近红外响应型光电化学传感器的构建及在食源性致病菌检测中的应用研究

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食源性致病菌容易引起多种食源性疾病的爆发,严重威胁着人类的身体健康和生命安全。因此,实现对食源性致病菌的准确、快速检测在食品安全领域具有重大意义。光电化学(PEC)传感技术是在电化学的基础上快速发展起来的一种多学科交叉分析技术,具有背景信号低、响应速度快、操作简单等优点,在传感领域具有广阔的应用前景。传统的PEC分析技术大多基于短波长光源激发,但高能光子会破坏某些生物分子的结构,导致检测结果失真。因此,选用生物相容性好、穿透能力强的近红外(NIR)光作为激发光源构建NIR PEC传感平台在生物分析中有很好的应用前景。本论文基于反-斯托克斯效应的上转换纳米粒子(UCNPs)及无机半导体材料AgBiS2和Cu2O,构建了三种新型的纸基NIR PEC传感平台,实现了对大肠杆菌O157:H7和金黄色葡萄球菌的快速、高灵敏检测。论文研究内容主要包括三个部分:(1)基于核壳结构UCNPs@SiO2@Ag和C-g-C3N4构建了一个用于检测大肠杆菌O157:H7的三维纸基NIR PEC传感平台。UCNPs@SiO2@Ag作为光转换中心,将980 nm NIR光转换为C-g-C3N4可以吸收的可见光,并利用Ag NPs的局域表面等离子共振(LSPR)效应增强了UCNPs的上转换发光,提高了C-g-C3N4的光电转换效率。同时,选择细菌亲和力高、稳定性强的抗菌肽Magainin I作为识别探针来特异性捕获目标物,产生的空间位阻效应导致光电流降低,据此实现了对猪肉、卷心菜和牛奶样品中大肠杆菌O157:H7的快速检测。该传感平台具有优异的分析性能,线性范围为5~5×10~6CFU/m L,检出限为2CFU/m L。(2)基于花状AgBiS2构建了一个信号增强型三维纸基NIR PEC传感平台,实现了金黄色葡萄球菌的快速、灵敏检测。研究发现,花状AgBiS2可直接被980 nm NIR光源激发,并产生较强的光电流。基于此构建了一个“适配体-目标物-适配体基PEC探针”夹心型传感平台,通过引入Au NPs来提高纸电极的导电性和AgBiS2的光电转换效率。检测体系中,目标物浓度越高,被特异性引入到电极表面的PEC探针就越多,光电流就越大。据此,实现了对猪肉样品中金黄色葡萄球菌的快速、超灵敏检测。该传感平台具有优异的分析性能,线性范围为20~2×10~7 CFU/m L,检出限为4 CFU/m L。(3)基于Z型异质结AgBiS2/Cu2O开发了一套新型便携式NIR PEC分析装置,实现了大肠杆菌O157:H7快速、灵敏的现场即时检测。研究发现,AgBiS2和Cu2O在980 nm NIR光源激发下分别响应出阳极和阴极光电流,基于此构建了一个光电流极性翻转型传感平台。首先,将n型半导体AgBiS2修饰在电极表面,当目标物存在时,基于抗体-抗原间的免疫反应,p型半导体Cu2O被特异性引入到传感平台。二者能级匹配介导形成了Z型异质结,光电流发生了翻转,根据翻转后阴极光电流的强度可对大肠杆菌O157:H7进行定量检测。该传感平台具有较宽的线性范围(25~5×10~7 CFU/m L)、较低的检出限(8 CFU/m L)以及优异的抗干扰能力。在此基础上,搭建了便携式NIR PEC分析装置,实现了对猪肉样品中大肠杆菌O157:H7的快速、灵敏的现场即时检测。
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