丙烯酰胺(acrylamide, AA)是一种具有神经毒性、潜在致癌性和致畸性的小分子化合物,被国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer, IARC)列为“2A”类物质(即人类可能致癌物)。2002年,瑞典科学家发现富含淀粉的食物经热加工后会产生大量的AA。自此,对AA的研究引起了毒理学、食品安全、分析化学等多领域科研人员的兴趣。检测AA的标准方法虽然具有灵敏度高、准确性好、重复性好等优点,但是同样也存在着检测周期长、仪器设备维护成本高、需专业人员操作等不足,无法满足快速、便携、实时在线检测AA的需求。光学化学／生物传感器具有灵敏度高、选择性好、成本低廉、操作简单、易实现自动化和小型化等优点,已被广泛应用于分析检测、医疗诊断、活体成像等多个领域。对于具有毒性且无免疫原性的小分子来说,很难通过免疫反应获得有效抗体。而经体外筛选富集获得的核酸适配体(aptamer)不仅可以弥补抗体的这一不足,还为后续构建核酸适配体传感器奠定了基础。本论文运用纳米技术、荧光分析技术、比色分析技术、石英晶体微天平技术、指数富集配体系统进化(systematic evolution of ligands by exponential enrichment, SELEX)技术等领域的知识,构建光学化学／生物传感器实现了对AA的快速、灵敏、特异检测。具体的研究内容、结果和结论如下：(1) 荧光化学传感器快速检测AA利用量子点(quantum dots, QDs)的荧光特性和AA光聚合特性,构建基于光聚合引发QDs间距变化的荧光传感器,实现了AA的快速检测。首先,通过N-羟基琥珀酰亚胺丙烯酸酯的交联反应,将类似AA的结构修饰于QDs表面。功能化QDs表面的碳碳双键在紫外光和光引发剂的共同作用下,发生光聚合反应,导致QDs间距缩小,荧光强度减弱。当目标物AA存在时,AA与QDs表面的双键共同参与光聚合反应,使得QDs间距增大,荧光强度增强。通过测定光聚合前后QDs荧光强度的变化,实现AA的快速检测。在最优条件下,荧光化学传感器对AA的线性检测范围为0.5～5.0×104μmolL-1,检测限0.5μmol L-1。除L-天冬酰胺外,其他与AA结构类似的化合物均不产生荧光响应。作为AA生成的前体物,在检测食品样品时,需加入L-天冬酰胺酶以降低L-天冬酰胺的干扰。最后,用此方法检测薯片和曲奇中的AA,所测结果与标准方法相比具有较好的一致性。虽然该方法的灵敏度不如标准方法(LC-MS/MS),但是仍为今后快速、定量、在线检热加工食品中的AA提供了新思路。(2) 比色生物传感器高灵敏检测／AA利用金纳米颗粒(gold nanoparticles, AuNPs)随间距变化的光学特性,构建一种基于亲核催化巯-烯迈克尔加成的新型比色生物传感器,实现了AA的高灵敏检测。在酸性条件下,带正电的谷胱甘肽(glutathione, GSH)通过Au-S键吸附于AuNPs表面,降低AuNPs的电负性,使其发生团聚,颜色由红色变成蓝紫色。当目标物AA存在时,在亲核试剂的催化下,GSH与AA发生巯-烯迈克尔加成反应生成GSH-AA口成物,导致GSH不能吸附于AuNPs表面,AuNPs仍保持分散状态。通过测定AuNPs紫外-可见吸收光谱的变化,实现了AA的高灵敏检测。在最优条件下,比色生物传感器对AA的线性检测范围为0.1～80μmolL-1,检测限为286 nmol L-1。与荧光化学传感器相比,比色生物传感器在灵敏度和特异性上都有了进一步提高。最后,将该方法用于检测薯片中的AA,所测结构与标准方法相比具有较好的一致性,表明该方法有望用于检测热加工食品中的AA。(3) 比色核酸适配体传感器特异性检测AA核酸适配体是一段可与靶标分子特异性结合的单链DNA或RNA序列,被誉为“化学抗体”。以核酸适配体为识别元件的光学传感器已被广泛应用于小分子的检测。本章利用核酸适配体的选择性,构建比色传感器,实现了AA的特异性检测。首先,采用石英晶体微天平(Quartz crystal microbalance, QCM)结合SELEX技术(QCM-SELEX)体外筛选AA的核酸适配体。初始单链DNA (single strand DNA, ssDNA)文库的库容量为1015。在筛选过程中,根据ssDNA文库与AA结合前后QCM谐振频率的变化(△f)可以实时表征每一轮ssDNA文库对目标物的亲和力及富集程度。经过14轮正向筛选和4轮反向筛选,AA的核酸适配体候选序列得到富集。经克隆测序、同源性分析和二级结构模拟,分别用QCM法和斑点分析法对其中的2条序列(A5和C14)进行亲和性和特异性的表征。A5和C14的解离常数Kd值分别为17.2nmolL-1和115.2 nmol L-1;这两条序列对丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酰胺的亲和力均远小于AA。最后,选取序列A5作为识别元件,构建比色核酸适配体传感器,实现了AA的特异性检测。该方法的线性检测范围和检测限分别为0.5-10μmol L-10.390μmol L-1。