持久性有機(jī)污染物及病原菌的無(wú)線傳感分析研究.pdf

1、本論文主要針對(duì)目前嚴(yán)峻的環(huán)境污染問(wèn)題,基于無(wú)線磁彈性傳感器的質(zhì)量響應(yīng)原理并結(jié)合納米技術(shù),探索病原菌和持久性有機(jī)污染物的無(wú)線傳感分析檢測(cè)方法。無(wú)線磁彈性傳感技術(shù)是基于磁致伸縮原理設(shè)計(jì)的,傳感器由非晶態(tài)磁性材料和激勵(lì)/檢測(cè)線圈組成,在外加交變磁場(chǎng)中,磁性膜片受磁場(chǎng)激發(fā)產(chǎn)生磁矩,將磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,并產(chǎn)生沿長(zhǎng)度方向的伸縮振動(dòng),即磁致伸縮。當(dāng)交變磁場(chǎng)的頻率與磁性膜片機(jī)械振動(dòng)頻率相等時(shí),膜片會(huì)產(chǎn)生共振,具有最大振幅,此時(shí)的振動(dòng)頻率即為磁性膜片共振

2、頻率。當(dāng)磁性膜片傳感器所浸入的檢測(cè)溶液性質(zhì)(黏度、密度等)或傳感器表面負(fù)載質(zhì)量發(fā)生變化時(shí),其共振頻率也會(huì)隨之改變。磁傳感器隨其表面負(fù)載質(zhì)量變化而變化的特性即為磁傳感器的質(zhì)量響應(yīng)原理。由于磁性膜片本身是磁性的,其伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的磁通可通過(guò)檢測(cè)線圈檢測(cè)出。磁彈性傳感器中信號(hào)的激發(fā)與傳送通過(guò)磁場(chǎng)進(jìn)行,傳感器與檢測(cè)儀器之間沒(méi)有任何物理連接,屬于無(wú)線無(wú)源傳感器。磁彈性傳感器這一特征使其在活體、在體分析、密閉容器中的無(wú)菌、無(wú)損檢測(cè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用

3、前景。隨著納米技術(shù)的發(fā)展,納米材料因具有尺寸小、比表面積大等特性已開(kāi)始滲入環(huán)境領(lǐng)域檢測(cè)分析當(dāng)中。結(jié)合納米粒子的特性和磁傳感器無(wú)線無(wú)源的特點(diǎn),開(kāi)展環(huán)境中污染物的檢測(cè)研究將是一件重大而有意義的工作?；谶@個(gè)創(chuàng)新,本文主要做了以下三方面的應(yīng)用研究工作:
　　 1)病原菌--大腸桿菌無(wú)線傳感分析:以大腸桿菌為例,制備了磁彈性病原菌無(wú)線傳感器；基于殼聚糖包裹的Fe3O4納米粒子(CMNPs)與大腸桿菌的等電點(diǎn)不同,在一定的pH條件下,兩者

4、因帶異種電荷而互相吸引,形成帶磁性的病原體,再借助外加磁場(chǎng)的作用吸附到聚氨酯保護(hù)涂層的磁傳感器表面,導(dǎo)致磁傳感器負(fù)載質(zhì)量增加,引起傳感器共振頻率減??；考察了不同CMNPs濃度對(duì)傳感器響應(yīng)的貢獻(xiàn),證實(shí)了交聯(lián)劑戊二醛的引入能提高檢測(cè)細(xì)菌的靈敏度；利用掃描電鏡和透射電鏡觀察了細(xì)菌-CMNPs復(fù)合物在磁傳感器表面的吸附情況,并獲得了傳感器對(duì)大腸桿菌的檢測(cè)線性范圍(10-3.7×108 cells mL-1),檢測(cè)下限能達(dá)到10cells mL-

5、1；基于CMNPs對(duì)大腸桿菌的靜電吸附原理,考察了帶電大分子(蛋白質(zhì))和較小分子(氨基酸及環(huán)境有機(jī)污染物)對(duì)傳感器的干擾情況。結(jié)果表明,該方法對(duì)病原菌的檢測(cè)有一定的選擇性,在食品領(lǐng)域中檢測(cè)病原菌具有廣泛的應(yīng)用前景。
　　 2)多環(huán)芳烴(PAHs)無(wú)線傳感分析:采用殼聚糖/腐植酸復(fù)合物作為敏感層,以腐植酸(humic acid,HA)包裹的Fe3O4納米粒子(HMNPs)作為信號(hào)放大工具,利用HA的疏水空腔對(duì)脂溶性PAHs的特異吸

6、附性及包合性,在傳感器表面形成HA/PAH/HMNPs的三明治結(jié)構(gòu),從而增加磁傳感器的負(fù)載質(zhì)量,導(dǎo)致其共振頻率的下降；考察了磁傳感器表面不同涂層,不同濃度的HMNPs以及體系pH對(duì)傳感器響應(yīng)信號(hào)的影響,獲得了該傳感器對(duì)六種美國(guó)優(yōu)先監(jiān)控的PAHs的檢測(cè)線性范圍和檢測(cè)下限；由于PAHs結(jié)構(gòu)上的差異,該方法對(duì)PAHs中的苯并芘和蒽的檢測(cè)表現(xiàn)出一定的選擇性,結(jié)果表明,苯并芘和蒽的檢測(cè)下限分別可以達(dá)到3 nm和5 nm,表現(xiàn)出較高的靈敏度:同時(shí)考

7、察了傳感器對(duì)水環(huán)境中具有代表性的金屬離子和有機(jī)污染物的響應(yīng)情況,以此研究該傳感器對(duì)PAHs的檢測(cè)特異性。該傳感器可用于水體中PAHs的分析研究,并具有富集PAHs的應(yīng)用前景。
　　 3)苯并[a]芘(benzo[a]pyrene,BaP)無(wú)線傳感分析:在PAHs無(wú)線傳感器研究的基礎(chǔ)上,改用氨基修飾的杯[4]芳烴作為敏感膜以提高其對(duì)特定PAHs的選擇性。采用杯[4]芳烴修飾的金納米顆粒作為信號(hào)放大工具,利用杯[4]芳烴的疏水空穴對(duì)

8、BaP的特異包合作用,在磁傳感器表面形成杯[4]芳烴/BaP/杯[4]芳烴-金納米粒子的三重包合配合物,增加磁傳感器的負(fù)載質(zhì)量,獲得對(duì)傳感器響應(yīng)信號(hào)的放大,檢測(cè)下限達(dá)1.0×10-11M；考察了傳感器對(duì)其他PAHs及水體中其他污染物的響應(yīng)情況。中性有機(jī)物與杯[4]芳烴形成穩(wěn)定性包合配合物取決于客體有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)與主體杯[4]芳烴疏水空穴的匹配情況,分析主體-客體分子結(jié)構(gòu)可知,本實(shí)驗(yàn)選用的氨基修飾的杯[4]芳烴能與BaP形成穩(wěn)定的2:1的