基于表面分子印迹阵列和SPR成像传感的抗生素高通微量分析技术研究

In recent years, the environmental contamination and hazards of antibiotics posed a threat to endanger people's lives and health, the relevant departments of the state are also need for a rapid and economic detection methods of analysis of the multiple antibiotics concentration levels in water samples. The current detection technologies still has limitations, not be the ideal trade-off between cost and analysis capabilities. In order to study a rapid identification of the types of antibiotics in environmental water samples and concentration of the quantitative analysis, and also require simple, low cost and miniaturization of the instrument, so may be applied to on-site monitoring, a method based on the highly sensitive surface plasmon resonance imaging (SPRi) sensing technique, the material of surface molecularly imprinted polymer array (SMIPA) as antibiotic pollutants recognition system was put forward, research and the establishment of multi-component model of identification and analysis methods, and ultimately create a variety of antibiotics in high-throughput rapid analysis methods and the development of miniaturized instruments, multi-component qualitative identification and quantitative analysis of antibiotics which can be applied to the field application will realized. This project put forward a novel, effective and feasible environmental antibiotics pollutants rapid analysis method, and the method is also expected to be applied to other areas and other analysis objects, which has broad application prospects.

近年来，环境抗生素污染及危害对人们的生命健康造成了威胁，国家有关部门也迫切需要一种快速、经济的检测方法，实现样品中多种抗生素含量的同时分析。而目前的检测手段存在局限性，在成本和分析能力之间得不到理想的权衡。为了研究一种能够对水样中抗生素种类进行快速鉴定和定量分析，并且操作简便、成本低廉和仪器小型化，使得可能应用于现场监测，提出了基于高灵敏的表面等离子体共振成像（SPRi）传感检测技术，以表面分子印迹聚合物阵列（SMIPA）材料作为抗生素污染物的识别系统，研究并建立其多组分识别模型和分析方法，最终建立多种抗生素的高通量快速分析方法和研制小型化仪器，实现可应用于现场的抗生素多组分定性识别和定量分析。本项目提出了一种新型且有效可行的环境抗生素污染物快速分析检测方法，并且该方法还有望应用于其他领域和其他分析对象，应用前景广阔。

设计研制了基于偏振控制光强调制的SPRi传感器，以及传感金膜、PDMS微腔、自动进样装置和数据采集分析处理软件，构建了SPRi传感实验平台；配置不同浓度NaCl溶液，测试得到传感器的折射率分辨率为1×10-5 RIU。为提高SPRi传感器灵敏度，开展了传感金属膜系的深入研究，包括金银复合膜、微井结构金膜和微纳结构金膜。通过理论分析、FDTD仿真分析以及三种金属膜系的最优化结构参数设计，实际制备了这三种膜系。结合 SPRi 传感实验平台，分别进行了性能测试实验，得到金银复合膜和微井结构金膜的折射率分辨率分别为 1.89×10-6 RIU和1.7×10-6 RIU，比平面金膜提高了约5 倍。开展红外（740nm）SPRi传感器研究，在理论分析增大激发光波长能够提高传感器灵敏度的基础上，设计了740nm的SPRi传感器设计；优化设置传感器的消光折射率，有效提高了传感器在1.33附近的灵敏度，对于实际样品则提高了检出限。.开展了多种应用实验研究。研究了利用牛血清白蛋白（BSA）与重金属镉离子之间的结合作用，采用直接生长和自组装单分子层生长BSA抗体，进行镉离子浓度的检测，得到Cd2+的检出限为0.01µM。研究在SPRi金膜表面制备分子印迹材料的方法和工艺，提出和发展了一种在金膜表面直接构建分子印迹聚合物（MIP）薄膜的原位光聚合方法。以抗生素环丙沙星（CIP）为小分子模板，开展SPR传感芯片CIP-MIP膜的制备、测试和性能评价，分析其对目标分子的灵敏度和选择性；制备了非模板分子膜NIP、CIP-MIP膜以及阿奇霉素AZI-MIP三个检测位点，进行了多种抗生素的测试实验，结果证明MIP薄膜能够实现多种抗生素的同时定性及定量分析。在SPRi传感金膜表面配置微腔PDMS膜，开展微生物实时生长监测，结果表明SPRi信号能用于不同浓度细菌的检测；开展药敏试验，将大肠杆菌（E. coli）悬浮液与浓度为1 μg/mL的抗生素土霉素（OTC）、阿奇霉素（AZI）、庆大霉素（GM）、青霉素（PEN）、环丙沙星（CIP）在微腔中共培养，用SPRi传感器检测其过程，得到了不同抗生素对E. coli的敏感性，测定了土霉素的最小抑菌浓度（MIC）。