部分农药及肠毒素分子印迹聚合物制备及应用

论文摘要

食品安全直接关系到人类的生命健康,影响人类生活质量,是关乎国计民生的重大问题,一直备受关注。我国食品安全问题面临巨大挑战,最突出的就是食品中农、兽药残留以及微生物污染问题。食品安全检测技术方法,作为解决这一复杂问题的基础条件,因此显得尤为重要。目前农药残留检测方法主要有色谱法,免疫法、传感器方法等。其中色谱方法需要大规模昂贵仪器和专业技术人才,并且要对样品进行预处理,萃取方法包括液-液萃取和固相萃取等,去除干扰杂质,富集痕迹量待测目的物质,其原理是利用物质极性差异达到分离的目的,往往萃取富集得率低;免疫学方法需要制备抗体,制备农药抗体需要合成完全抗原并免疫动物,制备周期长,且生物活性受多种因素影响易于失活,难于工业化生产。目前的生物传感器中多利用生物分子如抗体、酶等作为识别元件,生物分子的稳定性、重复检测性较差;化学传感器往往也是利用待测物极性差异进行检测,其检测缺乏特异性。因此,开发对待测组分有特异识别性能的敏感材料,成为研发新的检测方法的关键。随着科学技术的发展,分子印迹技术产生了,分子印迹技术为制备具有特异吸附性材料提供了技术支持。分子印迹聚合物（Molecularly imprinted polymers,MIPs）,是基于抗原-抗体反应原理而采用化学方法合成的高聚物。作为一种新型的吸附材料,MIPs具有从复杂样品中选择性识别目标分子或与其结构相近的某一类化合物的能力,因而被称为“人工抗体”。由于其化学性能稳定,目前已经广泛应用于样品分离、固相萃取、仿生传感器检测等领域。本文拟以部分农药、毒素为目标物质,制备其分子印迹聚合物,对其吸附性能进行测定并用于样品的富集处理。首先对传统沉淀聚合制备微球条件进行摸索,探讨聚合溶剂体积、模板、单体各组分比例,通氮气除氧时间和聚合时间对聚合物微球形貌和产量的影响。得出在乙腈中可以制备出纳米级别的印迹聚合物微球。选取部分农药毒死蜱、西维因及呋喃丹分子为模板物质,采用沉淀聚合方法制备了各自分子印迹聚合物微球,扫描电镜观察产物颗粒均匀,分散性较好;光谱法和计算机模拟方法预测模板农药分子与功能单体甲基丙烯酸的相互作用方式,结果显示毒死蜱、西维因及呋喃丹与功能单体之间分别以1∶1、1∶1、1∶2的方式发生相互作用,这在一定程度上阐明了聚合物对模板分子进行识别的理论基础。而后采用静态吸附试验测定了分子印迹聚合物对模板农药的结合能力,Scatchard分析结果表明毒死蜱分子印迹聚合物对模板最大表观结合量可达53.91μmol/g;并将聚合物用于环境介质中农药的吸附,取得较好的效果。西维因分子印迹聚合物对模板的最大表观结合量可达1.95μmol/g,同时以印迹聚合物为识别元件,固定于石英晶体微天平电极表面构建用于农药检测的分子印迹压电石英晶体传感器;对其检测条件进行优化,农药西维因浓度在10 - 1000ng/mL范围内,传感器响应方程为y = 0.139 x + 2.99,最低检测限为12.5 ng/mL,并且具有较好的选择性和重复性。葡萄球菌肠毒素B（SEB）是引起食物中毒的重要因素,本文尝试以此蛋白毒素为模板物质,制备其人工抗体并用于毒素的分离富集。实验首先采用水相悬浮聚合方法合成其分子印迹聚合物凝胶微球,并对其合成工艺进行了优化。平衡吸附试验对制备的SEB印迹凝胶微球的吸附动力学及等温吸附性能进行考察,确定了其对模板毒素SEB的最大吸附量为8.4 mg/g印迹聚合物微球。存在问题是SEB水凝胶微球干燥容易破裂,导致其吸附能力不稳定,再生性能较差。为了克服这一缺点,实验中以聚苯乙烯微球为基质,采用表面印迹法成功制备了SEB分子印迹聚合物微球。首先在聚苯乙烯微球表面共价修饰模板毒素,采用硅烷化试剂（APTMS, OTMS）聚合,而后洗脱模板毒素,从而获得特异的针对模板分子的印迹位点。试验中对聚合过程中的蛋白用量、硅烷化试剂比例、蛋白洗脱条件等参数进行优化,平衡吸附试验考察了聚合物的吸附动力学以及等温吸附性能,结果表明制备的SEB分子印迹聚合物微球对模板毒素有较好的吸附性能,Langmuir方程计算最大表观吸附量Qmax为3.86 mg/g印迹聚合物微球,明显高于非印迹聚合物微球;选用SEA、SEC以及BSA为竞争蛋白对聚合物吸附选择性进行分析,结果合成的SEB印迹聚合物具有较好的吸附特异性。

论文目录

• 缩略词表
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1. 分子印迹技术
• 1.1 分子印迹技术与原理
• 1.1.1 分子印迹技术
• 1.1.2 分子印迹技术的原理
• 1.2 分子印迹技术分类
• 1.2.1 共价分子印迹
• 1.2.2 非共价键分子印迹
• 1.2.3 金属络合作用分子印迹
• 1.3 分子印迹过程的理论
• 1.4 分子印迹聚合物的制备
• 1.4.1 单体的选择
• 1.4.2 交联剂的选择
• 1.4.3 溶剂和致孔剂的选择
• 1.4.4 非共价分子印迹体系的筛选
• 1.4.5 聚合方法
• 1.4.6 聚合物中模板分子的去除
• 1.5 聚合物的表征与评价
• 1.6 分子印迹选择性的机制
• 1.7 分子印迹聚合物的应用
• 1.7.1 固相萃取和膜分离
• 1.7.2 色谱分析
• 1.7.3 传感器
• 1.7.4 模拟酶
• 1.7.5 药物缓释材料
• 1.7.6 抗体和受体模拟物
• 1.8 生物大分子印迹聚合物研究
• 2. 选题目的与研究思路
• 第二章 分子印迹聚合物微球沉淀聚合方法研究
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 试剂与仪器
• 2.2 沉淀聚合方法制备聚合物微球及分析
• 3 结果与讨论
• 3.1 溶剂对聚合反应的影响
• 3.2 单体对聚合物微球的影响
• 3.3 引发剂对聚合物微球的影响
• 3.4 聚合时间对聚合物微球的影响
• 3.5 通气除氧时间对聚合反应的影响
• 4 小结
• 第三章 毒死蜱分子印迹聚合物制备及其吸附性能研究
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 试剂和仪器
• 2.2 分子印迹聚合物微球的制备
• 2.3 聚合物扫描电镜观察
• 2.4 气相色谱－质谱测定条件
• 2.5 紫外光谱分析
• 2.6 计算机模拟
• 2.7 聚合物微球对毒死蜱分子的平衡结合实验
• 2.8 聚合物对不同底物的选择性
• 3 结果与讨论
• 3.1 毒死蜱分子印迹聚合物微球的合成
• 3.2 毒死蜱与甲基丙烯酸的相互作用
• 3.2.1 紫外光谱分析
• 3.2.2 计算机模拟
• 3.3 分子印迹聚合物对模板农药的吸附性能
• 3.4 毒死蜱分子印迹聚合物的底物选择性
• 4 小结
• 第四章 西维因分子印迹压电石英晶体微天平的构建
• 1 引言
• 2 材料与方法
• 2.1 试剂和仪器
• 2.2 分子印迹聚合物微球的制备
• 2.3 聚合物扫描电镜观察
• 2.4 液相色谱测定条件
• 2.5 计算机模拟
• 2.6 紫外光谱分析
• 2.7 聚合物微球对西维因分子的平衡结合实验
• 2.8 聚合物对不同底物的选择性
• 2.9 石英晶体压电生物传感器构建
• 2.10 传感器检测程序
• 3 结果与讨论
• 3.1 西维因分子印迹聚合物微球的合成
• 3.2 西维因与甲基丙烯酸的相互作用
• 3.2.1 紫外光谱分析
• 3.2.2 计算机模拟
• 3.3 印迹聚合物的吸附性能
• 3.4 西维因分子印迹聚合物的底物选择性
• 3.5 聚合物识别材料在电极上的固定和分析
• 3.6 传感器响应特性
• 3.7 缓冲液pH 对传感器响应的影响
• 3.8 传感器选择性分析
• 3.9 传感器重现性分析
• 4 小结
• 第五章 肠毒素分子印迹聚合物制备及其吸附性能
• 第一节 悬浮聚合法制备SEB 分子印迹凝胶微球
• 引言
• 1 材料与方法
• 1.1 试剂及规格
• 1.2 主要仪器
• 1.3 葡萄球菌肠毒素SEB 蛋白表达纯化
• 1.3.1 SEB 蛋白生物工程表达
• 1.3.2 SEB 浓度测定
• 1.4 分子印迹聚合物微球MIP 制备
• 1.4.1 聚合配方
• 1.4.2 制备工艺
• 1.4.3 模板SEB 蛋白的洗脱
• 1.5 微球表面形态观察
• 1.6 溶胀比的测定
• 1.7 MIP 吸附性能特性研究
• 1.7.1 MIP 吸附动力学研究
• 1.7.2 吸附量-浓度实验
• 2 结果与讨论
• 2.1 MIP 的制备和形态
• 2.1.1 MIP 的制备聚合体系
• 2.1.2 MIPs 微球的形态
• 2.1.3 搅拌速度对凝胶微球形态的影响
• 2.1.4 引发剂加入方式
• 2.2 MIPs 吸附性能
• 2.2.1 吸附量-时间曲线
• 2.2.2 吸附量-浓度曲线
• 2.2.3 模板用量对吸附性能的影响
• 2.2.4 分子识别机理
• 2.2.5 MIP 再生性
• 3 小结
• 第二节 聚苯乙烯微球表面SEB 分子印迹聚合物制备
• 1 材料与方法
• 1.1 试剂及规格
• 1.2 主要仪器
• 1.3 微球表面SEB 分子印迹聚合物制备
• 1.3.1 SEB 蛋白表达纯化
• 1.3.2 SEB 浓度测定
• 1.3.3 聚苯乙烯微球表面印迹聚合方法
• 1.4 微球表面形态观察
• 1.5 SEB-MIP 吸附性能特性研究
• 1.5.1 吸附动力学研究
• 1.5.2 等温吸附实验研究
• 1.5.3 吸附选择性研究
• 1.5.4 SDS-PAGE 检测
• 2 结果与讨论
• 2.1 苯乙烯微球表面衍生化
• 2.2 聚合物形貌观测
• 2.3 红外光谱分析
• 2.4 硅烷化试剂的用量对聚合物微球吸附性能的影响
• 2.5 硅烷化试剂的比例对聚合物吸附性能的影响
• 2.6 聚合物吸附动力学
• 2.7 等温吸附结果
• 2.8 吸附选择性分析
• 2.9 聚合物再生性能
• 3 小结
• 全文结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历