持久性有機污染物及病原菌的無線傳感分析研究.pdf

1、本論文主要針對目前嚴峻的環(huán)境污染問題,基于無線磁彈性傳感器的質(zhì)量響應原理并結合納米技術,探索病原菌和持久性有機污染物的無線傳感分析檢測方法。無線磁彈性傳感技術是基于磁致伸縮原理設計的,傳感器由非晶態(tài)磁性材料和激勵/檢測線圈組成,在外加交變磁場中,磁性膜片受磁場激發(fā)產(chǎn)生磁矩,將磁能轉(zhuǎn)換為機械能,并產(chǎn)生沿長度方向的伸縮振動,即磁致伸縮。當交變磁場的頻率與磁性膜片機械振動頻率相等時,膜片會產(chǎn)生共振,具有最大振幅,此時的振動頻率即為磁性膜片共振

2、頻率。當磁性膜片傳感器所浸入的檢測溶液性質(zhì)(黏度、密度等)或傳感器表面負載質(zhì)量發(fā)生變化時,其共振頻率也會隨之改變。磁傳感器隨其表面負載質(zhì)量變化而變化的特性即為磁傳感器的質(zhì)量響應原理。由于磁性膜片本身是磁性的,其伸縮振動產(chǎn)生的磁通可通過檢測線圈檢測出。磁彈性傳感器中信號的激發(fā)與傳送通過磁場進行,傳感器與檢測儀器之間沒有任何物理連接,屬于無線無源傳感器。磁彈性傳感器這一特征使其在活體、在體分析、密閉容器中的無菌、無損檢測等領域具有廣泛的應用

3、前景。隨著納米技術的發(fā)展,納米材料因具有尺寸小、比表面積大等特性已開始滲入環(huán)境領域檢測分析當中。結合納米粒子的特性和磁傳感器無線無源的特點,開展環(huán)境中污染物的檢測研究將是一件重大而有意義的工作?；谶@個創(chuàng)新,本文主要做了以下三方面的應用研究工作:
　　 1)病原菌--大腸桿菌無線傳感分析:以大腸桿菌為例,制備了磁彈性病原菌無線傳感器；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,再借助外加磁場的作用吸附到聚氨酯保護涂層的磁傳感器表面,導致磁傳感器負載質(zhì)量增加,引起傳感器共振頻率減?。豢疾炝瞬煌珻MNPs濃度對傳感器響應的貢獻,證實了交聯(lián)劑戊二醛的引入能提高檢測細菌的靈敏度；利用掃描電鏡和透射電鏡觀察了細菌-CMNPs復合物在磁傳感器表面的吸附情況,并獲得了傳感器對大腸桿菌的檢測線性范圍(10-3.7×108 cells mL-1),檢測下限能達到10cells mL-

5、1；基于CMNPs對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)境有機污染物)對傳感器的干擾情況。結果表明,該方法對病原菌的檢測有一定的選擇性,在食品領域中檢測病原菌具有廣泛的應用前景。
　　 2)多環(huán)芳烴(PAHs)無線傳感分析:采用殼聚糖/腐植酸復合物作為敏感層,以腐植酸(humic acid,HA)包裹的Fe3O4納米粒子(HMNPs)作為信號放大工具,利用HA的疏水空腔對脂溶性PAHs的特異吸

6、附性及包合性,在傳感器表面形成HA/PAH/HMNPs的三明治結構,從而增加磁傳感器的負載質(zhì)量,導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對傳感器響應信號的影響,獲得了該傳感器對六種美國優(yōu)先監(jiān)控的PAHs的檢測線性范圍和檢測下限；由于PAHs結構上的差異,該方法對PAHs中的苯并芘和蒽的檢測表現(xiàn)出一定的選擇性,結果表明,苯并芘和蒽的檢測下限分別可以達到3 nm和5 nm,表現(xiàn)出較高的靈敏度:同時考

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

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,增加磁傳感器的負載質(zhì)量,獲得對傳感器響應信號的放大,檢測下限達1.0×10-11M；考察了傳感器對其他PAHs及水體中其他污染物的響應情況。中性有機物與杯[4]芳烴形成穩(wěn)定性包合配合物取決于客體有機物分子結構與主體杯[4]芳烴疏水空穴的匹配情況,分析主體-客體分子結構可知,本實驗選用的氨基修飾的杯[4]芳烴能與BaP形成穩(wěn)定的2:1的