论文部分内容阅读
微生物传感器作为一种新兴的检测手段,具有稳定性好、制备简便且成本低的优势,成为环境监测等领域的研究热点。其生物识别元件为活体微生物细胞,可以为酶促反应提供天然的pH环境、辅助因子和能量,这使得微生物传感器在相当长的时间内保持良好的稳定状态。另外,微生物传感器的识别元件可以通过浸入培养基等方式使之再生,因此可在一定时间内维持其生物活性,从而延长传感器的使用寿命。但目前微生物传感器研究也存在识别元件催化能力不强和有效固定化载体材料缺乏等技术瓶颈,如何解决上述不足以充分发挥微生物传感器在环境污染物检测中的优势成为研究人员的努力方向。本章通过克隆技术实现杂环化合物降解菌株Sphingobium yanoikuyae XLDN2-5中邻苯二酚2,3-双加氧酶(C230)基因(carE)在大肠杆菌(Escherichia coli,E.coli)细胞内的异源表达。以过量表达有C23O的E.coli BL21细胞为生物识别元件,以兼具功能与结构的纳米多孔金(NPG)为E.coli BL21细胞的固定化载体,构建E.coli BL21-C23O/NPG/GCE电极。该微生物复合电极通过E.coli BL21细胞内过量表达的C23O和NPG对邻苯二酚(Catechol,Cat)的共催化作用实现对Cat的灵敏检测。E.coli BL21-C23O/NPG/GCE电极对Cat检测线性范围为1-150 μM与150-500 μM,灵敏度分别为332.24μA·mM-1·cm-2与107.68μA·mM-1.cm-2,检测限低至0.24μM。此外,该电极对污水中多种常见物质的抗干扰能力较强,并实现了实际水样中Cat含量的灵敏性检测。以上优良特性证明E.coliBL21-C23O/NPG/GCE电极在选择性检测Cat方面具有较好的应用潜力。硫化物是广泛存在的一类有毒环境污染物,对水生生物和人体具有很大的毒性。因此,实现对其特异快速检测十分重要。本章利用异源表达硫醌氧化还原酶(SQR)的E.coli BL21细胞作为生物识别元件,以具有高生物相容性和对硫化物具有催化活性的NPG为固定化载体,制备了 E.coli BL21-SQR/NPG/GCE微生物复合电极。电化学检测表明,硫化钠在E.coli BL21-SQR/NPG/GCE表面发生的反应是由SQR与NPG共同作用的结果,且该反应是一个不可逆的扩散控制过程。E.coli BL21-SQR/NPG/GCE电极对硫化钠具有宽的线性响应范围(50μM-5 mM),其灵敏度为18.35 μAmM-1cm-2、检测限低至2.55μM。抗干扰实验表明,该电极对废水中可能存在的部分阳离子、阴离子和有机污染物具有较好的抗干扰能力,尤其对剧毒性的氰化物(CN-)具有很强的抗干扰性能。利用所制备电极对污水中的硫化物含量测定的结果与分光光度法一致。以上结果表明,所构建的E.coli BL21-SQR/NPG/GCE微生物传感器为环境中硫化物的检测提供了新思路。在微生物传感器构建中选择性和灵敏度至关重要。在以上coli BL21-SQR/NPG/GCE微生物传感器构建研究基础上,为了进一步提高硫化物检测的微生物传感器的灵敏性,本文采用异源表达有SQR蛋白的E.coli BL21细胞作为微生物识别元件,NPG为E.coli BL21细胞的固定化载体,同时将具有高效电子传递效率特性和优异导电性的还原氧化石墨烯(rGO)负载于电极表面,以提升电极表面的电子传递效率,进而提升对硫化物检测的灵敏度。本文构建的E.coli BL21-SQR/rGO/NPG/GCE电极对同等浓度硫化钠的检测信号是前文E.coli BL21-SQR/NPG/GCE的三倍,对硫化钠的最低检测浓度低至20 μM,灵敏度提升至23.5 μAmM-1 cm-2、检测限降低至0.85μM。实验结果证明rGO在电极表面的负载有效提升了电极对硫化物的传感性能。同时,E.coli BL21-SQR/rGO/NPG/GCE电极也表现出了良好的稳定性、重现性和抗干扰能力。以上结果表明,rGO在复合电极构建等方面具有极大的优势,具有良好的应用前景。综合分析实验结果表明,以表达重组蛋白质的微生物细胞作为传感器的识别元件既结合了酶生物传感器对底物的高效催化效率、良好的选择性和抗干扰能力,同时具备了微生物传感器稳定性好、制备简便、使用寿命长且成本低等优势。另外,基于重组微生物细胞与兼具结构和功能双重属性的纳米材料结合,构建的重组微生物细胞/纳米材料复合电极兼具了电化学传感器、酶传感器和微生物传感器的优势,利用表达重组蛋白质的微生物细胞和纳米材料的协同作用实现对环境污染物的特异、高效和灵敏性检测。