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新兴适配体在高效净化/诊断环境与生物体内污染物的特点及其机理

作　者: 胡献刚
导　师: 周启星
学　校: 南开大学
专　业: 环境科学
关键词: 适配体环境净化石墨烯重金属固相微萃取
分类号: X505
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

适配体是一类新型识别分子，本质是一段单链的DNA或者RNA，从随机核苷酸文库中筛选而来。它能够通过自身三维构象的变化来特异性地捕捉靶分子，从而达到分离富集靶分子(污染物)的目的。适配体与其它分离富集材料相比，具有自己独特的优势，例如特异亲和性高、分子量小、体外合成、容易化学修饰、低毒性、生物兼容性好等。基于适配体的特性，其已经在化学、医学和生物学上引起了广泛的关注，但是在环境科学领域的相关研究比较匮乏。这个课题试图研究适配体在环境污染净化与健康上的应用及其机理。具体研究方法和结果如下：(1)适配体固定到琼脂糖颗粒上，然后装配到小柱内，用于饮用水中小分子污染物的净化。适配体不但可以高效净化污水，而且容易再生，达到重复利用的目的。在这部分内容中，我们首次探讨了适配体与小分子污染物的作用机理。适配体吸附小分子污染物符合假二级动力学，且为自发放热反应。适配体与小分子污染物的作用过程可以分为三个步骤，即活化步骤、吸附步骤和杂交步骤；又可以将整个反应过程分为三个阶段，即前期的化学动力学控速阶段，后期的热动力学控速阶段和中间的过渡阶段。这部分研究内容提供了一种净化废水中小分子污染物的新技术，并首次阐述了适配体作用小分子污染物的机理。(2)适配体通过氨基和羧基作用固定到氧化石墨烯上，增强了氧化石墨烯的水溶性和特异性亲和污染物的能力，并提高了适配体自身抵抗核酸酶降解的能力。我们进一步探讨了pH、温度、离子强度和天然有机质对适配体活性的影响。极端的pH和高浓度的天然有机质会导致适配体失活，从而降低适配体吸附污染物的能力。适配体在低温下具有较强的亲和污染物能力。随着温度升高，适配体吸附污染物的能力出现了轻微的降低。一定范围的离子强度，通过缓解静电排斥和连接架桥作用，增强适配体吸附污染物的能力。这部分研究内容首次详细地分析了环境因素对适配体净化污染物的影响，建立了一种稳定净化污染物的新方法。(3)适配体在固定到氧化石墨烯上之后，在可见光下促进了氧化石墨烯光催化降解生物型污染物-噬菌体的能力。课题深入地研究了适配体提高石墨烯催化降解生物型污染物的机制。首先噬菌体表面蛋白衣壳被破坏，然后包裹的核酸释放出来。随后，蛋白发生羰基化，核酸发生氧化修饰，氧化石墨烯被还原。在催化过程中，产生的可能活性物种包括羟基自由基、氧自由基和水解离前体物质等。催化过程包含了能量的转化和电子的转移。这部分研究内容提出了一种在可见光下催化降解生物型污染物的新方法，并探索了可能的反应机理。(4)适配体固定到纳米颗粒上，装载重金属的螯合剂，用来有效地缓解重金属在生物体内的毒性。实验以汞为例，研究了适配体对生物体内汞毒性的影响。适配体纳米颗粒减少了汞在动物肾和脑中的积累，增强了尿液中汞的排泄。行为试验表明了适配体可以缓解受汞污染动物的神经毒性，增强动物的学习和记忆功能。通过血液学研究，实验进一步证实了适配体纳米颗粒具有很好的生物兼容性。适配体纳米颗粒缓解汞毒性的机制包括氧化损伤的降低和关键酶活性的升高。这部分研究内容提出了一种缓解重金属在生物体内毒性的新方法，并探讨了可能的毒性机制。(5)实验通过溶胶-凝胶的方法将适配体固定到固相微萃取表面，用来快速准确地分析水溶液和和血浆中的生物标志物腺苷。实验首先优化了适配体–固相微萃取的解吸时间和解吸溶剂，然后探讨了温度和离子强度对适配体吸附靶分子的影响，进一步研究了适配体–固相微萃取的存贮和再生能力，最后用适配体固相微萃取成功地分析了血浆中低浓度的腺苷。考虑到固相微萃取具有in vivo取样的能力和在代谢物分析上的优势，生物兼容性的适配体–固相微萃取有望成为一种灵敏诊断环境污染与健康的新装置。上述的研究结果表明了适配体可以作为一种新型的生物材料用于污染物的分离、富集、净化以及缓解体内污染物毒性，甚至用于环境污染与健康的早期诊断。尽管适配体在环境污染净化与健康上的应用存在一些问题，例如适配体的不稳定性和轻微的毒副作用，但是它的应用潜力值得进一步深入研究。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-16
第一章前言  16-53
  第一节适配体的定义及特点  16-21
  第二节适配体的分子识别  21-26
    1.2.1 适配体识别富集金属离子  21-22
    1.2.2 适配体识别富集药物和毒素  22-23
    1.2.3 适配体识别富集生物小分子  23-25
    1.2.4 适配体识别富集生物大分子  25-26
  第三节环境对适配体稳定性的影响及调控方法  26-29
  第四节适配体的装配固定  29-37
    1.4.1 适配体装配到传统纳米颗粒上  30-32
    1.4.2 适配体装配到氧化石墨烯上  32-35
    1.4.3 适配体装配到色谱柱和毛细管上  35
    1.4.4 适配体装配到小柱里  35-37
  第五节适配体在环境分析/净化上的尝试  37-39
  第六节适配体在健康上的尝试及毒副作用  39-42
  第七节课题研究目的及意义  42-46
    1.7.1 适配体对水体中痕量药物污染的识别及净化机理  42
    1.7.2 适配体对水体中痕量毒素污染的识别及净化机理  42-43
    1.7.3 适配体对水体中生物型污染物的识别及净化机理  43-44
    1.7.4 适配体缓解生物体内汞神经毒性的缓解及其机理  44
    1.7.5 适配体在环境污染与健康上的早期诊断  44-46
  参考文献  46-53
第二章适配体对水体中痕量药物污染的识别及净化机理  53-71
  第一节引言  53-54
  第二节材料与方法  54-58
    2.2.1 试剂  54-55
    2.2.2 适配体小柱  55-56
    2.2.3 吸附等温线和热动力学实验  56
    2.2.4 吸附动力学  56-57
    2.2.5 化合物分析  57-58
  第三节结果与讨论  58-67
    2.3.1 去除效率和穿透曲线  58-59
    2.3.2 吸附等温线和热动力学  59-61
    2.3.3 吸附动力学和吸附机制  61-64
    2.3.4 选择性去除药物残留  64
    2.3.5 离子强度和温度的影响  64-66
    2.3.6 稳定性和重复使用性  66-67
  第四节小结  67-68
  参考文献  68-71
第三章适配体对水体中痕量毒素污染的识别及净化机理  71-86
  第一节引言  71-72
  第二节材料与方法  72-75
    3.2.1 试剂和材料  72-73
    3.2.2 适配体–GO 纳米材料的合成  73-74
    3.2.3 吸附试验和分析方法  74
    3.2.4 吸附模型  74-75
  第三节结果与讨论  75-82
    3.3.1 GO 和适配体–GO 纳米材料的特点  75-77
    3.3.2 吸附动力学和等温线  77-78
    3.3.3 竞争性吸附  78-80
    3.3.4 pH，离子强度和温度的影响  80-81
    3.3.5 吸附机理  81
    3.3.6 与其它吸附剂的比较  81-82
  第四节小结  82-83
  参考文献  83-86
第四章适配体对水体中生物型污染的识别及净化机理  86-105
  第一节引言  86-87
  第二节材料与方法  87-89
    4.2.1 GO-适配体的合成  87-88
    4.2.2 光催化实验  88
    4.2.3 定量存活的噬菌体  88
    4.2.4 SDS-PAGE 分析蛋白光催化  88-89
    4.2.5 定量 RNA 的光催化  89
    4.2.6 RNA/蛋白和 GO-适配体光催化产物  89
  第三节结果与讨论  89-100
    4.3.1 GO-适配体的特点  89-91
    4.3.2 噬菌体的光催化  91-93
    4.3.3 蛋白和核酸的光催化  93-95
    4.3.4 可见光照射下活性物种的产生  95-96
    4.3.5 光催化产物  96-98
    4.3.6 光催化原理  98-100
  第四节小结  100-101
  参考文献  101-105
第五章适配体对生物体内汞神经毒性的缓解及其机理  105-119
  第一节引言  105-106
  第二节材料与方法  106-109
    5.2.1 化学材料  106
    5.2.2 聚合纳米颗粒-适配体的合成  106-107
    5.2.3 聚合纳米颗粒-适配体的特点  107
    5.2.4 动物实验  107-108
    5.2.5 生物化学分析  108
    5.2.6 水迷宫实验和场地实验  108
    5.2.7 统计方法  108-109
  第三节结果与讨论  109-115
    5.3.1 纳米颗粒-适配体特点  109-110
    5.3.2 组织汞的分布和清除  110-111
    5.3.3 场地实验和迷宫实验  111-112
    5.3.4 TrxR、GPx 和脂质过氧化  112-113
    5.3.5 纳米颗粒-适配体在生物体内的毒性  113
    5.3.6 毒性降低的分子机制  113-115
  第四节小结  115-116
  参考文献  116-119
第六章适配体在环境污染与健康上的早期诊断  119-137
  第一节引言  119-121
  第二节材料与方法  121-124
    6.2.1 化学材料  121-122
    6.2.2 不锈钢钢丝的清洗  122
    6.2.3 TMOS 涂层的制备  122
    6.2.4 PVA 涂层的制备  122-123
    6.2.5 适配体的去活  123
    6.2.6 适配体的固定  123
    6.2.7 萃取和解吸  123
    6.2.8 液相色谱串联质谱条件  123-124
  第三节结果与讨论  124-134
    6.3.1 吸附解吸平衡时间的优化  124-125
    6.3.2 吸附解吸溶液的优化  125-126
    6.3.3 超灵敏吸附  126-127
    6.3.4 离子强度对吸附的影响  127-129
    6.3.5 温度对吸附的影响  129
    6.3.6 适配体固相微萃取的存贮和重复利用能力  129-131
    6.3.7 适配体涂层与其它常见涂层比较  131-132
    6.3.8 适配体–固相微萃取用于血浆中腺苷的分析  132-134
  第四节小结  134-135
  参考文献  135-137
第七章适配体在环境污染净化与健康上研究的机遇与挑战  137-152
  第一节适配体的种类  137
  第二节适配体的稳定性  137-138
  第三节适配体的生态环境风险  138-143
    7.3.1 适配体–石墨烯复合体在环境应用中的挑战  138-139
    7.3.2 环境命运的未知  139-140
    7.3.3 模式生物研究的紧迫性  140-141
    7.3.4 适配体–石墨烯对环境病菌的影响  141-142
    7.3.5 适配体–石墨烯的植物毒性  142-143
  第四节适配体在环境净化与健康风险上应用存在的挑战  143-147
    7.4.1 适配体操作的标准化  143-144
    7.4.2 适配体应用于环境污染与健康的早期预警  144-145
    7.4.3 适配体可能存在的健康风险  145-147
  第五节论文结论及创新点  147-149
    7.5.1 主要结论  147-148
    7.5.2 主要创新点  148-149
  参考文献  149-152
致谢  152-153
个人简历及科研成果  153-155

新兴适配体在高效净化/诊断环境与生物体内污染物的特点及其机理

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