基本信息
- 项目名称：
- 基于新型靶标酶界面的农药分子识别与检测
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 乙酰胆碱酯酶活性的抑制程度可以作为有机磷农药的生物标志物。在此理论的基础上，我们小组成员通过构建出不同的新型靶标酶界面研制出两种不同的生物传感器体系用于有机磷农药的检测。试验中我们运用循环伏安法，电化学交流阻抗法和扫描电镜法对界面进行了及时有效的表征，得到了较好的结果。制得的农药生物传感器用于有机磷农药的检测，表现出检出限低，稳定性好，成本低廉等优点，从而为有机磷农药的快速检测提供了一套经济实用的检测手段。
- 详细介绍：
- 有机磷（OP）农药以其高效、施用方法简单、应用范围广和能够满足农业生产效应等优点，而被广泛应用了70多年 。然而它的高毒性严重威胁着动植物、人类和生态环境，特别是在长期非规范性的使用下，情况更加严峻。所以开发一种快速、灵敏、经济的方法来检测威胁生物体的有机磷农药，已经成为当代研究热点。 有机磷农药的高毒性来自于他们可以特异性和不可逆地抑制对中枢神经系统至关重要的乙酰胆碱酯酶（ AChE ）的活性。它能够不可逆地磷酸化乙酰胆碱酯酶活性中心的丝氨酸残基。因为在一定范围内，乙酰胆碱酯酶活性的抑制程度与有机磷农药的浓度呈正相关性，所以酶活性的变化可作为生物标志物来检测有机磷农药。 基于聚苯胺-碳纳米管复合物膜固定乙酰胆碱酯酶，我们构建了能用于有机磷农药检测的靶标酶界面。形成的聚苯胺-碳纳米管复合物膜不仅有利于界面通过酶水解反应，形成电活性物质，增大生物传感器的灵敏度和安培响应，而且还能通过网状结构阻止酶分子脱落。相比于仅由聚苯胺修饰的电极，该电极的性能有很大的提高。这可能是由于苯胺和碳纳米管独特的化学和电化学性质以及它们之间的协同效应。制备的生物传感器重现性好、灵敏度高、稳定可靠、成本低，有望为农药的检测提供一个新的检测工具。 实验中运用电化学交流阻抗法、循环伏安法、红外光谱、扫描电镜（SEM）等一系列表征技术对靶标酶界面做出及时有效的评价。 作品创新之处：将分析化学与农药学、电化学、新材料科学等多学科技术有机结合，构建仿生界面，研制靶标酶生物传感器。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 有机磷农药显著抑制乙酰胆碱酯酶活性，其浓度和酶活性抑制程度在一定范围内线性相关。在此理论基础上我们提出了一套新的生物传感器的构建体系。具体方法是：将酶固定于电极上制得的生物传感器与底物作用可得到标准峰电流值，当向底物中加入有机磷农药后，由于农药会抑制酶活性，测得的峰电流会减小。峰电流值的变化反映出酶活性的抑制程度，根据酶活性抑制程度与有机农药浓度之间的线性关系，便能够测得有机磷农药的浓度。
科学性、先进性及独特之处
- 利用乙酰胆碱酯酶活性的抑制程度作为有机磷农药的生物标志物，我们构建了对农药分子具有选择性识别和信号放大功能的新型靶标酶界面。它具有特异性识别氯化乙酰硫代胆碱的乙酰胆碱酯酶，和将化学信号转换成电信号的传导的换能器，提高了对微弱分子识别信号的响应能力。这种设计成功地用于对有机磷农药大的浓度范围的测量，极大地简化了农药的检测设备。
应用价值和现实意义
- 随着社会的进步，开发高效低毒低残留的新型农药已是势在必行，但是在目前的社会背景下，对于农药残留的检测对于保障食品安全和环境保护方面有着十分重要的意义。在传统生物传感器的基础上，我们提出了两套新颖的设计思路，构建出一套更加灵敏，易于操作而又低成本的新型乙酰胆碱酯酶生物传感器，对于生物传感器的理论研究有着独特的意义。它在农药分析和环境监测中具有潜在的应用价值。
学术论文摘要
- 1.文中构建了一种灵敏、快速、经济和稳定的生物传感器来检测有机磷农药，它是用聚苯胺-多壁碳纳米管复合材料固定乙酰胆碱酯酶制成的。在优化条件下，久效磷浓度测定在两个范围内，从1到10 ng/mL和0.5至5μg/ml，相关系数分别为0.9961和0.9996，检出限为0.3ng/mL。构建的生物传感器具有突出的特点和性能，如良好的精密度、重现性、稳定性和准确性、反应快速和检出限低等，这为环境生物监测有机磷农药提供了新的工具。 2.我们制备了多壁碳纳米管/聚苯胺复合物薄膜以构建乙酰胆碱酯酶传感器。复合物薄膜因能与乙酰胆碱酯酶强烈地作用用于酶的固定，固定到电极上的酶能够催化乙酰胆碱产生硫代胆碱，硫代胆碱具有电活性，在用循环伏安法表征时能够产生一个不可逆的氧化峰。通过测量氧化峰电流反映出酶的活性，进一步可以测得有机磷农药的浓度。在1-100 ng/ml 和1-10μg/ml的范围内，马拉硫磷对乙酰胆碱酯酶的抑制率和其浓度呈线性关系，相关系数分别达到0.9981和0.9998.用这种方法的检出限达到0.4ng/ml从而为农药分析和酶活性研究提供了一种重要方法。
获奖情况
- 获得湖北省第七届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
鉴定结果
参考文献
- 1.FRR Teles, LP Fonseca, Applications of polymers for biomolecule immobilization in electrochemical biosensors,, Materials Science and Engineering C. 2008, 28,1530–1543. 2.PJ Halling, RV Ulijn, SL Flitsch, Understanding enzyme action on immobilized substrates, Curr. Opin. Biotech. 2005, 16, 385-392. 3.J Wang, C Timchalk, and YH Lin, Carbon Nanotube-Based Electrochemical Sensor for Assay of Salivary Cholinesterase Enzyme Activity: An Exposure Biomarker of Organophosphate Pesticides and Nerve Agents, Environ. Sci. Technol. 2008, 42 (7), 2688-2693 4.BN Barsoum, WM Watson, IM Mahdi, E Khalid, Electrometric assay for the determination of acetylcholine using a sensitive sensor based on carbon paste.J. Electroanal Chem. 2004,564, 277–281. 5.Pavlov, Y Xiao, I Willner, Inhibition of the acetycholine esterase-stimulated growth of Au nanoparticles: nanotechnology-based sensing of nerve gases, Nano Lett. 2005, 5, 649-653.
同类课题研究水平概述
- 靶标与其抑制剂的分子识别过程研究是新农药创制的难点。理想的农药应能有效地防治病虫草害，而不伤害人、畜、禽及其它农产品。随着社会和环境对农药安全性要求的提高，开发高效、低毒、高选择性农药品种显得尤为重要。研究农药分子与其作用靶标之间的相互识别规律对农药分子的合理设计与新型农药的筛选具有重要意义，也是新农药创制过程中最核心的科学问题。农药生物活性的发挥是一个十分复杂的过程，包括吸收、传导、代谢以及与作用靶标的相互识别等多个环节，但其中农药分子与作用靶标之间的选择性识别是影响其生物活性最关键的因素。由于酶是多数农药作用的靶标分子，农药的作用机制主要是破坏酶系统的某个环节，使酶的活性降低或失活，以抑制正常生理功能。 自从20 世纪80年代首次将生物传感器应用于农药分析以来，科学家们一直不断地在靶标酶的固定化技术、功能界面的设计与修饰以及信号放大等方面进行改进。其中对靶标界面的组成、结构、形貌、尺寸、取向、排布等的预期控制一直是化学家和材料学家努力的方向。目前，酶的固定方法包括夹心法、吸附法、共价键合法、凝胶/聚合物包埋法、交联法以及LB 膜技术。为了提高靶标酶的固定化效率、灵敏度和催化效率，增大界面表面积是比较有效的方法。随着纳米技术向生命科学领域的广泛渗透，纳米Au、Ag及一些纳米氧化物由于其极细的晶粒及其所具有的特殊表面效应、体积效应、量子效应、光电效应以及其优越的生物兼容性等，在功能靶标酶界面的构建上显示出独特的优越性。此外，以反转胶束晶体模板法构建有序微孔结构，比光滑表面更有利于生物分子的吸附，因而电化学响应信号增强。利用胶束晶体模板在电极表面直接电沉积，为生物分子的负载提供了便利，使检测灵敏度得到了很大的提高。
