生物电分析新方法与技术研究及仪器研制

生物电分析化学是一门利用生物分子作为识别元件、通过生物反应后电极过程产生的信号的变化对未知物质进行定性、定量分析的学科.目前常用的生物识别元件有酶、核酸(包括核酸适配体)、抗体、受体等,而可供检测的信号广义上包括电流、电阻、光电流和电化学发光等.在过去5年的工作中,我们针对生命科学、临床检验和环境监测等实际应用领域,分别研究了电化学酶传感器、光电化学核酸损伤传感器和电化学发光免疫检测的原理与技术,并研制了相应的检测仪器.     

二氧化钛光催化产生超氧自由基的形态分布研究

超氧阴离子自由基(O·-2)是TiO2光催化反应过程中产生的重要活性氧物种.本研究使用硝基四氮唑蓝(NBT)作为超氧自由基捕获剂,将其与TiO2混合后光照,研究TiO2光反应过程中产生的总O·-2;然后采用连续流动-分光光度法,将TiO2光照后,再与NBT混合,研究TiO2光反应过程中表面吸附的O·-2.在此基础上,研究了3种不同晶相TiO2(锐钛矿、金红石、P25)光催化反应中生成的总O·-2和表面吸附的O·-2.结果表明,3种不同晶相TiO2的总O·-2生成量依次为P25>锐钛矿>金红石;而表面吸附的O·-2的生成量相差不大,锐钛矿表面吸附O·-2略高.不同于以往仅对光催化反应中总活性氧(ROS)检测,本研究同时还对吸附在颗粒物表面ROS的产生和分布进行研究,有助于加深光催化污染物降解和微生物消毒作用机制的认识和理解.     

氟调醇的环境污染与毒理学研究

多氟和全氟烷基化合物（PFASs）由于其独特的稳定性、疏水性和疏油性被广泛用于生产和生活中。PFASs的生产方式有两种：电化学氟化法（ECF）和调聚反应。由于持久性、毒性和生物富集性,ECF生产过程中产生的全氟辛烷磺酸（PFOS）及其盐和全氟辛基磺酰胺（POSF）于2009年被正式列入《斯德哥尔摩公约》的POPs名单,发达国家也开始逐渐停止用ECF方法生产PFASs。因此,调聚反应产生的PFASs前驱体氟调醇（FTOHs）的产量不断增加。研究表明,FTOHs经生物或非生物转化能够生成全氟烷基羧酸（PFCAs）,可能是PFCAs污染的间接来源。此外,FTOHs的一些中间代谢产物能够与多种生物分子共价结合,引起严重的毒性效应,而代谢终产物又能引起肝毒性和肾毒性等。近年来,FTOHs的环境问题已成为环境科学、毒理学和流行病学领域的研究热点。本文综述了FTOHs的生产状况、环境污染水平和相关代谢产物的毒性。最后讨论了目前存在的问题,并对未来的研究进行了展望。     

DNA损伤的光电化学传感器检测

DNA是生物体主要的遗传物质,DNA损伤在生物体内经常发生。一些内源性和外源性物质可对细胞核内DNA造成氧化和修饰等结构性损伤。未经修复的损伤DNA可导致基因突变甚至癌症的发生。DNA电化学传感器具有快速、灵敏、低成本和易于小型化等优势,非常适用于化学品和环境化合物致DNA损伤毒性的快速筛查。本文首先简要介绍目前流行的DNA电化学传感器的类型和工作原理,然后以我们实验室的工作为基础,重点论述针对DNA损伤检测的电化学和光电化学传感器,包括用于化合物基因毒性快速鉴定的通用型传感器和特定DNA损伤产物（8-羟基脱氧鸟苷,甲基化DNA碱基）定量检测的专用型传感器。最后对DNA损伤电化学传感器目前存在的问题和未来可能的发展方向进行展望。     

连续流动化学发光法在线定量检测二氧化钛光催化产生的O_2~(·-)和H_2O_2及其生成动力学研究

O2·-和H2O2是Ti O2光催化反应过程中产生的重要活性氧物种.本文使用鲁米诺作为化学发光探针,针对两者寿命不同,建立了连续流动化学发光在线定量检测方法.对于O2·-,由于寿命短,标准品不易得到,将光照后Ti O2样品10s内与鲁米诺混合产生化学发光,根据鲁米诺和O2·-化学计量关系,将该发光强度对应的鲁米诺浓度转换成O2·-的浓度,实现间接定量;对于H2O2,将光照后的Ti O2溶液于黑暗处30 min后进行定量.该方法测得Ti O2光催化产生O2·-和H2O2的浓度范围分别为7.5~30 nmol/L和0.60~3.0μmol/L,检测限分别为1.95 nmol/L和18.0 nmol/L.O2·-和H2O2的生成动力学研究发现,两者的生成均符合指数衰减函数增长,通过拟合计算,其生成速率常数(kf)分别为0.0653nmol·s-1和15.0 nmol·s-1,表明在Ti O2光催化反应中H2O2的生成速率高于O2·-.     

光电化学DNA传感器快速检测聚苯乙烯纳米球溶液诱导的DNA损伤

近年来,随着纳米科技的发展,纳米材料逐渐有了广泛的应用.然而,动物实验和细胞实验的结果表明,许多纳米材料存在潜在的毒性.我们用实验室先前建立的光电化学DNA传感器快速检测了聚苯乙烯纳米球溶液诱导的DNA损伤.在这个传感系统中,我们通过静电组装的方式将双链DNA膜组装到纳米SnO2半导体电极上,然后使用一种DNA双链嵌入剂,即Ru（bpy）2（dppz）2＋（bpy=2,2＇-bipyridine,dppz=dipyrido[3,2-a：2＇,3＇-c]phenazine）作为光电信号分子.当电极上的DNA膜暴露于2.0mg/mL的聚苯乙烯纳米球溶液1小时后,电极的光电信号下降了将近20%.光电流的下降是由于DNA膜受到损伤,使得嵌入到电极表面的Ru（bpy）2（dppz）2＋信号分子的量减少所导致的.凝胶电泳的实验结果也表明,DNA与聚苯乙烯纳米球溶液孵育后产生了化学损伤.然而,光电化学传感器与凝胶电泳的结果同时还表明,多次清洗后的聚苯乙烯纳米球溶液并不会导致DNA损伤,而未清洗的聚苯乙烯纳米球溶液的上清液却可以导致与聚苯乙烯纳米球溶液大致相当的DNA损伤.清洗后上清液的紫外吸收光谱显示其中含有杂质,且呈现出与氧化苯乙烯类似的特征吸收,而氧化苯乙烯是一种已知的DNA加合损伤试剂.因此,上清液中存在的氧化苯乙烯等杂质可能是导致DNA损伤的主要原因.本研究表明,在进行纳米材料的毒理学研究之前,对于材料的充分表征是非常有必要的.我们报道了光电化学传感器在快速评价纳米材料在DNA损伤上的应用.     

抗生素消毒副产物的分析检测及毒性效应研究进展

由于抗生素的大量使用和持续排放,其环境污染水平逐年升高,个别抗生素在地表水中浓度接近300 ng/L,在饮用水原水中浓度超过200 ng/L.在饮用水消毒过程中,抗生素会与消毒剂反应生成不同种类的消毒副产物(DBPs),其中一些副产物具有较高的致癌性和急性毒性.饮用水中的抗生素DBPs可危害人体健康,是环境健康科学研究...     

DNA脱碱基位点的检测与应用

脱碱基位点是一种常见的DNA损伤,源于N-糖苷键断裂而使碱基脱落。辐射、烷基化试剂和一些抗癌药物等可能会造成碱基脱落,因此脱碱基位点作为标志性损伤能够帮助疾病早期筛查、药物毒副作用评价、环境污染物毒性评价等。目前已有不同的检测方法用于脱碱基位点的定量、定性分析,包括32P后标记法、LC-MS、ELISA及化学探针检测法等。另一方面,由于脱碱基位点在双链DNA内形成疏水空腔,能够结合小分子,使得脱碱基位点作为结合位点被用于小分子检测、构建适配体传感器及SNP检测。本文简要概述目前为止对DNA脱碱基位点的化学探针检测法研究进展以及含有脱碱基位点DNA的应用研究进展,并展望其发展趋势。     

光电化学竞争法检测生物素

建立了光电化学系统竞争性检测生物素(Biotin)小分子浓度的方法。采用联吡啶钌[Tris(2,2’-bipyridine)ruthenium,Ru-bpy)]作为标记物,以氧化锡纳米颗粒为电极,草酸盐为电子供体还原标记物。在470 nm光激发下,联吡啶钌的外层电子吸收能量后由基态变为激发态,注入半导体氧化锡纳米颗粒电极的导带,形成光电流信号;草酸盐还原失去电子的联吡啶钌使其恢复初始状态,从而可以再次作为电子供体受激发产生光电流信号。在竞争性检测生物素(Biotin)浓度时,亲和素(Avidin)吸附到氧化锡纳米颗粒电极表面作为识别元件,在浓度大于0.5 g/L时能够达到最大的电极表面覆盖率。1μmol/L Ru-bpy-biotin与不同浓度Biotin组成的混合溶液与电极表面的Avidin发生亲和反应,光激发后检测光电流大小;当溶液中Biotin的浓度增加时,致使与电极表面Avidin结合的Ru-bpy-biotin量减少,在光照射下光电流信号降低。这一竞争性光电检测方法检测Biotin时,检出限为8μg/L。本方法可进一步扩展,应用于有机化合物的竞争性免疫检测。     

我国环境化学研究新进展

因环境问题复杂性而产生的学科交叉特性既是环境化学的特色,又是学科生长点。2010年以来,新型污染物和纳米材料的污染问题以及化学污染导致的健康影响日益引起关注,环境化学的研究范围亦随着实际问题的出现而延展,新型污染物种类持续上升。继2010年首次在氟化工厂环境中发现并报道了新型持久性有机污染物全氟碘烷的存在,2011年又基于效应分析成功甄别了一种具有神经毒性的新型溴代污染物,标志着我国在污染物研究方面已从全面跟踪国外研究到部分引领方向转化。继青藏高原环境介质污染物归趋行为研究之后的极地环境科学考察进一步将视野着眼于全球尺度环境问题的解决。得益于上海光源等一批大科学装置的建成,污染物环境界面行为探索已达到分子水平。在纳米材料广泛应用所引发的纳米污染层面,其形成、转化和环境归趋行为的研究亦取得突破。污染生态化学研究方面,借助于先进的表面等离子体共振和理论模拟等先进手段,在污染物与生物大分子相互作用探索和联合毒性机制研究上取得了显著进步,环境与健康开始受到广泛关注。这些成果极大丰富了学科内涵,为学科今后的发展奠定了坚实基础。共引用参考文献45篇。