基于光学纳米材料的海洋腐蚀微生物快速检测方法

论文摘要

海洋腐蚀微生物的快速检测对微生物腐蚀机理及早期微生物腐蚀防护的研究具有重要的指导意义。本研究以海洋腐蚀微生物-硫酸盐还原菌（SRB）为主要检测目标,通过制备先进的光学纳米材料,结合合适的生物识别分子,分别构建了基于苯硼酸识别的银纳米颗粒的比色传感器、基于脱氧核酶识别的银纳米簇荧光传感器和基于GSH-Au（Ⅰ）-Pb（Ⅱ）配合物的荧光传感器和基于多重识别的碳点荧光阵列传感器,建立了对海洋腐蚀微生物的高灵敏度的快速检测方法。该研究的开展对海洋腐蚀微生物的检测及海洋微生物腐蚀的机理研究具有重要意义。主要研究结果如下:（1）构建了一种基于苯硼酸识别的银纳米颗粒的简单、快速、价格低廉的比色微生物检测方法。该检测方法利用细菌表面存在的邻二羟基基团可与苯硼酸功能化银纳米颗粒共价结合,从而抑制由过量巯基苯硼酸诱导的苯硼酸功能化银纳米颗粒的聚集,从而使其产生不同的颜色变化。通过肉眼观察、智能手机拍照或者紫外可见吸收光谱仪可实现对细菌的快速检测。结果证明,苯硼酸功能化银纳米颗粒在400 nm处的吸光度与SRB的浓度在5.0×106cfu·mL-1至5.0×107cfu·mL-1之间存在良好的线性关系。同时,整个检测过程可在20 min内完成。（2）构建了一种基于脱氧核酶识别的银纳米簇荧光传感器用于微生物的高灵敏度检测。该检测体系,以磁性微球为载体,以脱氧核酶为识别分子,引入乙酰胆碱酯酶,构建了一种MNP-DNAzyme-AChE（MDA）复合物。在目标细菌裂解液存在下,脱氧核酶可与其特异性结合,并发生催化裂解,使连接其上的乙酰胆碱酯酶,从MDA复合物中脱离进入溶液。利用乙酰胆碱酯酶的催化产物,使DNA银纳米簇的荧光信号发生增强。该荧光传感平台表现出了高特异性和高灵敏度,其最低检测限为60 cfu·mL-1,线性检测范围为1.0×102-1.0×107cfu·mL-1。整个检测过程可在2 h内完成。通过变换该检测体系中的脱氧核酶,可实现对特定海洋腐蚀微生物的高特异性、高灵敏度检测,为海洋腐蚀微生物的快速检测提供了新的策略方法。（3）构建了一种基于GSH-Au（Ⅰ）-Pb（Ⅱ）配合物的荧光传感器,其可对SRB代谢产物S2-产生特异性响应,在S2-存在下其可发生荧光猝灭。本研究基于Pb2+诱导的GSH-Au（Ⅰ）聚集诱导发光,以及S2-导致荧光猝灭现象,开发了一种用于检测SRB的荧光传感器。该方法显示出良好的线性检测范围和极好的选择性。鉴于所提出的荧光平台的快速和简便性,该方法在SRB的快速检测中具有潜在的应用价值。（4）构建了一种基于苯硼酸、多粘菌素和万古霉素功能化碳点的荧光阵列传感器用于海洋腐蚀微生物的识别、鉴定。由于不同细菌表面的物理化学性质的多样性,不同碳点对细菌具有不同的结合能力,因此该荧光阵列传感器对不同细菌产生不同程度的荧光信号响应。该荧光阵列传感器可以简单、快速、有效地实现对包括SRB和铜绿假单胞菌等海洋腐蚀微生物在内的6种细菌的准确识别。

论文目录

摘要

abstract

第1章前言

1.1 海洋腐蚀微生物的检测方法

1.1.1 海洋腐蚀微生物概况

1.1.2 微生物检测方法现状

1.2 基于不同光学检测形式的微生物检测

1.2.1 比色传感器

1.2.2 荧光生物传感器

1.2.3 表面等离子体共振传感器

1.2.4 表面增强拉曼散射生物传感器

1.2.5 化学发光生物传感器

1.3 基于光学纳米材料的微生物检测方法

1.3.1 金纳米颗粒

1.3.2 银纳米颗粒

1.3.3 磁性纳米颗粒

1.3.4 量子点

1.3.5 上转换纳米颗粒

1.3.6 荧光聚合物和碳点

1.3.7 氧化石墨烯

1.3.8 金属有机框架

1.4 微生物检测的识别分子

1.4.1 抗体

1.4.2 酶

1.4.3 核酸

1.4.4 适体

1.4.5 细胞

1.4.6 分子印迹聚合物

1.5 选题依据和研究思路

1.5.1 选题依据

1.5.2 研究内容

1.5.3 研究方案

第2章基于苯硼酸识别的银纳米颗粒的比色传感器的构建

2.1 前言

2.2 实验部分

2.2.1 材料与试剂

2.2.2 苯硼酸功能化银纳米颗粒的制备

2.2.3 细菌培养

2.2.4 细菌检测

2.3 结果与讨论

2.3.1 检测原理

2.3.2 可行性研究

2.3.3 实验条件优化

2.3.4 检测性能

2.3.5 检测方法选择性

2.3.6 海洋腐蚀微生物检测中的应用

2.4 本章小结

第3章基于脱氧核酶识别的银纳米簇荧光传感器的构建

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 材料与试剂

3.2.2 脱氧核酶DNAzyme的合成

3.2.3 细菌裂解液提取

3.2.4 DNAzyme活性验证

3.2.5 DNA-AChE的制备

3.2.6 MNP-DNAzyme-AChE的合成

3.2.7 银纳米簇的制备

3.2.8 微生物的检测

3.3 结果与讨论

3.3.1 脱氧核酶的合成

3.3.2 脱氧核酶活性验证

3.3.3 检测原理

3.3.4 可行性验证

3.3.5 实验条件优化

3.3.6 检测性能

3.3.7 实际检测

3.4 本章小结

第4章基于GSH-Au（Ⅰ）-Pb（Ⅱ）的荧光传感器的构建

4.1 前言

4.2 实验部分

4.2.1 材料和设备

4.2.2 GSH-Au（Ⅰ）和GSH-Au（Ⅰ）-Pb（Ⅱ）配合物的合成

4.2.3 SRB检测

4.3 结果和讨论

4.3.1 检测原理

4.3.2 可行性研究

4.3.3 实验条件的优化

4.3.4 检测性能

4.4 本章小结

第5章基于多重识别的碳点荧光阵列传感器的构建

5.1 前言

5.2 实验部分

5.2.1 材料和设备

5.2.2 碳点的合成

5.2.3 细菌鉴定

5.3 结果与讨论

5.3.1 检测原理

5.3.2 功能化碳点的合成和表征

5.3.3 可行性研究

5.3.4 检测性能

5.4 本章小节

第6章结论与展望

6.1 结论

6.2 创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郑来宝

导师: 张盾

关键词: 海洋腐蚀微生物,快速检测,光学纳米材料,识别分子

来源: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 中国科学院大学(中国科学院海洋研究所)

基金: 国家重点基础发展计划项目子课题“海洋微生物局部腐蚀与电化学机理研究”(No.2014CB643304),国家自然科学基金面上项目“硫酸盐还原菌生物膜活性的原位快速测定研究”(No.41876101),国家自然科学基金青年项目“应用花菁类近红外荧光探针实现海洋环境中硫酸盐还原菌的荧光成像”(No.41506094)

分类号: P755.3

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