多肽电化学生物传感器对水体中砷形态的快速现场分析研究

Arsenic and its compounds have strong toxicity and carcinogenicity. Contamination of water by arsenic is a world-wide problem. Arsenic occurs in several chemical speciations, and its toxicity effects are highly dependent on its chemical speciations. Because the distribution of speciations is not stable during transport in some types of samples. Therefore, the rapid on-site analysis of arsenic speciation in water samples is of great significance to objectively evaluate water quality and risk assessment. In this project, phage display technique will be used for the screening of peptides from a 12-mer peptide library. The selected peptides would specifically bind to As(III), As(V), MMA and DMA, respectively. The peptides will be modified with a 6-carbon alkanethiol at the n-termimus and a methylene blue redox label at the c-terminus via an added lysine. Based on the fact that the specific binding of the analyte with the peptide probe can lead to the conformational change of the peptide, the folding-based electrochemical peptide sensors are designed and used for the analysis of arsenic speciations in water. The arsenic speciations in the Dahuofang reservoir of Liaoning will be on-site investigated by using the analytical method established in this study. The method has the advantages of simple operation, fast analysis speed, low cost and portability, and can meet the requirements of quick on-site analysis of arsenic species in water samples.

砷及其化合物具有极强的毒性和致癌性，水环境中砷污染已成为全球性问题。不同化学形态的砷，其毒性差异巨大，且各种存在形态的分配情况易受外部因素影响。因此，水样中砷形态的快速现场分析对科学客观地进行水质评价及风险评估具有重要意义。本项目拟从随机十二肽库中通过噬菌体展示技术，个性化订制筛选分别与水中四种主要砷化学形态，As(III)、As(V)、甲基砷酸盐和二甲基砷酸盐，具有特异性结合能力的多肽，并对多肽分子进行设计与修饰，利用被测物与多肽探针特异性结合后能够导致多肽构象改变的特点，设计并构筑“折叠式”电化学多肽传感器用于水中砷形态的分析检测，并利用本项目所建立的分析方法对辽宁大伙房水库中砷形态进行现场调查，考察影响砷在环境中迁移转化的因素。本项目的实施可为水样中砷形态及其它污染物的快速现场分析提供简单、有效、廉价的检测方法，具有一定的理论意义和重要的应用价值。

多肽作为一种新型的生物探针分子，具有结构稳定、生物活性好、易于进行功能化标记和修饰等优点。本研究利用特定的多肽与无机离子间的特异性相互作用，发展了一种折叠型电化学多肽传感器用于无机离子的检测。该传感器为“信号减弱”型传感器，其响应机理为当被测物与固载在电极表面且末端修饰了亚甲基蓝的多肽探针结合后，使多肽链的构象发生改变，从而限制了亚甲基蓝与电极间的电子传递，导致亚甲基蓝的电流信号减弱，且减弱程度与被测物浓度呈正比。砷及其化合物具有极强的毒性和致癌性，水环境中砷污染已成为全球性问题。不同化学形态的砷，其毒性差异巨大，本研究制备了两种分别用于As(III)和As(V)检测的电化学多肽传感器。优化了传感器的制备条件和测试条件。采用多种电化学分析方法对传感器的分析性能进行了评价，研究了传感界面的再生方法。实验结果表明，所制备的传感器具有选择性好、响应速度快，制备简单，能够用于不同形态砷的分析等优点。稀土元素因其独特的光、电和磁特性，而在传统工业，高技术和非铁金属材料领域具有广泛的应用。同时，由于稀土元素的广泛使用，对环境和人类健康带来了一些危害。因此，开发简单、快速、准确检测稀土离子的分析方法具有重要意义。为了验证本项目所提出的多肽电化学传感器设计方案的普适性和可行性，本研究还制备了分别用于检测Tb(III)和Nd(III)的两种电化学多肽传感器。研究结果表明此类多肽传感器特异性好，不仅可以构筑在金电极上，还可以构筑在丝网印刷电极表面，为开发便携式检测设备进行现场检测奠定了基础。本项目的研究结果为多肽电化学传感器的开发与应用提供了理论依据和技术指导。