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基本信息

項(xiàng)目名稱：
基于新型靶標(biāo)酶界面的農(nóng)藥分子識(shí)別與檢測(cè)
小類(lèi)：
能源化工
簡(jiǎn)介：
乙酰膽堿酯酶活性的抑制程度可以作為有機(jī)磷農(nóng)藥的生物標(biāo)志物。在此理論的基礎(chǔ)上，我們小組成員通過(guò)構(gòu)建出不同的新型靶標(biāo)酶界面研制出兩種不同的生物傳感器體系用于有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)。試驗(yàn)中我們運(yùn)用循環(huán)伏安法，電化學(xué)交流阻抗法和掃描電鏡法對(duì)界面進(jìn)行了及時(shí)有效的表征，得到了較好的結(jié)果。制得的農(nóng)藥生物傳感器用于有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測(cè)，表現(xiàn)出檢出限低，穩(wěn)定性好，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，從而為有機(jī)磷農(nóng)藥的快速檢測(cè)提供了一套經(jīng)濟(jì)實(shí)用的檢測(cè)手段。
詳細(xì)介紹：
有機(jī)磷（OP）農(nóng)藥以其高效、施用方法簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍廣和能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用了70多年 。然而它的高毒性嚴(yán)重威脅著動(dòng)植物、人類(lèi)和生態(tài)環(huán)境，特別是在長(zhǎng)期非規(guī)范性的使用下，情況更加嚴(yán)峻。所以開(kāi)發(fā)一種快速、靈敏、經(jīng)濟(jì)的方法來(lái)檢測(cè)威脅生物體的有機(jī)磷農(nóng)藥，已經(jīng)成為當(dāng)代研究熱點(diǎn)。 有機(jī)磷農(nóng)藥的高毒性來(lái)自于他們可以特異性和不可逆地抑制對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)至關(guān)重要的乙酰膽堿酯酶（ AChE ）的活性。它能夠不可逆地磷酸化乙酰膽堿酯酶活性中心的絲氨酸殘基。因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，乙酰膽堿酯酶活性的抑制程度與有機(jī)磷農(nóng)藥的濃度呈正相關(guān)性，所以酶活性的變化可作為生物標(biāo)志物來(lái)檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥。 基于聚苯胺-碳納米管復(fù)合物膜固定乙酰膽堿酯酶，我們構(gòu)建了能用于有機(jī)磷農(nóng)藥檢測(cè)的靶標(biāo)酶界面。形成的聚苯胺-碳納米管復(fù)合物膜不僅有利于界面通過(guò)酶水解反應(yīng)，形成電活性物質(zhì)，增大生物傳感器的靈敏度和安培響應(yīng)，而且還能通過(guò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)阻止酶分子脫落。相比于僅由聚苯胺修飾的電極，該電極的性能有很大的提高。這可能是由于苯胺和碳納米管獨(dú)特的化學(xué)和電化學(xué)性質(zhì)以及它們之間的協(xié)同效應(yīng)。制備的生物傳感器重現(xiàn)性好、靈敏度高、穩(wěn)定可靠、成本低，有望為農(nóng)藥的檢測(cè)提供一個(gè)新的檢測(cè)工具。 實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用電化學(xué)交流阻抗法、循環(huán)伏安法、紅外光譜、掃描電鏡（SEM）等一系列表征技術(shù)對(duì)靶標(biāo)酶界面做出及時(shí)有效的評(píng)價(jià)。 作品創(chuàng)新之處：將分析化學(xué)與農(nóng)藥學(xué)、電化學(xué)、新材料科學(xué)等多學(xué)科技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建仿生界面，研制靶標(biāo)酶生物傳感器。

作品圖片

  • 基于新型靶標(biāo)酶界面的農(nóng)藥分子識(shí)別與檢測(cè)
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  • 基于新型靶標(biāo)酶界面的農(nóng)藥分子識(shí)別與檢測(cè)

作品專業(yè)信息

撰寫(xiě)目的和基本思路

有機(jī)磷農(nóng)藥顯著抑制乙酰膽堿酯酶活性，其濃度和酶活性抑制程度在一定范圍內(nèi)線性相關(guān)。在此理論基礎(chǔ)上我們提出了一套新的生物傳感器的構(gòu)建體系。具體方法是：將酶固定于電極上制得的生物傳感器與底物作用可得到標(biāo)準(zhǔn)峰電流值，當(dāng)向底物中加入有機(jī)磷農(nóng)藥后，由于農(nóng)藥會(huì)抑制酶活性，測(cè)得的峰電流會(huì)減小。峰電流值的變化反映出酶活性的抑制程度，根據(jù)酶活性抑制程度與有機(jī)農(nóng)藥濃度之間的線性關(guān)系，便能夠測(cè)得有機(jī)磷農(nóng)藥的濃度。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

利用乙酰膽堿酯酶活性的抑制程度作為有機(jī)磷農(nóng)藥的生物標(biāo)志物，我們構(gòu)建了對(duì)農(nóng)藥分子具有選擇性識(shí)別和信號(hào)放大功能的新型靶標(biāo)酶界面。它具有特異性識(shí)別氯化乙酰硫代膽堿的乙酰膽堿酯酶，和將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的傳導(dǎo)的換能器，提高了對(duì)微弱分子識(shí)別信號(hào)的響應(yīng)能力。這種設(shè)計(jì)成功地用于對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥大的濃度范圍的測(cè)量，極大地簡(jiǎn)化了農(nóng)藥的檢測(cè)設(shè)備。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

隨著社會(huì)的進(jìn)步，開(kāi)發(fā)高效低毒低殘留的新型農(nóng)藥已是勢(shì)在必行，但是在目前的社會(huì)背景下，對(duì)于農(nóng)藥殘留的檢測(cè)對(duì)于保障食品安全和環(huán)境保護(hù)方面有著十分重要的意義。在傳統(tǒng)生物傳感器的基礎(chǔ)上，我們提出了兩套新穎的設(shè)計(jì)思路，構(gòu)建出一套更加靈敏，易于操作而又低成本的新型乙酰膽堿酯酶生物傳感器，對(duì)于生物傳感器的理論研究有著獨(dú)特的意義。它在農(nóng)藥分析和環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

學(xué)術(shù)論文摘要

1.文中構(gòu)建了一種靈敏、快速、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定的生物傳感器來(lái)檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥，它是用聚苯胺-多壁碳納米管復(fù)合材料固定乙酰膽堿酯酶制成的。在優(yōu)化條件下，久效磷濃度測(cè)定在兩個(gè)范圍內(nèi)，從1到10 ng/mL和0.5至5μg/ml，相關(guān)系數(shù)分別為0.9961和0.9996，檢出限為0.3ng/mL。構(gòu)建的生物傳感器具有突出的特點(diǎn)和性能，如良好的精密度、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性、反應(yīng)快速和檢出限低等，這為環(huán)境生物監(jiān)測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥提供了新的工具。 2.我們制備了多壁碳納米管/聚苯胺復(fù)合物薄膜以構(gòu)建乙酰膽堿酯酶?jìng)鞲衅?。?fù)合物薄膜因能與乙酰膽堿酯酶強(qiáng)烈地作用用于酶的固定，固定到電極上的酶能夠催化乙酰膽堿產(chǎn)生硫代膽堿，硫代膽堿具有電活性，在用循環(huán)伏安法表征時(shí)能夠產(chǎn)生一個(gè)不可逆的氧化峰。通過(guò)測(cè)量氧化峰電流反映出酶的活性，進(jìn)一步可以測(cè)得有機(jī)磷農(nóng)藥的濃度。在1-100 ng/ml 和1-10μg/ml的范圍內(nèi)，馬拉硫磷對(duì)乙酰膽堿酯酶的抑制率和其濃度呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.9981和0.9998.用這種方法的檢出限達(dá)到0.4ng/ml從而為農(nóng)藥分析和酶活性研究提供了一種重要方法。

獲獎(jiǎng)情況

獲得湖北省第七屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽一等獎(jiǎng)

鑒定結(jié)果

參考文獻(xiàn)

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.

同類(lèi)課題研究水平概述

靶標(biāo)與其抑制劑的分子識(shí)別過(guò)程研究是新農(nóng)藥創(chuàng)制的難點(diǎn)。理想的農(nóng)藥應(yīng)能有效地防治病蟲(chóng)草害，而不傷害人、畜、禽及其它農(nóng)產(chǎn)品。隨著社會(huì)和環(huán)境對(duì)農(nóng)藥安全性要求的提高，開(kāi)發(fā)高效、低毒、高選擇性農(nóng)藥品種顯得尤為重要。研究農(nóng)藥分子與其作用靶標(biāo)之間的相互識(shí)別規(guī)律對(duì)農(nóng)藥分子的合理設(shè)計(jì)與新型農(nóng)藥的篩選具有重要意義，也是新農(nóng)藥創(chuàng)制過(guò)程中最核心的科學(xué)問(wèn)題。農(nóng)藥生物活性的發(fā)揮是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，包括吸收、傳導(dǎo)、代謝以及與作用靶標(biāo)的相互識(shí)別等多個(gè)環(huán)節(jié)，但其中農(nóng)藥分子與作用靶標(biāo)之間的選擇性識(shí)別是影響其生物活性最關(guān)鍵的因素。由于酶是多數(shù)農(nóng)藥作用的靶標(biāo)分子，農(nóng)藥的作用機(jī)制主要是破壞酶系統(tǒng)的某個(gè)環(huán)節(jié)，使酶的活性降低或失活，以抑制正常生理功能。 自從20 世紀(jì)80年代首次將生物傳感器應(yīng)用于農(nóng)藥分析以來(lái)，科學(xué)家們一直不斷地在靶標(biāo)酶的固定化技術(shù)、功能界面的設(shè)計(jì)與修飾以及信號(hào)放大等方面進(jìn)行改進(jìn)。其中對(duì)靶標(biāo)界面的組成、結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸、取向、排布等的預(yù)期控制一直是化學(xué)家和材料學(xué)家努力的方向。目前，酶的固定方法包括夾心法、吸附法、共價(jià)鍵合法、凝膠/聚合物包埋法、交聯(lián)法以及LB 膜技術(shù)。為了提高靶標(biāo)酶的固定化效率、靈敏度和催化效率，增大界面表面積是比較有效的方法。隨著納米技術(shù)向生命科學(xué)領(lǐng)域的廣泛滲透，納米Au、Ag及一些納米氧化物由于其極細(xì)的晶粒及其所具有的特殊表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子效應(yīng)、光電效應(yīng)以及其優(yōu)越的生物兼容性等，在功能靶標(biāo)酶界面的構(gòu)建上顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。此外，以反轉(zhuǎn)膠束晶體模板法構(gòu)建有序微孔結(jié)構(gòu)，比光滑表面更有利于生物分子的吸附，因而電化學(xué)響應(yīng)信號(hào)增強(qiáng)。利用膠束晶體模板在電極表面直接電沉積，為生物分子的負(fù)載提供了便利，使檢測(cè)靈敏度得到了很大的提高。
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