基于SPR生物传感器的重金属铅的快速检测

1、基于SPR技术研究壳聚糖对Pb2+的吸附动力学王顺1,2李伟1王婷婷2胡建东2,3*(1河南农业大学理学院应用化学系;2河南农大迅捷测试技术有限公司;3河南农业大学机电工程学院,郑州450002摘要采用自主构建的表面等离子共振生物传感系统研究了壳聚糖对Pb2+的吸附动力学。通过双官能团偶联剂将壳聚糖固定在传感器芯片表面,利用壳聚糖分子中含有大量的活性基团可与Pb2+配位形成金属螯合物,研究了壳聚糖对不同浓度Pb2+的吸附过程,并进行动力学分析。结果表明,壳聚糖对铅离子的吸附符合Langmuir单分子吸附理论所提出的动力学方程,为壳聚糖在处理含铅环境污染物方面提供了一种理论依据。关键词表面等离子

2、共振壳聚糖铅吸附动力学Study on Adsorption Kinetics of Chitosan for Lead Based on SPRWang Shun1,2Li Wei1Wang Tingting2Hu Jiandong*2, 3(1 School of Science, Henan Agricultural University; 2 Henan Nongda Xunjie Measurement Technology Co., Ltd;3 Department of Mechanical and Electrical Engineering. Zhenzhou, 45002A

3、bstracts Adsorption kinetics of chitosan for Pb2+was studied based on surface plasmon resonance biosensor system, which was built by our group. Chitosan was first immobilized on the surface of sensor chip by a bifunctional cross-linker. The metal chelates can be formed between Pb2+ and chitosan mole

4、cules with a large number of active groups. The adsorption process and kinetics of chitosan for binding the lead at different concentrations were investigated. The results showed that the adsorption kinetics of chitosan for Pb2+ was corresponded to the adsorption theory of Langmuir monolayer, which

5、provided a theoretical basis in dealing with lead in environment pollutants.Keywords Surface plasmon resonance Chitosan Lead Adsorption kinetics表面等离子共振(Surface plasmon resonance, SPR技术是近年来发展起来用于研究分子之间相互作用的一种新型技术。其分析原理是将能够与待测物结合的分子用物理或化学方法固定在SPR传感器芯片表面,当待测物流过芯片表面时与芯片表面相对应耦联物发生作用,引起芯片表面光学参数变化,并以电信号的形式

6、表现出来。与传统分析方法相比,SPR技术具有样品无需标记,实时动态分析,高选择性、高灵敏度,分析速度快等优点,适于多种形式的分子相互动力学作用研究,如测抗原与抗体、蛋白质与蛋白质、药物与蛋白质、核酸与核酸、受体与配体等生物分子之间的相互作用,在生命科学、环境监测、药物研究、食品安全、蛋白质检测等领域应用广泛1-7。重金属污染问题一直受到人们广泛关注。铅是一种常见的重金属,在现代工业中有着广泛的用途,可以通过食物链在生物组织富集起来,对人体造成重大危害。铅中毒至少损害到三种人体器官:周围及王顺, 女, 27岁, 硕士研究生, 从事分析化学研究. 联系人: 胡建东E-mail: jiandongh

7、u 联系电话: 0371-*中枢神经系统;亚铁血红细胞的生物合成途径;肾脏功能。为了减少铅的危害,市农场上出现较多排铅产品,其主要成分是寡糖、壳聚糖、海藻酸钠、维C 、甘草、茯苓、葡萄糖酸锌、葡萄糖酸钙和甲壳素等。目前,铅的检测方法主要有分光光度法8、原子光谱法9,10及电化学分析法11,12等,这些方法具有较低的检出限和准确度,但也存在缺点和不足,如需要专门的仪器,操作繁琐,分析时间长。因此,发展一种新的方法减少铅污染并对其进行检测显得尤为重要。壳聚糖(Chitosan, CHIT, 如图1是甲壳素(Chitin脱乙酰基后的产物,分子中带有大量活性集团(-NH 2、-OH,能与多种有害金属离

8、子配位形成金属螯合物,是一个性能良好的螯合性吸附剂13,在水处理14-16、医药17,18、生物传感器19等领域应用广泛。 本文基于SPR 生物传感技术,首先将壳聚糖固定在传感器Au 膜表面,制备壳聚糖分子识别膜,研究了壳聚糖对铅离子的吸附动力学。1 实验部分1.1 仪器和试剂HPSPR-6000表面等离子共振生物分析系统20;KQ2200E 型超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司,上海。盐酸,氢氧化钠,硫酸,硝酸铅,巯基丙酸,十二烷基硫酸钠,分析纯;壳聚糖,乙醇胺,N-羟基琥珀酰亚胺(NHS,1-(3-二甲氨基丙基-3-乙基碳二亚胺(EDC,分析纯;高纯氮气(北京普莱克斯使用气体有限公司,北

9、京;去离子水。 1.2 壳聚糖分子识别膜的制备首先注入约5min 的去离子水,将所获得的信号作为基线,然后依次连续流入不同浓度Pb 2+的标准溶液。运用HPSPR-6000分析仪实时监测Pb 2+在壳聚糖膜上的吸附过程。2 结果与讨论2.1 壳聚糖在Au 膜上固定表征图1 壳聚糖分子结构图Fig.1 The structure of CHIT molecule表1为SPR 监控壳聚糖敏感膜的制备结果数据。从表1中可以看出,注入1 molL -1的巯基丙酸流动进样2h 后,SPR 的净响应值RU 为840,说明巯基丙酸与金膜之间形成了金硫共价键,并成功固定到金膜表面;注入2%浓度的壳聚糖流动进样

10、5 h 后,SPR 的净响应值RU 为210,表明巯基丙酸中被活化的羧基已经与壳聚糖中的氨基结合形成酰胺键,壳聚糖成功地固定在金膜表面。物质 浓度 净响应值(RU时间/h 巯基丙酸 1 molL -1 840 2 壳聚糖2%21052.2壳聚糖对Pb 2+的吸附动力学研究评价吸附过程整体效果的两个重要方面是吸附率和吸附平衡。图2为不同浓度Pb 2+连续进样时SPR 响应图,其中a 、b 、c 、d 、e 是五个不同的进样浓度,达到平衡时浓度从低到高依次连续进样。从图2中可以看出,在达到平衡之前,吸附开始时比较快,然后吸附速率变慢直到平衡,并随着浓度的增加,SPR 响应增大。a 、b 、c 、d

11、 、e 五个不同浓度及响应值见表2。 浓度(g/mL 1×10-7 5×10-7 1×10-6 5×10-6 1×10-5 响应值(RU197093124168铅在壳聚糖上的吸附是一种化学吸附过程,主要是由于铅与壳聚糖形成螯合物,吸附量与铅浓度、壳聚糖结合位点有关,显然,铅浓度越大、结合位点越多吸附速率就越大。因此,当铅与壳聚糖结合表1 敏感膜制备的净响应值 Tab. 1 The RU value of the prepared chip表2 不同浓度铅离子的检测响应值Tab.2 The RU value of different concen

12、tration of Pb 2+图2 连续进不同浓度Pb 2+ 的SPR 曲线图Fig. 2 SPR response curve of different concentration of Pb 2+后,壳聚糖结合位点被占据,结合位点逐渐减少,吸附速率就会越来越慢。铅与固定在Au 膜表面的壳聚糖结合方程可用下面式子表示:2(n m mPb aq nCHIT S Pb CHIT + (1吸附平衡时,吸附速率等于解吸速率。即11(1k k -=- (2其中,1k 、1-k 分别为吸附速率常数、解吸速率常数,c 为Pb 2+浓度,为壳聚糖与铅结合的位点所占的百分比。变换方程(2得111k ck k

13、 c-=+ (3若设11k b k -=,则1bcbc=+ (4 若用RU 表示吸附量响应值,RU m 表示饱和吸附量响应的最大值,则mRURU =(5 代入式(5,整理得1m mc cRU RU b RU =+(6 从表2中,用C/RU 对C 作图,如图3所示,具有较好的线性,相关系数R 为0.9891。 图3 壳聚糖对Pb 2+的c /RU-c曲线 Fig.3 The c /RU-c curve of CHIT forPb 2+Langmuir 在研究低压下气体在金属表面的吸附时,发现了一些规律,提出了单分子吸附理论,并从动力学的观点推出吸附定温式:1m mp p b =+ 其中,b 是吸

14、附平衡常数,b 值的大小代表了固体表面吸附气体能力的强弱程度。m 和b 在一定温度下对一定吸附体系是常数。对比Pb 2+在壳聚糖上的吸附方程(6与Langmuir 吸附定温式,可以发现壳聚糖对铅的吸附符合Langmuir 单分子吸附理论所提出的动力学方程。3 结论本文基于SPR 技术研究了壳聚糖对铅的吸附作用,其氨基对铅离子的吸附机理符合Langmuir 单分 子吸附理论所提出的动力学方程:m m RU c b RU RU c +=1,为壳聚糖在处理含铅环境污染物方面提供了一种理论依据。参考文献1 B. Leca-Bouvier, L. J. Blum. Ana1. Lett., 2005,

15、38(10: 14911517.2 张延彪, 徐超, 姚辉 等. 分析科学学报, 2012, 28(1: 126132. 3 林钊, 刘霞, 李迎. 食品科学, 2011, 32(5: 342350. 4 申刚义, 高妍, 刘越 等. 生命科学, 2010, 22(9: 941945.5 徐霞, 叶尊忠, 吴坚 等. 分析化学(FENXI HUAXUE评述与进展, 2010, 38(7: 10521059. 6 刘霞, 李宗军.食品科学, 2010, 31(9: 301305.7 杨彦, 戴宗, 邹小勇.分析测试学报, 2009, 28(11: 13441350. 8 何家洪, 徐强, 宋仲容

16、. 冶金分析 2010, 30(3: 3444. 9 解蕾, 王亦军, 傅瑛. 分析测试技术与仪器 2010, 16(1: 2226. 10 李凤苏. 预防医学情报杂志 2010, 26(7: 592593. 11 金华丽, 徐卫河, 孙玉芳. 食品科学 2009, 30(24: 307310. 12 时康, 王文婧, 胡坤. 电化学 2010, 16(2: 156160.13 蒋挺大, 甲壳素M, 北京: 中国环境科学出版社M, 1999, p177 14 吕乐, 闫海, 陈高云 等. 金属世界 2009, 9195. 15 李琼, 奚旦立.化工环保 2005, 25(5: 350352.16 丁