第七届青年地学论坛

全氟羧酸（PFCAs）是一类典型持久性有机污染物，其生产过程中不可避免会产生大量异构体或同系物，由于这些物质之间存在分子结构和理化性质上的细微差异，导致它们的环境行为、生物蓄积性和毒性效应可能大相径庭。精准测量不同介质中PFCAs异构体的浓度是科学开展全氟污染物源解析、迁移转换规律、分子毒理学等研究的基础。然而现有的全氟污染物分析方法，如液质或气质联用，由于缺乏对应的标准品，大多仅局限于测定全氟辛酸异构体。本研究基于纳米孔道单分子电化学，发展了一种针对PFCAs的传感分析新方法。其检测原理，简单来说，就是利用单个待测物过孔时产生的特征电流来定性，并用特征电信号的出现频率定量。通过构建具有高空间分辨能力的纳米孔道传感界面，提升特征电流信号对PFCAs结构的解析精度，并缩短前后两个分子鉴定的间隔时间。本文探讨了利用野生型或突变型Aerolysin蛋白纳米孔道实现对不同链长全氟羧酸的定性定量检测。
本项工作的主要设计思路，是将全氟羧酸待测物连接到带正电的多肽探针上，并在trans端负电压的驱动下进入孔道。此处探针的作用主要有三：1）增加全氟待测物的捕获率，提升检出限；2）延长待测物在孔内的停留时间，提升精密度；3）增大待测物产生的电流信号变化，提升准确度。从得到的原始电信号中可以看出，不同链长的全氟羧酸产生的电流阻断有显著差异，能够被直接区分；并且阻断电流的统计直方图也表明，随着碳链长度增加，阻断电流相应变大，从而初步验证了该方法的有效性。
此外，进一步检验了外加电压对全氟羧酸单分子定性检测分辨率的影响。借鉴色谱分离度的概念，本工作中的分辨率是由两个待测样品的阻断电流峰间距除以其半峰宽之和得到。随着外加电压增加，分辨率呈现先上升后下降的趋势，最大值一般出现在-50 mV时（PFHxA和PFHpA间的分辨率最大值则在-40 mV时得到）。通过分析各个样品的阻断电流大小及半峰宽随电压的变化可知，上述趋势主要是由半峰宽决定，并且与待测样品在孔内的停留时间正相关。此外，各待测物间的分辨率均达到或超过了1，这意味着相邻两个样品间的信号重叠部分仅占不到2%的比例。在此基础上，通过引入阻断电流标准差作为第二分辨维度，也能有效提升信号分离度。
而针对定量检测，由于单个待测物分子进入孔道所需的时间与其在电解液溶液中的扩散过程正相关，因此信号间隔时间可以用于表征样品浓度。结果显示，在0.5-200 μM浓度范围中，间隔时间表现出了良好的线性响应区间。因此推测，当检测时间或所需信号量要求进一步放宽时，检出限或能达到nM水平。同时，背景干扰对低浓度的PFHxA定量检测仍存在一定影响，亟待开发高效数据处理手段从混合样品二维检测结果提取目标待测物信号。

全氟羧酸,单分子检测,纳米孔道