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關(guān)鍵詞:印染廢水
Abstract: the paper system technology and progress of the printing and dyeing wastewater at home and abroad, especially the new technology in recent years is introduced, and probes into the developing trend of printing and dyeing wastewater treatment technology, combined with the advantages and disadvantages and practicability, economy, the authors put forward their own views and the prospect of printing and dyeing wastewater treatment.
Keywords: printing and dyeing wastewater
中圖分類(lèi)號(hào):X791文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):2095-2104(2013)
引言:印染廢水組分復(fù)雜,常含有多種染料,色度深、毒性強(qiáng)、難降解,PH波動(dòng)大、而且濃度高,廢水量大,是難處理的工業(yè)廢水之一。由于化學(xué)纖維織物的發(fā)展,,使難生化降解有機(jī)物大量進(jìn)入印染廢水,色度的去除是印染廢水處理的一大難題,舊的生化法在脫色方面一直不能令人滿(mǎn)意。傳統(tǒng)的生物處理工藝已受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。
如何選擇適宜的廢水處理工藝,做到運(yùn)行成本既合理,污染物去除效果又好,是工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵。為了對(duì)印染廢水處理工藝有更深入的了解,文章簡(jiǎn)要介紹印染廢水的幾種典型的傳統(tǒng)處理方式,以及新型印染廢水處理工藝技術(shù),并就其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)析和展望。
一、傳統(tǒng)印染廢水處理工藝:
1 物理處理法:吸附法和混凝法
吸附法可通過(guò)吸附劑去除水中的色、臭、重金屬離子和有機(jī)物。但該方法不大適用于分散染料的去除。
混凝沉淀法是對(duì)于成分復(fù)雜的染料廢水,先經(jīng)均化沉淀,加入適量的酸或堿中和后,再加混凝劑絮凝沉淀。傳統(tǒng)混凝法對(duì)疏水性染料脫色效率很高。缺點(diǎn)是需隨著水質(zhì)變化改變投料條件,對(duì)親水性染料的脫色效果差,COD去除率低。
2 化學(xué)處理法:化學(xué)氧化法、焚燒法
化學(xué)氧化法是通過(guò)強(qiáng)氧化劑的氧化作用,破壞發(fā)色基團(tuán)或染料分子結(jié)構(gòu),達(dá)到脫色和去除COD的目的。
焚燒法是在高溫下,利用空氣深度氧化處理極高濃度有機(jī)物廢水的最有效手段,是最易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的方法。目前,國(guó)內(nèi)焚燒處理存在的主要問(wèn)題是:熱回收率低,不少焚燒裝置因運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高而不能運(yùn)行。國(guó)外先進(jìn)的焚燒系統(tǒng)都配備廢熱回收和廢氣污染控制裝置,有利于降低能耗和消除二次污染。
3 生物處理法
廢水生化處理是利用微生物的代謝作用分解廢水中有機(jī)物的處理方法。生化法操作簡(jiǎn)單, 運(yùn)行費(fèi)用低, 無(wú)二次污染的優(yōu)點(diǎn), 在印染廢水的處理中得到了廣泛的應(yīng)用。生化法包括好氧法和厭氧法。
二、新型印染廢水處理工藝:
1 膜過(guò)濾法
國(guó)內(nèi)用醋酸纖維素納濾膜處理染料廠的高鹽度、高色度廢水, 色度去除率幾乎達(dá)100%, COD 去除率在95% 以上。【4】膜分離技術(shù)處理效果明顯, 是一種極有前途的物理處理新技術(shù)。但其投資和運(yùn)行費(fèi)用高, 易發(fā)生堵塞, 需要高水平的預(yù)處理和定期的化學(xué)清洗, 還存在濃縮物的處理問(wèn)題。【3】
2 高能物理處理法
水分子在高能束轟擊作用下能發(fā)生激發(fā)和電離, 生成離子, 激發(fā)電子、次級(jí)電子, 這些高活性粒子可使有害物質(zhì)得到降解。該技術(shù)的特點(diǎn)是有機(jī)物的去除率高, 設(shè)備占地面積小, 操作簡(jiǎn)便; 但因其產(chǎn)生高能粒子的裝置昂貴, 技術(shù)要求高, 能耗較大, 要真正投入應(yīng)用還有大量的問(wèn)題需要解決。
3 化學(xué)處理法
3.1 光催化氧化法:利用某些物質(zhì)在紫外光的作用下產(chǎn)生自由基, 氧化染料分子從而實(shí)現(xiàn)脫色。目前存在的主要問(wèn)題是染料體系的復(fù)雜性和測(cè)試方法的局限性。其次, 是由于催化劑懸浮于水體中, 加大了清理難度, 增加對(duì)環(huán)境的二次污染。
3.2 超聲波氧化法:基于超聲波能在液體中產(chǎn)生局部高溫、高壓、高剪切力, 誘使水分子及染料分子裂解產(chǎn)生自由基, 引發(fā)各種反應(yīng)并促進(jìn)絮凝的一種技術(shù)。該技術(shù)可與化學(xué)氧化、電解氧化、光催化氧化等聯(lián)用, 對(duì)一些難降解有機(jī)物有顯著的降解效果,去除率高且反應(yīng)速度快。
4. 生物法
4.1 好氧生物處理法【5】
4.1.1加壓生物氧化法: 采用密閉塔式容器, 根據(jù)亨利分壓定律, 以簡(jiǎn)單的“加壓”手段突破了有機(jī)廢水生物處理的供氧問(wèn)題, 增大了活性微生物量, 提高了微生物活性。為生物法處理印染廢水, 特別是處理濃度高和難生物降解的印染廢水創(chuàng)出了一條新路。
4.1.2 膜生物反應(yīng)器處理法: 它將水力停留時(shí)間與污泥停留時(shí)間相分離,延長(zhǎng)了泥齡,污泥質(zhì)量濃度可以得到提高,從而提高了生物系統(tǒng)對(duì)難降解有機(jī)物的處理能力。它具有出水穩(wěn)定、水質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn), 但膜污染、成本高的問(wèn)題阻礙了它的大量推廣。
4.1.3 添加優(yōu)勢(shì)菌種法: 通過(guò)添加優(yōu)勢(shì)復(fù)合菌, 經(jīng)長(zhǎng)期馴化形成穩(wěn)定的含菌泥體系, 菌泥的形成不但可使降解效率大大提高, 而且可使反應(yīng)時(shí)間大大縮短, 因而大幅度降低了廢水處理工程的投資和運(yùn)行成本。利用高效菌作為添加劑或種源接種處理印染廢水是當(dāng)今環(huán)保領(lǐng)域中新興的生物技術(shù)。
4.2 厭氧生物處理法: 厭氧生物處理較好氧生物處理在印染廢水處理上, 有應(yīng)用范圍廣、能耗低、有機(jī)負(fù)荷高、剩余污泥少的優(yōu)勢(shì)。但是, 單一的厭氧處理運(yùn)行周期比較長(zhǎng), 而且往往很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。因此,厭氧生物處理應(yīng)用較多的主要是其復(fù)合或改進(jìn)工藝。
4.3 好氧-厭氧處理法: 通過(guò)厭氧處理以提高印染廢水的可生化性, 使出水水質(zhì)穩(wěn)定, 減少了負(fù)荷沖擊, 以利于后續(xù)的好氧處理。當(dāng)有機(jī)物通過(guò)厭氧反應(yīng), 降解成有機(jī)酸或小分子的溶解性物質(zhì)后, 再通過(guò)好氧處理予以徹底降解。
厭氧-好氧法處理難生化降解的印染廢水具有除污染效率高、運(yùn)行穩(wěn)定和較強(qiáng)的耐沖擊負(fù)荷能力等特點(diǎn)。但是又存在著以下自身無(wú)法解決的問(wèn)題:活性污泥沉降性、生化反應(yīng)速率和剩余污泥的處理費(fèi)用較高;隨著印染廢水的可生化性變差,單一運(yùn)用生物處理法不能滿(mǎn)足實(shí)際要求。
小結(jié):
比較上述各種印染廢水處理技術(shù), 物理和化學(xué)法總體上處理成本高, 其中吸附法和膜分離技術(shù)適合作為深度處理技術(shù), 化學(xué)氧化法處理效率高、二次污染較少。比較有效的處理工藝是通過(guò)物化處理減少印染廢水的生物毒性, 提高可生化性, 再采用運(yùn)行成本較低的生化法進(jìn)一步處理。且單一處理工藝均很難達(dá)到要求, 需對(duì)不同處理工藝進(jìn)行優(yōu)化組合。因此, 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)不同工藝的有效組合, 研究高效、經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的印染廢水處理反應(yīng)器將是印染廢水處理工藝研究的主要內(nèi)容和發(fā)展方向。
參考文獻(xiàn)
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[3] 景曉輝,尤克非,丁欣宇,蔡再生. 印染廢水處理技術(shù)的研究與進(jìn)展. 南通大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版). 2005.3.4:18~19
1.1缺乏擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基因
目前我國(guó)正在研發(fā)的轉(zhuǎn)基因植物涉及的種類(lèi)較少,隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)研發(fā)的深入,這種狀況將嚴(yán)重制約我國(guó)轉(zhuǎn)基因植物的研發(fā)進(jìn)展。從整體水平看,目前我國(guó)在轉(zhuǎn)基因作物研究技術(shù)方面的進(jìn)展與國(guó)際基本同步,在發(fā)展中國(guó)家居領(lǐng)先地位。但與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍有較大差距,主要表現(xiàn)在我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)較差,轉(zhuǎn)基因技術(shù)的研發(fā)又相對(duì)較少,這種狀況將嚴(yán)重制約我國(guó)轉(zhuǎn)基因作物的研發(fā)進(jìn)展。
1.2對(duì)轉(zhuǎn)基因作物的認(rèn)知不足
轉(zhuǎn)基因作物有很多優(yōu)勢(shì),但它的潛在危害和風(fēng)險(xiǎn)是巨大的,對(duì)人類(lèi)的健康和周?chē)h(huán)境的不確定性。因?yàn)橛幸粋€(gè)巨大的信息不對(duì)稱(chēng)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)基因作物和技術(shù)等,優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)尚未完全被人們認(rèn)知或一定程度的理解。與此同時(shí),由于社會(huì)道德和的影響,有些人的轉(zhuǎn)基因作物有不同程度的偏差,如恐懼、懷疑。轉(zhuǎn)基因作物的產(chǎn)業(yè)化在中國(guó)有直接或間接的負(fù)面影響。
1.3轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)體系不夠完善
轉(zhuǎn)基因技術(shù)在我國(guó)主要停留在實(shí)驗(yàn)室的小規(guī)模的水平,與國(guó)外跨國(guó)公司大規(guī)模遺傳轉(zhuǎn)化相比,有很大的差距。與此同時(shí),我國(guó)缺乏有效的系統(tǒng)支持育種技術(shù)支持轉(zhuǎn)基因技術(shù),不能完全顯示轉(zhuǎn)基因技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。在應(yīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)為核心和領(lǐng)先技術(shù),開(kāi)發(fā)更好的種子資源的同時(shí),也會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的栽培,然而栽培和管理等一系列措施改變尚未改變。因此,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因作物的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展,除了依靠轉(zhuǎn)基因技術(shù)獲得優(yōu)良的品種資源,還需要雜交育種、耕作栽培、土壤、植物和其他配套的綜合措施。
1.4國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)科技企業(yè)發(fā)展落后
轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)業(yè)化能力仍然薄弱。缺乏具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的大型農(nóng)業(yè)科技企業(yè)組織和企業(yè)、成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)業(yè)化能力較弱。在轉(zhuǎn)基因作物市場(chǎng)中,通過(guò)企業(yè)重組、并購(gòu),孟山都、安內(nèi)特、巴斯夫、先正達(dá)、杜邦和其他大型農(nóng)業(yè)生物技術(shù)企業(yè)已逐漸成為生物技術(shù)研究和發(fā)展的主題,占據(jù)了轉(zhuǎn)基因作物品種、技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán),加速其在轉(zhuǎn)基因行業(yè)的壟斷。
2加強(qiáng)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品貿(mào)易發(fā)展的對(duì)策
2.1加強(qiáng)有關(guān)農(nóng)產(chǎn)品國(guó)際貿(mào)易規(guī)范和慣例的研究
我國(guó)之制定了相應(yīng)的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品管理制度,但缺乏強(qiáng)有力的監(jiān)督。在政策創(chuàng)新方面,應(yīng)該合理構(gòu)建技術(shù)性貿(mào)易措施以保護(hù)消費(fèi)者利益與產(chǎn)業(yè)發(fā)展。由于轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品對(duì)人類(lèi)健康、生態(tài)環(huán)境的影響具有不確定性,建議相關(guān)部門(mén)在不歧視外國(guó)出口商的前提下制定專(zhuān)門(mén)針對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品貿(mào)易的法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)證程序等,利用“轉(zhuǎn)基因安全”的審定,設(shè)置高門(mén)檻,阻止外國(guó)產(chǎn)品隨意進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)。同時(shí),也要重視宣傳尊重消費(fèi)者的知情權(quán),把對(duì)轉(zhuǎn)基因食品的選擇權(quán)交給消費(fèi)者。
2.2建立標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品管理系統(tǒng)
建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品管理系統(tǒng),以確保產(chǎn)品的安全。一方面,加強(qiáng)宣傳,提高公眾的感知水平的轉(zhuǎn)基因作物加強(qiáng)農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因技術(shù)的有效推廣。另一方面,我們應(yīng)該完善立法體系,制定細(xì)致的實(shí)驗(yàn)室以及種植審批制度,以保證有條件的社會(huì)力量可以加入到轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程,從而促進(jìn)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
2.3增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)
近年來(lái),我國(guó)政府逐漸重視了科技的重要性,而且在科技投入方面也是逐年加大,這位我國(guó)的產(chǎn)品的創(chuàng)新和發(fā)展提供了有力的保障,但是資金的投入力度和發(fā)達(dá)國(guó)家相比還是相差甚遠(yuǎn),甚至都不及發(fā)達(dá)國(guó)家一家跨國(guó)公司的科研投入力度。由歐美轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的貿(mào)易爭(zhēng)端可以發(fā)現(xiàn),只有自身的科研技術(shù)能力在國(guó)際上處于領(lǐng)先水平,才能在國(guó)際舞臺(tái)上立足,才能引領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)的發(fā)展。
2.4增強(qiáng)轉(zhuǎn)基因技術(shù)的應(yīng)用提高我國(guó)競(jìng)爭(zhēng)力
我國(guó)應(yīng)該繼續(xù)推進(jìn)轉(zhuǎn)基因作物的產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)化,打造出優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力,但是要根據(jù)國(guó)際市場(chǎng)的情形和轉(zhuǎn)基因技術(shù)的重視程度。目前,我國(guó)的優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)主要是在抗蟲(chóng)棉和轉(zhuǎn)基因水稻方面,所以我國(guó)應(yīng)該繼續(xù)發(fā)展轉(zhuǎn)基因技術(shù)在棉花和水稻方面的研究,形成自己的優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)。
3結(jié)論
關(guān)鍵詞 綠色化學(xué) 環(huán)境保護(hù) 生物技術(shù)
人類(lèi)正面臨有史以來(lái)最嚴(yán)重的環(huán)境危機(jī),由于人口急劇的增加,資源的消耗日益擴(kuò)大,人均耕地、淡水和礦產(chǎn)等資源占有量逐漸減少,人口與資源的矛盾越來(lái)越尖銳;環(huán)保問(wèn)題就成為經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的重要問(wèn)題之一。作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)之一的化學(xué)工業(yè)及相關(guān)產(chǎn)業(yè),在為創(chuàng)造人類(lèi)的物質(zhì)文明作出重要貢獻(xiàn)的同時(shí),在生產(chǎn)活動(dòng)中不斷排放出大量有毒物質(zhì),化學(xué)工業(yè)也為環(huán)境和人類(lèi)的健康帶來(lái)一定的危害。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)環(huán)境的治理,已開(kāi)始從治標(biāo),即從末端治理污染轉(zhuǎn)向治本,即開(kāi)發(fā)清潔工業(yè)技術(shù),消減污染源頭,生產(chǎn)環(huán)境友好產(chǎn)品。“綠色技術(shù)”已成為21世紀(jì)化工技術(shù)與化學(xué)研究的熱點(diǎn)和重要科技前沿。
綠色化學(xué)又稱(chēng)綠色技術(shù)、環(huán)境無(wú)害化學(xué)、環(huán)境友好化學(xué)、清潔化學(xué)。綠色化學(xué)即是用化學(xué)及其它技術(shù)和方法去減少或消除那些對(duì)人類(lèi)健康、社區(qū)安全、生態(tài)環(huán)境有害的原料、催化劑、溶劑、試劑、產(chǎn)物、副產(chǎn)物等的使用和產(chǎn)生。
化學(xué)可以粗略地看作是研究從一種物質(zhì)向另一種物質(zhì)轉(zhuǎn)化的科學(xué)。傳統(tǒng)的化學(xué)雖然可以得到人類(lèi)需要的新物質(zhì),但是在許多場(chǎng)合中卻既未有效地利用資源,又產(chǎn)生大量排放物,造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。綠色化學(xué)則是更高層次的化學(xué),它的主要特點(diǎn)是“原子經(jīng)濟(jì)性”,即在獲得物質(zhì)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中充分利用每個(gè)原料原子,實(shí)現(xiàn)“零排放”,因此既可以充分利用資源,又不產(chǎn)生污染。傳統(tǒng)化學(xué)向綠色化學(xué)的轉(zhuǎn)變可以看作是化學(xué)從“粗放型”向“集約型”的轉(zhuǎn)變。綠色化學(xué)可以變廢為寶,可使經(jīng)濟(jì)效益大幅度提高。綠色化學(xué)已在全世界興起,它對(duì)我國(guó)這樣新興的發(fā)展中國(guó)家更是一個(gè)難得的機(jī)遇。
1 采用無(wú)毒、無(wú)害并可循環(huán)使用的新物料
1.1 原料選擇
工業(yè)化的發(fā)展為人類(lèi)提供了許多新物料,它們?cè)诓粩喔纳迫祟?lèi)物質(zhì)生活的同時(shí),也帶來(lái)大量生活廢物,使人類(lèi)的生活環(huán)境迅速惡化。為了既不降低人類(lèi)的生活水平,又不破壞環(huán)境,我們必須研制并采用對(duì)環(huán)境無(wú)毒無(wú)害又可循環(huán)使用的新物料。
以塑料為例,據(jù)統(tǒng)計(jì),到1989年美國(guó)在包裝上使用的塑料就超過(guò)55.43億kg(20世紀(jì)90年代數(shù)量進(jìn)一步上升),打開(kāi)包裝后即被拋棄,這些塑料廢物破壞環(huán)境是我們面臨的一大問(wèn)題:掩埋它們將永久留在土地里中;焚燒它們會(huì)放出劇毒。
我國(guó)也大量使用塑料包裝,而且在農(nóng)村還廣泛地使用塑料大棚和地膜,造成的“白色污染”也越來(lái)越嚴(yán)重。解決這個(gè)問(wèn)題的根本出路在于研制可以自然分解或生物降解的新型塑料,目前國(guó)際上已有一些成功的方法,例如:光降解塑料和生物降解塑料。前者已經(jīng)投入生產(chǎn)。光生物雙降解塑料研究是我國(guó)“八五”科技攻關(guān)的一個(gè)重大項(xiàng)目,已取得一些進(jìn)展。
1.2 溶劑的選擇
大量的與化學(xué)制造相關(guān)的污染問(wèn)題不僅來(lái)源于原料和產(chǎn)品,而且源自在其制造過(guò)程中使用的物質(zhì)。最常見(jiàn)的是在反應(yīng)介質(zhì),分離和配方中所用的溶劑。在傳統(tǒng)的有機(jī)反應(yīng)中,有機(jī)溶劑是最常用的反應(yīng)介質(zhì),這主要是因?yàn)樗鼈兡茌^好地溶解有機(jī)化合物。但有機(jī)溶劑的毒性和難以回收又使之成為對(duì)環(huán)境有害的因素。因此,在無(wú)溶劑存在下進(jìn)行的有機(jī)反應(yīng),用水作反應(yīng)介質(zhì),以及超臨界流體作反應(yīng)介質(zhì)或萃取溶劑將成為發(fā)展?jié)崈艉铣傻闹匾緩健?/p>
1.2.1 固相反應(yīng)
固相化學(xué)反應(yīng)實(shí)際上是在無(wú)溶劑化作用的新穎化學(xué)環(huán)境下進(jìn)行的反應(yīng),有時(shí)可比溶液反應(yīng)更為有效并達(dá)到更好的選擇性。它是避免使用揮發(fā)性溶劑的一個(gè)研究動(dòng)向。
1.2.2 以水為溶劑的反應(yīng)
由于大多數(shù)有機(jī)化合物在水中的溶解性差,而且許多試劑在水中會(huì)分解,因此一般避免用水作反應(yīng)介質(zhì)。但水作為反應(yīng)溶劑有其獨(dú)特的優(yōu)越性,因?yàn)樗堑厍蛏献匀回S度最高的“溶劑”,價(jià)廉、無(wú)毒、不危害環(huán)境。此外水溶劑特有的疏水效用對(duì)一些重要有機(jī)轉(zhuǎn)化是十分有益的,有時(shí)可提高反應(yīng)速率和選擇性,更何況生命體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)大多是在水中進(jìn)行的。
水相有機(jī)合成在有機(jī)金屬類(lèi)反應(yīng),水相Lewis酸催化的反應(yīng)現(xiàn)都已取得較大進(jìn)展。因此在某些有機(jī)化學(xué)反應(yīng)中,開(kāi)發(fā)利用以水作溶劑是大有可為的。
1.2.3 超臨界流體作為有機(jī)溶劑
超臨界流體是指超臨界溫度及超臨界壓力下的流體,是一種介于氣態(tài)與液態(tài)之間的流體。在無(wú)毒無(wú)害溶劑的研究中,最活躍的研究項(xiàng)目是開(kāi)發(fā)超臨界流體(SCF),特別是超臨界CO2作溶劑。超臨界CO2是指溫度和壓力在其臨界點(diǎn)(31.10℃,7 477.79KPa)以上的CO2流體。它通常具有流體的密度,因而有常規(guī)常態(tài)溶劑的溶解度;在相同條件下,它又具有氣體的粘度,因而又具有很高的傳質(zhì)速度。而且,由于具有很大的可壓縮性,流體的密度,溶劑溶解度和粘度等性能可由壓力和溫度的變化來(lái)調(diào)節(jié)。其最大優(yōu)點(diǎn)是無(wú)毒、不可燃、價(jià)廉等。
1.3 催化劑的選擇
許多傳統(tǒng)的有機(jī)反應(yīng)用到酸、堿液體催化劑。如烴類(lèi)的烷基化反應(yīng)一般使用氫氟酸、硫酸、三氯化鋁等液體酸做催化劑,這些液體酸催化劑的共同缺點(diǎn)是:對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重,對(duì)人身危害和產(chǎn)生廢渣污染環(huán)境。為了保護(hù)環(huán)境,多年來(lái)人們從分子篩、雜多酸、超強(qiáng)酸等新催化材料入手,大力開(kāi)發(fā)固體酸做為烷基催化劑。其中采用新型分子篩催化劑的乙苯液相烴化技術(shù)較為成熟,這種催化劑選擇性高,乙苯收率超過(guò)99.6%,而且催化劑壽命長(zhǎng)。
2
化學(xué)反應(yīng)的綠色化
為了節(jié)約資源和減少污染,合成效率成了當(dāng)今合成方法學(xué)研究中關(guān)注的焦點(diǎn)。合成效率包括兩方面,一是選擇性(化學(xué)、區(qū)域、非對(duì)映體和對(duì)映體選擇性),另一個(gè)就是原子經(jīng)濟(jì)性,即原料分子中究竟有百分之幾的原子轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物,理想的原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)是原料分子中的原子百分之百的轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物,不產(chǎn)生副產(chǎn)物或廢棄物,實(shí)現(xiàn)廢物的“零排放”。為此,化學(xué)化工工作者在設(shè)計(jì)合成路線時(shí),要減少“中轉(zhuǎn)”、增加“直快”、“特快”,更加經(jīng)濟(jì)合理地利用原料分子中的每一個(gè)原子,減少中間產(chǎn)物的形成,少用或不用保護(hù)基或離去基,避免副產(chǎn)物或廢棄物的產(chǎn)生。實(shí)現(xiàn)原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)的有效手段很多,在些不作贅述。
3
生物技術(shù)的應(yīng)用
生物科學(xué)是當(dāng)代科學(xué)的前沿。生物技術(shù)是世界范圍內(nèi)新技術(shù)革命的重要組成部分,生物化工是21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一,它將成為創(chuàng)造巨大社會(huì)財(cái)富的重要產(chǎn)業(yè)體系。采用生物技術(shù)已在能源、采油、采礦、肥料、農(nóng)藥、蛋白質(zhì)、聚合物、表面活性劑、催化劑、基本有機(jī)化工原料、精細(xì)化學(xué)品的制造等方面得到廣泛應(yīng)用。從發(fā)展綠色化學(xué)的角度出發(fā),它最大的特點(diǎn)和魅力就在節(jié)約能源和易于實(shí)現(xiàn)無(wú)污染生產(chǎn)而且可以實(shí)現(xiàn)用一般化工技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的化工過(guò)程,其產(chǎn)品常常又具有特殊性能。因此,生物技術(shù)的研究和應(yīng)用倍受青睞。
綠色化學(xué)是人類(lèi)的一項(xiàng)重要戰(zhàn)略任務(wù)。綠色化學(xué)的根本目的是從節(jié)約資源和防止污染的觀點(diǎn)來(lái)重新審視和改革傳統(tǒng)化學(xué),從而使我們對(duì)環(huán)境的治理可以從治標(biāo)中轉(zhuǎn)向治本。綠色化學(xué)的發(fā)展不僅將對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生重大影響,而且將為我國(guó)的企業(yè)與國(guó)際接軌創(chuàng)造條件。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞:蛋白質(zhì)組學(xué);蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)體系
中圖分類(lèi)號(hào):Q753
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1672-979X(2010)5-0207-04
21世紀(jì)是生物技術(shù)和信息技術(shù)的世紀(jì)。隨著人類(lèi)基因組測(cè)序計(jì)劃的完成,功能基因組學(xué)逐漸成為新的研究熱點(diǎn),研究蛋白質(zhì)組學(xué)是功能基因組研究的重要組成部分,是生命科學(xué)研究進(jìn)入后基因組時(shí)代的里程碑,也是后基因組時(shí)代研究的核心內(nèi)容之一。
1 蛋白質(zhì)組與基因組――從基因組到蛋白質(zhì)組的轉(zhuǎn)變
基因組用于描述生物的全部基因和染色體組成。基因組學(xué)包括結(jié)構(gòu)基因組學(xué)和功能基因組學(xué)兩方面的內(nèi)容。
隨著研究的深入,人們認(rèn)識(shí)到單純基因組信息不能完全揭示生命的奧秘。基因是遺傳信息的攜帶者,蛋白質(zhì)才是生理功能的執(zhí)行者和生命活動(dòng)的直接體現(xiàn)者。幾乎所有的生理和病理過(guò)程都能引起蛋白質(zhì)相應(yīng)的變化,研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能將直接闡明生物體在不同生理或病理?xiàng)l件下的變化機(jī)制。由此產(chǎn)生了蛋白質(zhì)組學(xué)(protemics)。在后基因組時(shí)代,生命科學(xué)的中心任務(wù)將是闡明基因組所表達(dá)蛋白質(zhì)的表達(dá)規(guī)律和生物功能。生命科學(xué)的研究重心將從基因組學(xué)移向蛋白質(zhì)組學(xué)。
2 蛋白質(zhì)組學(xué)的研究?jī)?nèi)容
蛋白質(zhì)組學(xué)研究的內(nèi)容主要有結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)和功能蛋白質(zhì)組學(xué)兩方面。結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)主要是研究蛋白質(zhì)表達(dá)模式,功能蛋白質(zhì)組學(xué)主要是研究蛋白質(zhì)功能模式,目前的研究主要集中在蛋白質(zhì)組相互作用網(wǎng)絡(luò)關(guān)系上。
目前蛋白質(zhì)組學(xué)又出現(xiàn)了新的研究趨勢(shì):(1)亞細(xì)胞蛋白質(zhì)組學(xué)分離、鑒定不同生理狀態(tài)下亞細(xì)胞蛋白質(zhì)的表達(dá),這對(duì)全面了解細(xì)胞功能有重要意義;(2)定量蛋白質(zhì)組學(xué)精確的定量分析和鑒定一個(gè)基因組表達(dá)的所有蛋白質(zhì)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn);(3)磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)蛋白質(zhì)磷酸化和去磷酸化調(diào)節(jié)幾乎所有的生命活動(dòng)過(guò)程。蛋白質(zhì)組學(xué)的方法可以從整體上觀察細(xì)胞或組織中蛋白質(zhì)磷酸化的狀態(tài)及其變化;(4)糖基化蛋白質(zhì)組學(xué)可用于確定糖蛋白特異性結(jié)合位點(diǎn)中多糖所處的不同位置。近來(lái)在蛋白質(zhì)組學(xué)背景下進(jìn)行的糖生物學(xué)研究已取得了可喜的進(jìn)展;(5)相互作用蛋白質(zhì)組學(xué)通過(guò)各種先進(jìn)技術(shù)研究蛋白質(zhì)之間的相互作用,繪制某個(gè)體系蛋白質(zhì)作用的圖譜。
3 蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)
蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展,既是技術(shù)推動(dòng)又受技術(shù)限制。蛋白質(zhì)組學(xué)研究成功與否,很大程度上取決于技術(shù)方法水平的高低。蛋白質(zhì)組學(xué)的蓬勃發(fā)展主要得益于三大技術(shù)突破:固相化pH梯度膠條即IPG膠條的發(fā)明和完善;兩種軟電離質(zhì)譜技術(shù)的出現(xiàn):蛋白質(zhì)雙向凝膠電泳圖譜數(shù)字化和一系列分析軟件的問(wèn)世。當(dāng)前國(guó)際蛋白質(zhì)組研究技術(shù)平臺(tái)的技術(shù)基礎(chǔ)和發(fā)展趨勢(shì)有以下幾個(gè)方面。
3.1蛋白質(zhì)樣品制備技術(shù)
樣品制備是雙向電泳成功的關(guān)鍵之一。選擇合適的樣品制備方法對(duì)獲得滿(mǎn)意的雙向電泳圖譜非常重要。不同來(lái)源的樣品有不同的處理方法。目前常用的樣品處理技術(shù)有液相等電聚焦、亞細(xì)胞分級(jí)、吸附色譜、連續(xù)多步提取方法等。
激光捕獲顯微切割技術(shù)是上世紀(jì)末期發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)。利用激光切割組織,能高效地從復(fù)合組織異性地分離出單個(gè)細(xì)胞或單一類(lèi)型細(xì)胞群,顯著提高樣本的均一性。
3.2蛋白質(zhì)分離技術(shù)
3.2.1雙向凝膠電泳(2-DE) 其原理是根據(jù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)和相對(duì)分子質(zhì)量來(lái)分離蛋白質(zhì)。近年雙向電泳技術(shù)的蛋白質(zhì)分離分辨率和重復(fù)性顯著提高。尤其是差異熒光顯示凝膠電泳(DIGE)技術(shù),將蛋白質(zhì)樣品經(jīng)不同的熒光染料CYPRO Ruby(Cy2、Cy3、Cy5)標(biāo)記后,等量混合雙向電泳,蛋白量差異可通過(guò)蛋白點(diǎn)熒光信號(hào)間的不同比率分辨。此法靈敏度高,所需樣品量少,一張膠可同時(shí)分析3個(gè)樣品,減少了工作量,重復(fù)性顯著提高。目前該技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用。
3.2.2高效液相色譜技術(shù)(HPLC) 2D-LCO口串聯(lián)HPLC也是分析蛋白質(zhì)組學(xué)最有效的工具之一。其基本原理是先進(jìn)行第一向分子篩柱層析,按蛋白質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量大小分離。從柱上流出的蛋白峰自動(dòng)進(jìn)入第二向?qū)游鲞M(jìn)一步分離,第二向?qū)游鐾ǔJ抢玫鞍踪|(zhì)表面疏水性質(zhì)進(jìn)行反相柱層析。
3.2.3毛細(xì)管電泳(CE) 在高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下,按相對(duì)分子質(zhì)量、電荷、電泳遷移率等差異有效分離毛細(xì)管中的待測(cè)樣品。CE分辨率高,分離速度快且易于和ESI-MS實(shí)現(xiàn)在線連接,在蛋白質(zhì)分析中應(yīng)用的極為廣泛。與2-DE比較,CE可在線自動(dòng)分析蛋白質(zhì)的分離,并可分析相對(duì)分子質(zhì)量范圍不適于2-DE的樣品。缺點(diǎn)是復(fù)雜樣品分離不完全。
3.3蛋白質(zhì)定量分析
蛋白質(zhì)組研究中,以2-DE為基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)定量方法大致有考馬斯亮藍(lán)染色法、銀染法、負(fù)染法、熒光染色法和放射性同位素標(biāo)記法等。其中,考馬斯亮藍(lán)染色法和銀染法是最常用的定量手段,操作簡(jiǎn)單易行,而且能很好地與質(zhì)譜鑒定匹配,但靈敏度較低,檢測(cè)下限為0.2~0.5g,背景較高。
銀染的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高,可染出蛋白質(zhì)量1ng/點(diǎn),但與蛋白質(zhì)量的線性關(guān)系不如考馬斯亮藍(lán)染色法,且對(duì)質(zhì)譜鑒定影響較大。
負(fù)染方法簡(jiǎn)單快速,但是,其重復(fù)性依賴(lài)于許多物理化學(xué)因素,例如染色液的pH,膠中陰離子濃度、溫度等,所以不能作為一種通用方法。
熒光染色法的靈敏度與銀染相似但速度快得多,且不需要固定蛋白質(zhì)。這為后續(xù)的蛋白酶解或印跡帶來(lái)很大方便。此外,熒光染色的線性范圍較寬,定量結(jié)果較可靠。
在所有的染色方法中,最靈敏的是同位素標(biāo)記法,20×10-6量的標(biāo)記蛋白就可通過(guò)其熒光或磷光的強(qiáng)度測(cè)定。但此方法易污染,易對(duì)人體產(chǎn)生傷害,操作也不方便,一般不采用。
3.4蛋白質(zhì)的鑒定
3.4.1氨基酸組成分析此法可提供蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)信息,耗資低,但速度較慢。所需蛋白質(zhì)或肽的量較大,在超微量分析中受到限制;且存在酸性水解不徹底或部分降解而致氨基酸變異的缺點(diǎn),故應(yīng)結(jié)合蛋白質(zhì)的其它屬性鑒定。
3.4.2 C-端或N-端氨基酸序列分析常用Edman降解法測(cè)定蛋白質(zhì)N-端氨基酸序列。常用羧肽酶法、化學(xué)降解法測(cè)定蛋白質(zhì)C-端氨基酸序列。目前均可用自動(dòng)測(cè)序儀。
3.4.3質(zhì)譜能清楚地鑒定蛋白質(zhì)并準(zhǔn)確測(cè)量肽和蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量、氨基酸序列及翻譯后的修飾,因靈敏度高、速度快、易自動(dòng)化,已成為蛋白質(zhì)組研究中主要的蛋白質(zhì)鑒定技術(shù)。
質(zhì)譜技術(shù)的基本原理基于:帶電粒子在磁場(chǎng)或電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的軌跡和速度依粒子質(zhì)量與攜帶電荷比的不同而變
化,可據(jù)此判斷粒子的質(zhì)量和特性。目前常用的質(zhì)譜儀有氣相色譜-質(zhì)譜儀(GC-MS):液質(zhì)聯(lián)用質(zhì)譜儀(LC-MS);電噴霧電離串聯(lián)質(zhì)譜儀(ESI-MS-MS);液相色譜-電噴霧離子化質(zhì)譜儀(LC-ESI-MS);基質(zhì)輔助的激光解吸飛行時(shí)間質(zhì)譜儀(MALDI-TOF-MS)等。其中MALDI-TOF-MS和ESI-MS-MS是簡(jiǎn)單高效且靈敏的方法,是目前蛋白質(zhì)組學(xué)研究中應(yīng)用最廣泛的生物質(zhì)譜儀。
3.4.3.1肽質(zhì)量指紋圖譜法鑒定蛋白質(zhì)在蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中檢索實(shí)驗(yàn)獲得的肽質(zhì)量指紋圖譜,根據(jù)肽段匹配率和蛋白質(zhì)序列覆蓋率尋找具有相似肽指紋圖譜(PMF)的蛋白質(zhì),就可以初步完成蛋白質(zhì)鑒定。
當(dāng)前測(cè)定蛋白質(zhì)的肽質(zhì)量指紋圖譜,常用的質(zhì)譜儀為MALDI-TOF-MS,精度可達(dá)0.1個(gè)質(zhì)量單位,靈敏度可以達(dá)到分解亞皮摩爾量的蛋白質(zhì),并且分析時(shí)間極短,適于蛋白質(zhì)的高通量鑒定。
3.4.3.2質(zhì)譜測(cè)肽序列信息鑒定蛋白質(zhì)為進(jìn)一步鑒定蛋白質(zhì),可將液相中的肽段經(jīng)電噴霧電離后進(jìn)入串聯(lián)質(zhì)譜,肽鏈中的肽鍵斷裂,形成N-端和C-端碎片離子系列。根據(jù)肽片段的斷裂規(guī)律綜合分析這些碎片離子系列,可得出肽段的氨基酸序列,聯(lián)合肽片段的相對(duì)分子質(zhì)量和肽段的序列信息,就足以鑒定一個(gè)蛋白質(zhì)。
表面增強(qiáng)激光解吸電離-飛行時(shí)間-質(zhì)譜(SELDI-TOF-MS)是在MALDI-TOF-MS基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)的質(zhì)譜技術(shù)。它通過(guò)表面選擇性吸附大大降低了樣品蛋白質(zhì)的復(fù)雜性,而又能同時(shí)分析多樣品、多蛋白質(zhì),具有分析速度快、簡(jiǎn)便易行、樣品用量少和高通量等特點(diǎn)。
3.4.4同位素標(biāo)記親和標(biāo)簽(ICAT) 這是應(yīng)用MALDI-ToF和LC-MS/MS表達(dá)蛋白質(zhì)差異的定量分析技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是可以直接測(cè)試混合樣品而不需分離,能迅速定性和定量鑒定低豐度蛋白質(zhì),但也存在特異性吸附、不可逆吸附和容量低等缺點(diǎn)。
3.4.5iTRAQ iTRAQ試劑是在ICAT基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的氨基反應(yīng)試劑,可標(biāo)記四重樣品,以便用串聯(lián)質(zhì)譜儀比較分析豐度。Hirsch等利用iTRAQ-MS/MS研究大鼠肝臟局部熱缺血處理后Kuppfer細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)的變化,獲得了總計(jì)1559種蛋白質(zhì)的定量比較數(shù)據(jù)。
3.4.6蛋白質(zhì)芯片技術(shù)這是用于分析蛋白質(zhì)功能及相互作用的生物芯片。待分析樣品中的生物分子與蛋白質(zhì)芯片的探針?lè)肿与s交或相互作用或用其他分離方式分離后,用激光共聚焦顯微掃描儀檢測(cè)和分析雜交信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)高通量檢測(cè)多肽、蛋白質(zhì)及其他生物成分的活性、種類(lèi)和相互作用。此技術(shù)快速、操作簡(jiǎn)便、樣品用量少,可平行檢測(cè)多個(gè)樣品,可直接檢測(cè)不經(jīng)處理的各種體液和分泌物等。在蛋白質(zhì)組學(xué)研究中較目前用的常規(guī)方法有明顯優(yōu)勢(shì)。
3.5蛋白質(zhì)之間的相互作用技術(shù)
蛋白質(zhì)之間相互作用是細(xì)胞生命活動(dòng)的基礎(chǔ)和特征。目前主要的研究方法有以下幾種。
3.5.1酵母雙雜交系統(tǒng)這是在真核模式生物酵母中進(jìn)行的,靈敏度很高。目前此技術(shù)不但可用于體內(nèi)檢驗(yàn)蛋白質(zhì)之間,蛋白質(zhì)與小分子肽、DNA、RNA之間的相互作用,而且能用于發(fā)現(xiàn)新的功能蛋白質(zhì),研究蛋白質(zhì)的功能,對(duì)于認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)組特定代謝途徑中的蛋白質(zhì)相互作用關(guān)系網(wǎng)絡(luò)發(fā)揮了重要作用。
這種技術(shù)可用于研究大量蛋白質(zhì)間的相互作用,易自動(dòng)化、高通量,但存在假陽(yáng)性和假陰性現(xiàn)象。酵母雙雜交系統(tǒng)提供的蛋白質(zhì)之間可能的相互作用信息,還需通過(guò)進(jìn)一步的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)確定和排除。
3.5.2噬菌體展示技術(shù)主要是在編碼噬菌體外殼蛋白質(zhì)基因上連接一單克隆抗體基因序列。噬菌體生長(zhǎng)時(shí)表面會(huì)表達(dá)出相應(yīng)單抗,噬菌體過(guò)柱時(shí),如柱上含有目的蛋白質(zhì),則可特異性地結(jié)合相應(yīng)抗體。該技術(shù)具有高通量及簡(jiǎn)便的特點(diǎn),與酵母雙雜交技術(shù)互為補(bǔ)充,彌補(bǔ)了酵母雙雜交技術(shù)的一些限制。缺陷是噬菌體文庫(kù)中的編碼蛋白均為融合蛋白,可能改變天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能,體外檢測(cè)的相互作用可能與體內(nèi)不符。
3.5.3串聯(lián)親和純化(TAP)
利用一種經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的蛋白標(biāo)簽,經(jīng)過(guò)兩步連續(xù)親和純化,獲得更接近自然狀態(tài)的特定蛋白復(fù)合物。TAP技術(shù)可在低濃度下富集目的蛋白,得到的產(chǎn)物可用于活性檢測(cè)及結(jié)構(gòu)分析。因其高特異性和選擇性可減小復(fù)雜蛋白質(zhì)組分離的復(fù)雜性。
TAP技術(shù)的開(kāi)發(fā)是研究蛋白質(zhì)相互作用方法學(xué)上的巨大突破。該方法集成了經(jīng)典的親和純化和免疫共沉淀兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),可快速得到生理?xiàng)l件下與目標(biāo)蛋白真實(shí)相互作用蛋白質(zhì)的特點(diǎn)。這些分離技術(shù)與2-DE相互補(bǔ)充或不同分離模式組合,將成為蛋白質(zhì)組學(xué)高通量分析的重要工具。
3.5.4表面等離子共振技術(shù)(SPR) 為研究蛋白質(zhì)之間相互作用的全新手段。典型代表是瑞典BIACORE的單元蛋白質(zhì)芯片。SPR技術(shù)的特點(diǎn)是檢測(cè)快速、安全,不需標(biāo)記物或染料,靈敏度高。除用于檢測(cè)蛋白質(zhì)之間的相互作用外,還可用于檢測(cè)蛋白質(zhì)與核酸及其他生物大分子之間的相互作用,并且能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)反應(yīng)過(guò)程。因此,SPR技術(shù)在檢測(cè)生物大分子特異性相互作用上比傳統(tǒng)方法更具優(yōu)勢(shì)。
3.6生物信息學(xué)分析
生物信息學(xué)是蛋白質(zhì)組學(xué)研究不可或缺的研究方法。蛋白質(zhì)組學(xué)研究任一物種的基因組編碼的全套蛋白質(zhì),通常是高通量的,在預(yù)測(cè)和結(jié)構(gòu)分析蛋白質(zhì)功能時(shí),生物信息學(xué)就成為蛋白質(zhì)組學(xué)研究的核心技術(shù)之一。數(shù)據(jù)庫(kù)是生物信息學(xué)的主要內(nèi)容,各種數(shù)據(jù)庫(kù)幾乎覆蓋了生命科學(xué)的各領(lǐng)域,建立與開(kāi)發(fā)蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫(kù)和分析軟件是蛋白質(zhì)組定性和定量分析的重要基礎(chǔ)。Mascot,Expasy,PeptideSearch和ProteinProspector等是目前蛋白質(zhì)組學(xué)中常用的檢索數(shù)據(jù)庫(kù)。
【關(guān)鍵詞】 信號(hào)放大;時(shí)間分辨熒光分析;鑭系元素螯合物
Studies and applications of time-resolved fluorescence assay based on signal amplification
【Abstract】 Time-resolved fluorescence assies(TRFA) based on signal amplification are new ultrasensitive labelling assay technologies.The basis is biosignal amplification,the labels are lanthanide chelates,and the detection methods are the time-resolved and wavelength-resolved fluorescence assay in the technologies.In addition,enzyme-labelled assay and PCR amplification et al are used in the technologies.The several main signal amplification methods and amplifications, for example, enzyme-amplification, two-round enzyme-amplification,europium nanopartical,rolling circle amplification,immuno-PCR and fluorescence quenching assay et al, were introduced in the summary. The unique advantages of nonisotope and ultrasensitivity and extensive applications in bioassay shown good prospects of TRFA based on signal amplification.
【Key words】 signal amplification; time-resolved fluorescence assay; lanthanide chelate
近些年來(lái),非同位素標(biāo)記分析技術(shù)發(fā)展迅速。它主要包括:酶標(biāo)記分析技術(shù)、化學(xué)發(fā)光分析技術(shù)、生物發(fā)光分析技術(shù)和時(shí)間分辨熒光分析技術(shù)。信號(hào)放大時(shí)間分辨熒光分析技術(shù)克服了其他技術(shù)的缺點(diǎn),具有非同位素、靈敏度高、標(biāo)記物制備簡(jiǎn)單、測(cè)量快速和分析動(dòng)態(tài)范圍寬等優(yōu)點(diǎn),成為一種最有發(fā)展前途的非同位素標(biāo)記分析技術(shù)。
1 信號(hào)放大時(shí)間分辨熒光分析技術(shù)的原理及特點(diǎn)
信號(hào)放大時(shí)間分辨熒光分析(time-resolved fluorescence assay, TRFA)技術(shù)是把生物信號(hào)放大、鑭系元素螯合物的固有優(yōu)點(diǎn)以及時(shí)間分辨和波長(zhǎng)分辨兩種測(cè)量技術(shù)合為一體,極其有效地排除了非特異熒光,測(cè)量了特異熒光,因而靈敏度很高。
信號(hào)放大時(shí)間分辨熒光分析技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)歸根到底是源于鑭系元素螯合物的固有特點(diǎn)[1]。它們是:(1)激發(fā)光譜帶較寬,可以增加激發(fā)能,提高標(biāo)記物的比活性。(2)發(fā)射光譜帶很窄,50%發(fā)射譜帶的寬僅約為10nm,可以利用通帶濾光片,只允許峰值波長(zhǎng)±5nm譜段通過(guò)供測(cè)量,在如此窄的譜段內(nèi),非特異熒光很少,可有效降低本底熒光,且能量損失也不大。(3)激發(fā)光與發(fā)射光之間的stokes位移大,有利于排除激發(fā)光散射等的干擾。(4)鑭系離子螯合物的熒光壽命很長(zhǎng),約1ms,在時(shí)間分辨熒光儀上測(cè)量時(shí),脈沖光源激發(fā)后,可適當(dāng)延遲一段時(shí)間,待其他短半衰期(1~10ns)的非特異熒光完全衰變后再測(cè)量,從而極大的降低了本底熒光,實(shí)現(xiàn)了時(shí)間分辨,靈敏度大大提高。(5)鑭系離子由激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時(shí)發(fā)射熒光,在測(cè)量時(shí)間內(nèi)可反復(fù)激發(fā)鑭系離子,相當(dāng)于大大提高了標(biāo)記比活性。
此外,時(shí)間分辨熒光分析技術(shù)的分析動(dòng)態(tài)范圍寬,可達(dá)4~5個(gè)數(shù)量級(jí);標(biāo)記物制備簡(jiǎn)單,穩(wěn)定性好,有效期長(zhǎng),不受半衰期影響;標(biāo)記蛋白質(zhì)時(shí)反應(yīng)條件溫和,蛋白質(zhì)活性受損少;測(cè)量快速,易于自動(dòng)化。
2 生物素—鏈霉親和素系統(tǒng)放大的時(shí)間分辨熒光分析
1988年,出現(xiàn)了一種新的雙功能螯合劑,稱(chēng)為4,7-雙(氯磺酰基苯基)-1,10-菲咯啉-2,9-二羧酸[4,7-bis(chlorosulfophenyl)-1,10-phenanthroline-2,9-dicarboxylic acid,BCPDA],為了增加生物放大又把生物素-親合素系統(tǒng)(biotin-avidin system,BAS)引入免疫反應(yīng)系統(tǒng)。本分析系統(tǒng)的基本原理是:固相McAb與抗原反應(yīng)后,再加入生物素化McAb,形成免疫反應(yīng)復(fù)合物,再加入通用試劑SA-BCPDA-Eu3+,其中SA是鏈霉親合素(streptavidin,SA),借助SA與生物素的高特異和高親合力的結(jié)合,把這種通用試劑連接到免疫反應(yīng)復(fù)合物上,最終形成的復(fù)合物為:固相McAb-抗原(標(biāo)準(zhǔn)或樣品)-(McAb-生物素)-(SA-BCPDA-Eu3+)[2]。本分析系統(tǒng)的特點(diǎn)是不用增強(qiáng)液,可在固相下直接測(cè)熒光。該系統(tǒng)共有三次放大作用,但放大倍數(shù)仍然遠(yuǎn)小于增強(qiáng)液系統(tǒng),靈敏度可能略低,為此也有學(xué)者在最后一步加入增強(qiáng)液,進(jìn)行液相熒光測(cè)定。
3 酶放大時(shí)間分辨熒光分析
酶放大時(shí)間分辨熒光分析(enzyme-amplified time-resolved fluorescence assay, EATRFA)系統(tǒng),它的核心思想是把生物素-鏈霉親和素的高親和力和放大作用、酶放大作用、鑭系元素螯合物的特有優(yōu)點(diǎn)和時(shí)間分辨測(cè)量技術(shù)結(jié)合,不用增強(qiáng)液,在液相下測(cè)量熒光。
其基本原理是:固相McAb與抗原和生物素化McAb同時(shí)反應(yīng),形成免疫反應(yīng)復(fù)合物;然后再與堿性磷酸酶(ALP)標(biāo)記SA的復(fù)合物ALP-SA反應(yīng),形成復(fù)合物(固相McAb-抗原-McAb-生物素-SA-ALP)。再加入ALP的底物5-氟水楊酸磷酸酯(5-fluorosalicyl phosphate,5-FSAP),生成產(chǎn)物5-氟水楊酸(5-fluorosalicylic acid,5-FSA)。再加入鋱(Tb3+)—乙二胺四乙酸(EDTA)螯合物,在高pH下,形成熒光壽命長(zhǎng)、熒光產(chǎn)額高的三元復(fù)合物FSA- Tb3+-EDTA。測(cè)定546nm波長(zhǎng)的熒光強(qiáng)度即可得抗原濃度[3,4]。在本法中,環(huán)境改變和淬滅體對(duì)熒光發(fā)射特征影響極小;鑭系元素污染的影響也非常小[5];在液相下測(cè)熒光,不用分離,非常簡(jiǎn)捷。
4 二次酶放大時(shí)間分辨熒光分析
近年又提出二次酶放大時(shí)間分辨熒光分析系統(tǒng)[3,6],用于核酸雜交分析。其原理如下:先用抗體包被微滴定孔,再經(jīng)特異抗原標(biāo)記的靶DNA與該抗體反應(yīng),將靶DNA連接到固相抗體上。然后用生物素化探針與靶DNA雜交,再通過(guò)生物素與鏈霉親和素的反應(yīng),將鏈霉親和素標(biāo)記的辣根過(guò)氧化物酶(HRP)連接到雜化物上。當(dāng)加入含有H2O2和生物素化酪胺(B-T)的HRP的底物溶液,因有H2O2存在,HRP在催化酪胺氧化,產(chǎn)生游離基團(tuán)的同時(shí),也催化事先固定在微滴定孔表面的蛋白質(zhì)(如白蛋白)的酪胺酰基的氧化。由于二聚體形成反應(yīng),于是B-T就共價(jià)地結(jié)合到固相上。再加入ALP-SA,經(jīng)B與SA的反應(yīng),ALP結(jié)合到固相上。至此,實(shí)現(xiàn)了雜交和建立了雜交的定量關(guān)系。洗滌后,加入ALP的底物5-FSAP,此后的步驟與EATRF分析系統(tǒng)的相同。二次酶放大時(shí)間分辨熒光分析系統(tǒng)的主要目的是增加放大倍數(shù),大大提高分析靈敏度。有報(bào)告稱(chēng)此系統(tǒng)的特異信號(hào)可增加30倍,信/噪比可改進(jìn)10倍,靈敏度可達(dá)3×10-16mol[7]。
熒光光譜明確可靠。測(cè)量熒光強(qiáng)度時(shí),溶液中有5-FSA:EDTA:Tb三元復(fù)合物,它的最大吸收波長(zhǎng)與儀器的激發(fā)波長(zhǎng)337nm幾乎相等,很匹配,它的四條發(fā)射譜帶中547nm譜帶的強(qiáng)度最強(qiáng),用(547±5)nm的窄通帶濾光片,只允許其通過(guò),是供測(cè)量的熒光信號(hào)。5-FSAP本身不發(fā)熒光,也不能與Tb-EDTA結(jié)合成復(fù)合物。游離的5-FSA只發(fā)射420nm波長(zhǎng)的熒光,也被濾光片濾掉。
EATRFA系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:靈敏度非常高,對(duì)PBR322DNA的雜交分析,國(guó)外Evanglista等報(bào)道為3pg[8],國(guó)內(nèi)趙啟仁等報(bào)道為10pg[3],而二次EATRFA系統(tǒng)的靈敏度更高;分析系統(tǒng)簡(jiǎn)單,全過(guò)程操作,可以一管到底,在檢測(cè)熒光強(qiáng)度時(shí),不需要分離,可直接在液相下測(cè)量;分析快速,測(cè)定全過(guò)程只需要十幾小時(shí),且主要是溫育需要過(guò)夜;相關(guān)試劑的有效期長(zhǎng);不存在放射性對(duì)人體的危害等問(wèn)題;不存在金屬離子污染問(wèn)題;環(huán)境改變和淬滅體對(duì)熒光特征發(fā)射的影響極小;有利于分析自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。
5 納米顆粒的應(yīng)用
近幾年來(lái),納米顆粒應(yīng)用到時(shí)間分辨熒光分析技術(shù)中。每個(gè)納米顆粒含有數(shù)千鑭系元素螯合物,這樣可以大大提高標(biāo)記比活性。在均相時(shí)間分辨熒光分析中,使用納米顆粒技術(shù),當(dāng)激發(fā)光激發(fā)時(shí),大量增加的鑭系元素螯合物作為能量供體將能量傳遞給能量受體,傳遞的能量增加,受體所受的激發(fā)熒光強(qiáng)度也大大增加。Harma等和Kokko等分別報(bào)告了用銪納米顆粒和時(shí)間分辨熒光免疫分析技術(shù)進(jìn)行了超靈敏的前列腺特異抗原(PSA)和雌二醇的測(cè)定[9,10]。
6 滾動(dòng)循環(huán)放大時(shí)間分辨熒光分析
由于ELISA等酶免疫分析的靈敏度和特異性受限,特別是當(dāng)分析材料或抗原的量很少時(shí),2000年,Schweitzer等[11]利用滾動(dòng)循環(huán)放大(rolling circle amplification, RCA)進(jìn)行了超靈敏的抗原測(cè)定。滾動(dòng)循環(huán)放大用于蛋白抗原類(lèi)的測(cè)定,被稱(chēng)為“immunoRCA”。它是一個(gè)多元化的分析系統(tǒng),可以一次檢測(cè)多種抗原,可用于免疫診斷和基因診斷。
“immunoRCA”的原理是:將抗原(標(biāo)準(zhǔn)或待測(cè)樣品)包被在固相上,加入共價(jià)連接寡核苷酸引物的抗體。通過(guò)抗原和抗體的特異結(jié)合,寡核苷酸引物連于固相。這樣,在環(huán)狀DNA、DNA聚合酶和核苷酸的存在下,進(jìn)行擴(kuò)增。擴(kuò)增的結(jié)果就是一條很長(zhǎng)的DNA分子,它包含了數(shù)百個(gè)拷貝的環(huán)狀DNA序列[12]。這時(shí),我們用生物素化的探針和其雜交,利用生物素-鏈霉親和素系統(tǒng)對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物DNA的量進(jìn)行時(shí)間分辨熒光測(cè)定。因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi),所得擴(kuò)增DNA的量正比于固相的量,所以可以定量固相抗原。
“immunoRCA”具有靈敏度高,特異性強(qiáng);測(cè)定快速,動(dòng)態(tài)范圍寬;不需要特殊的設(shè)備,操作更簡(jiǎn)便;避免假陽(yáng)性結(jié)果;檢測(cè)結(jié)果更準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[13,14]。
“immunoRCA”不僅可用于蛋白抗原類(lèi)的測(cè)定,其基本原理還可應(yīng)用于點(diǎn)突變檢測(cè)以及直接檢測(cè)病毒DNA或RNA來(lái)診斷病毒感染。2003年,Wang B等用RCA高效地測(cè)定了SARS-CoV病毒DNA[15]。2005年,Silander K等用少量DNA經(jīng)過(guò)多樣引物進(jìn)行了SNP基因擴(kuò)增的評(píng)估[16]。
7 免疫PCR時(shí)間分辨熒光分析
很多疾病的生命和分子基礎(chǔ)的基本原理的闡明,需要研究生物分子的相互作用,甚至是在單個(gè)細(xì)胞或單個(gè)分子水平上的這種作用。多數(shù)自然過(guò)程涉及蛋白質(zhì)和其他非核酸物質(zhì),因此,單是核酸分析還是不足以探索生物原理。為了把PCR的近乎指數(shù)的擴(kuò)增能擴(kuò)展到蛋白質(zhì)的高靈敏度測(cè)定,Sano et al[17]創(chuàng)立了免疫PCR法(Immuno-PCR,IPCR)。IPCR是一種檢測(cè)微量抗原的高靈敏度技術(shù)。它把抗原抗體反應(yīng)的高特異性和PCR的高靈敏感性有機(jī)地結(jié)合起來(lái)。它的基本原理是:用一段已知DNA分子標(biāo)記抗體作為探針,利用抗體和抗原的特異結(jié)合,把此探針連接到待測(cè)抗原上,PCR擴(kuò)增粘附在抗原抗體復(fù)合物上的這段DNA分子,電泳定性,根據(jù)特異性PCR產(chǎn)物的有無(wú),來(lái)判斷待測(cè)抗原是否存在。IPCR是迄今最敏感的一種抗原檢測(cè)方法,理論上可以檢測(cè)單個(gè)抗原分子,實(shí)踐上它的靈敏度比ELISA法高100~10000倍[18]。由于PCR產(chǎn)物在抗原量未達(dá)到飽和前與抗原抗體復(fù)合物的量成正比,因此IPCR還可進(jìn)行抗原的定量[19]和半定量試驗(yàn)。
IPCR的連接分子是指IPCR中需要的連接報(bào)告分子和抗原抗體復(fù)合物的中間橋分子[20]。主要有:重組的鏈霉親和素-蛋白A嵌合體,蛋白A可與抗體的Fc段結(jié)合,而鏈霉親和素可與DNA分子上的生物素連接。以及生物素化單抗-親和素-生物素化DNA分子復(fù)合體及其修飾物[21]。研制新型連接分子是IPCR的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
轉(zhuǎn)貼于
要求用作IPCR報(bào)告分子和PCR擴(kuò)增系統(tǒng)有良好的擴(kuò)增效果,具有近似理論的擴(kuò)增率。與反應(yīng)系統(tǒng)中可能存在的DNA分子不應(yīng)有同源性。目前用的較多的是DNA聚合酶將生物素化的堿基聚合到DNA末端,理論上一條DNA鏈上標(biāo)記一個(gè)生物素分子時(shí)靈敏度最高。
PCR產(chǎn)物經(jīng)葡聚糖凝膠電泳后,EB染色,紫外線燈下觀察或照像,出現(xiàn)特異性擴(kuò)增帶為陽(yáng)性。另外,在PCR擴(kuò)增時(shí)應(yīng)用生物素標(biāo)記,再與堿性磷酸酶標(biāo)記的鏈霉親和素反應(yīng),再加入ALP的底物5-FSAP,產(chǎn)物為5-FSA,再加入含Tb-EDTA的熒光發(fā)展溶液,可用時(shí)間分辨熒光儀測(cè)熒光強(qiáng)度。當(dāng)然也有用放射性同位素和熒光素的。
IPCR應(yīng)用很多,目前主要用于檢測(cè)腫瘤標(biāo)志物、細(xì)胞因子、神經(jīng)內(nèi)分泌活性多肽、病毒抗原、細(xì)菌、酶、支原體、衣原體等微量抗原。到目前不完全統(tǒng)計(jì)有各種檢測(cè)40多種[22~24]。
8 時(shí)間分辨熒光淬滅分析
時(shí)間分辨熒光淬滅分析(time-resolved fluorescence quenching assay,TRFQA)是建立于熒光共振能量轉(zhuǎn)移(fluorescence resonance energy transfer,F(xiàn)RET)理論[25]上的一種分析系統(tǒng)。在此分析系統(tǒng)中,能量是從一個(gè)鑭系元素螯合物轉(zhuǎn)移到一個(gè)非熒光淬滅體。雙鏈DNA探針,其中一條鏈的5′端標(biāo)記鑭系元素螯合物,另一條單鏈的3′端標(biāo)記熒光淬滅基團(tuán)。當(dāng)標(biāo)記有鑭系元素螯合物的單鏈與靶DNA雜交時(shí)產(chǎn)生熒光信號(hào),而游離的該種單鏈與標(biāo)記有熒光淬滅基團(tuán)的單鏈結(jié)合時(shí),熒光信號(hào)被熒光淬滅基團(tuán)淬滅。這樣大大減小了背景熒光,提高了靈敏度[26]。2006年,Wang等進(jìn)行了抗引物淬滅的實(shí)時(shí)PCR和臨床癌癥樣品的分析[27]。Santangelo等用納米結(jié)構(gòu)探針測(cè)定了活細(xì)胞中的RNA[28]。
信號(hào)放大時(shí)間分辨熒光分析法是一種新型的超微量分析方法,由于它的優(yōu)點(diǎn)突出,越來(lái)越受到關(guān)注,應(yīng)用日益廣泛。相信在不久的將來(lái),隨著生物技術(shù)的發(fā)展,對(duì)微量檢測(cè)要求的提高,具有高靈敏度的信號(hào)放大時(shí)間分辨熒光分析將在更多的領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。
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