新型電化學(xué)生物傳感器的構(gòu)建及其在生化分析中的應(yīng)用.pdf

1、生物傳感器是以生物識(shí)別性單元作為主要功能性元件,能夠感受到特定的目標(biāo)物質(zhì),并通過特定的換能器將這種感知轉(zhuǎn)換成可識(shí)別信號(hào)的裝置或器件。作為現(xiàn)代分析化學(xué)研究的熱門課題,生物傳感器是一門由化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、物理、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長起來的新學(xué)科,具有選擇性高、分析速度快、操作簡單、價(jià)格低廉以及可進(jìn)行在線甚至活體分析等特點(diǎn),在環(huán)境監(jiān)測、臨床診斷、食品工業(yè)等領(lǐng)域都得到了高度的關(guān)注和廣泛的應(yīng)用。本論文針對(duì)生物傳感器研究的關(guān)鍵問題,即如何將

2、生物成份穩(wěn)定、高活性地固定到換能器表面,使用不同的材料、不同的修飾方法制備了一系列新型電化學(xué)生物傳感器和一些無酶的電化學(xué)傳感器,并將其應(yīng)用于生化分析中。采用各種電化學(xué)技術(shù),如循環(huán)伏安法(CV)、電化學(xué)交流阻抗法(EIS)、時(shí)間-電流曲線(i-t)等,以及紫外可見分光光度法(UV-vis)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、X射線能量散射譜(EDS)等技術(shù)詳細(xì)研究了電化學(xué)傳感器的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其檢測性能。本論文主要研究工作

3、如下:
　　 (1)首先制備了一種新型的聚丙烯酰胺/殼聚糖半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)水凝膠并將其用于對(duì)氧化還原性蛋白質(zhì)血紅蛋白的固定。該復(fù)合物水凝膠為蛋白質(zhì)的固定提供了一個(gè)良好的微環(huán)境。通過SEM、UV-vis以電化學(xué)循環(huán)伏技術(shù)對(duì)固定在水凝膠中的血紅蛋白進(jìn)行了表征。紫外可見光譜研究結(jié)果表明固定于該復(fù)合物水凝膠中的血紅蛋白能很好地保持其二級(jí)結(jié)構(gòu)。循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)表明固定化的血紅蛋白能與電極之間發(fā)生直接電子傳遞,在pH7.0的磷酸鹽緩沖溶液中,異

4、相電子傳遞速率常數(shù)為5.51±0.30 s-1。同時(shí),固定于水凝膠膜中血紅蛋白保持了很好的生物活性,對(duì)H2O2有良好的電催化性能。催化電流與H2O2的濃度在5×10-6 M～4.2×10-4 M內(nèi)呈良好的線性。相比于單獨(dú)的聚丙烯酰胺水凝膠,該復(fù)合物水凝膠固定的Hb膜具有更好的穩(wěn)定性。
　　 (2)通過π-π兀作用,利用DNA對(duì)單壁碳納米管(SWCNTs)進(jìn)行功能化,并通過DNA功能化的SWCNTs將辣根過氧化物酶(HRP)固定于

5、玻碳(GC)電極表面。循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)表明固定于DNA-SWCNTs上HRP能成功地實(shí)現(xiàn)其直接電化學(xué)。DNA作為SWCNTs與HRP直接的夾層,能有效地保持HRP的活性。與HRP-SWCNTs/GC及HRP-DNA/GC電極相比,HRP-DNA-SWCNTs/GC電極具有更好的電化學(xué)特性。所制備的HRP-DNA-SWCNTs/GC電極可以用來作為一個(gè)第三代H2O2生物傳感器。通過實(shí)驗(yàn)詳細(xì)探討了pH以及檢測電位對(duì)該生物傳感器性能的影響。在最優(yōu)

6、檢測條件下,響應(yīng)電流與H2O2的濃度在6.0×10-7～1.8×10-3M的范圍呈線性相關(guān),最低檢測限達(dá)到了3.0×10-7M。該生物傳感器具有良好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性,并能用于實(shí)際樣品的檢測。
　　 (3)通過靜電相互作用,利用層層自組裝的方法,我們將負(fù)電荷的DNA-SWCNTs與正電荷的Hb組裝在電極表面,構(gòu)筑了(Hb/DNA-CNTs)n多層膜。循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)表明固定于多層自組裝膜中的Hb保持了良好的生物活性,能與電極之間發(fā)生直

7、接電子轉(zhuǎn)移。其式電位與電解液的pH值呈線性關(guān)系,表明了Hb與電極之間的直接電子傳遞是一電子一質(zhì)子的電化學(xué)反應(yīng)。同時(shí),固定于多層膜內(nèi)的Hb能很好地保持其生物活性,對(duì)H2O2具有良好的催化性能。能用于構(gòu)建無試劑的H2O2生物傳感器。這種基于酶和納米復(fù)合物材料之間的層層自組裝技術(shù)為構(gòu)建無媒介體的生物傳感器提供了一種有效的方法,同時(shí)也為可控地構(gòu)造功能性的納米結(jié)構(gòu)生物界面提供了一個(gè)很好的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?br>　　 (4)首先將納米金粒子通過電沉積的

8、方法修飾于平面金電極表面,制備了納米金電極,再將納米金電極置于苯醌(BQ)、殼聚糖(CS)、離子液體(IL)、葡萄糖氧化酶(GOD)的混合溶液中,通過電沉積構(gòu)建了一個(gè)靈敏的葡萄糖生物傳感器。BQ的電化學(xué)還原消耗了質(zhì)子,增大了電極附近溶液的pH值,從而使得殼聚糖變得不溶,沉積于電極表面,同時(shí),GOD與IL也可以共沉積于電極表面。所構(gòu)建的生物傳感器能快速地對(duì)葡萄糖響應(yīng)(<5 s),在最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件下,該生物傳感器具有很高的響應(yīng)靈敏度(14.3

9、3μA mM-1 cm-2),是普通的平面金電極上所構(gòu)建的生物傳感器的2.8倍。其檢測限達(dá)到了1.5×10-6 M,比普通的平面金電極上所構(gòu)建的生物傳感器低20倍。同時(shí),該生物傳感器具有很寬的線性范圍,良好的重現(xiàn)性,穩(wěn)定性以及較好選擇性,并能用于實(shí)際血清樣品中葡萄糖濃度的測定。
　　 (5)通過簡單的直流電沉積方法,可以將DNA-Cu2+復(fù)合物固定于GC電極表面。沉積于電極表面的DNA-Cu2+復(fù)合物對(duì)H2O2具有良好的電催化性

10、能。基于此我們構(gòu)建了一個(gè)靈敏的無酶H2O2傳感器。為了獲得最大的靈敏度,通過實(shí)驗(yàn)詳細(xì)研究了沉積液中Cu2+濃度和沉積時(shí)間等電沉積條件以及pH值和檢測電位等檢測條件對(duì)H2O2在DNA-Cu2+/GC電極上的響應(yīng)電流的影響。在最優(yōu)條件下,該傳感器對(duì)H2O2響應(yīng)的線性范圍為8.0×10-7 M～4.5×10-3 M,靈敏度為40.25μA mM-1,檢測限為2.5×10-7 M,響應(yīng)時(shí)間在4 s以內(nèi)。相比于酶傳感器,所構(gòu)建的無酶H2O2傳感器

11、表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。
　　 (6)將CNTs、Nation、銅納米粒子(Cunano)結(jié)合,制備了新型納米復(fù)合材料材料Cunano/CNTs-Nf，并用于對(duì)亞硝酸鹽的檢測。Nation能使CNTs得到很好地分散,同時(shí)能于Cu2+結(jié)合,然后通過電化學(xué)還原Cu2+,使得Cunano沉積于CNIs上。采用SEM,TEM,EDS對(duì)制備的Cunano/CNTs-Nf納米復(fù)合物進(jìn)行了表征,結(jié)果表明Cuano均勻地分布于CNTs表面,