酶辅助石墨烯信号放大型阿特拉津核酸适配体光电分析方法与机制研究

In view of the structural characteristics of atrazine, a kind of pesticide endocrine disrupting chemical, it is hard to be directly electrochemically detected with high sensitivity and selectivity due to its structural stability and dysoxidation, and its often low concentration and complex coexistence system. It is herein proposed to take advantage of the unique conjugated macromolecule structure of graphene to construct graphene-aptameric complex system as a new recognition element of atrazine. The complex system can be used as a specific "crawl" to atrazine, leaving the corresponding exposed graphene, which can be quickly assembled to the surface of the photoanode with photoelectric functional design and serve as a photoelectric signal "molecular switch" to turn on the photoelectric signal of the photoanode. By using the dose-effect relationship between the sensitized photocurrent and the atrazine concentration, a new method of photoelectric aptasensing of atrazine can be established with high sensitivity and specificity. In this study, it is further proposed to focus on the photocatalytic amplification of the photocathode, the DNase I assisted signal cycle amplification as a kind of "molecular scissors", and the accurate molecular/signal controlling performance of graphene. Furthermore, by the means of the in situ spectroscopy method and transient spectroscopy technique, efforts will be made to expound the efficient specific identification and analytic mechanism of the proposed photoelectric aptasensing system, as well as its photoelectric coordination mechanism.

针对农药内分泌干扰物阿特拉津由于结构稳定难氧化等化学特性，同时在水体中往往具有低浓度、高毒性、共存体系复杂的特点，本项目提出借助石墨烯独特的共轭大pi分子结构，巧妙利用其双功能性质，构建石墨烯-核酸适配体复合体系作为阿特拉津的新型识别元素，可在靶物质存在时进行特异性“抓取”，并获得相应的裸露石墨烯，转而快速组装到表面光电通道功能化设计的光阳极表面，成为光电信号“分子开关”，从而对光阳极的光电信号产生增敏作用。利用增敏光电流与阿特拉津浓度之间的量效关系，可以简便快速高灵敏地建立对阿特拉津特异性识别的适配子光电传感新方法。研究中还将着重对光阳极表面光电载流子通道调控、核酸内切酶辅助信号循环放大作用、石墨烯精确双功能分子/信号调控机制等关键因素进行深入探索。结合现场光谱技术和瞬态谱学方法，详细考察其灵敏度和选择性，并阐述石墨烯光电信号放大的分析机理，以及传感体系的高效特异性识别和光电协同机制。

针对阿特拉津等典型环境内分泌干扰物难以直接采用便捷的电化学技术进行监测，同时在水体中往往具有低浓度、高毒性且共存体系复杂等特点，对其进行特异性识别分析难度大的难题，本项目提出了基于酶辅助石墨烯信号放大策略的核酸适配体光电分析新方法的构建思路，重点围绕新颖可见光电催化电极界面的构筑与表面光电通道的调控设计、酶辅助石墨烯信号循环放大核酸适配体光电传感新体系与新方法的构建确立、阿特拉津等典型环境污染物的高选择性识别和高灵敏检测研究、光电传感调控分子作用机理和高效特异性识别协同机制与原理研究等开展工作。构筑得到了一系列基于表面烷基硫醇调控、原位光还原修饰Au NPs/TiO2 NTs以及表面氧空位调控的AgNPs修饰铋氧化合物等光电界面的酶辅助石墨烯信号循环放大策略体系，建立“无需固定”的新型核酸适配体光电传感平台，实现对典型环境内分泌干扰物阿特拉津的高灵敏光电分析。研究发现，相较于传统固定型传感器，所建立传感体系对污染物的识别分析具有更高的稳定性和灵敏度，检测限可达飞摩尔/皮摩尔数量级，并可在高盐浓度（6M Na+）和宽pH范围（pH=1-13）下实现对目标污染物的高稳定光电识别检测。结合现场红外、紫外光谱等技术分析对光阳极表面光电载流子通道调控、核酸内切酶辅助信号循环放大作用、石墨烯精确双功能分子/信号调控机制等关键因素进行深入探索，并阐述电信号放大的分析机理，以及传感体系的高效特异性识别和光电协同作用机制。这些研究结果不仅为水体环境中阿特拉津的监测开辟了一种新的光电分析方法，而且为其在环境污染物的高灵敏检测、特异性识别等方面的实际应用提供了新的实验技术与实验方法，同时还为更多高毒性难氧化环境污染物进一步拓展高效选择性监测新方法与机制提供了新思路。在Biosens. Bioelectron.、Sens. Actuator. B-Chem.、J. Hazard. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Appl. Catal. B- Environ.等环境、化学、传感器领域国际有影响的学术期刊上发表了SCI收录期刊论文9篇，其中一区5篇、IF>10的3篇，所有论文IF均>5.0。同时还有一些重要的相关研究成果还在整理与待后续发表之中。获得授权国家发明专利4项。