l l yo nag l a s s yc a r b o n v a b s t r a c t e l e c t r o d et oc o n s t r u c tac a t a l y t i ci n t e r f a c e t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o r so f h y d r o q u i n o n eo nt h ep o l y ( c r y s t a l - v i o l e t ) f i l mm o d i f i e de l e c t r o d ew e r es t u d i e d s y s t e m a t i c a l l yw i t hr e s p e c tt od i f f e r e n ts o l u t i o na c i d i t i e s ，a c c u m u l a t i o nt i m e ，s c a n r a t e s ，a n ds oo n t h er e a c t i o np r o c e s so fh y d r o q u i n o n eo nt h ep o l y ( c r y s t a l v i o l e t ) f i l m m o d i f i e de l e c t r o d ew a sd i s c u s s e d e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a tt h ep o l y ( c r y s t a l v i o l e t ) f i l mm o d i f i e de l e c t r o d ee x h i b i t e de x c e l l e n tc a t a l y t i ce f f e c ta n ds e l e c t i v i t yo nt h e e l e c t r o c h e m i c a lb e h a v i o ro fh y d r o q u i n o n ec o e x i s t i n gw i t hd i h y d r o x y b e n z e n ei s o m e r s t h em e t h o dw a s a p p l i e dt od e t e r m i n a t i o no fh y d r o q u i n o n ei nt h ea c t u a lw a s t ew a t e r , a n dc o m p a r e dw i t hh p l c t h er e s u l t sw e r es a t i s f a c t o r ya n dr e l i a b l e 3 b i s p h e n o la i se n v i r o n m e n t a le n d o c r i n ed i s r u p t o r sa n dh a sb e e ni d e n t i f i e da s p r i o r i t yp o l l u t a n t si nm a n yc o u n t r i e s a c i db l u e6 2 ，ak i n do fd y em o n o m e rc o n t a i n i n g a r o m a t i cr i n g ，w a se l e c t r o p l o y m e r i z e do ng l a s s yc a r b o ne l e c t r o d et of o r mp o l y ( a c i d b l u e6 2 ) f i l mm o d i f i e de l e c t r o d ef o rt h ei n v e s t i g a t i o no fb i s p h e n o la u n d e rt h e - 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