新型電化學生物傳感器的構建及其在生化分析中的應用.pdf

1、生物傳感器是以生物識別性單元作為主要功能性元件,能夠感受到特定的目標物質,并通過特定的換能器將這種感知轉換成可識別信號的裝置或器件。作為現代分析化學研究的熱門課題,生物傳感器是一門由化學、生物、醫(yī)學、物理、電子技術等多種學科互相滲透成長起來的新學科,具有選擇性高、分析速度快、操作簡單、價格低廉以及可進行在線甚至活體分析等特點,在環(huán)境監(jiān)測、臨床診斷、食品工業(yè)等領域都得到了高度的關注和廣泛的應用。本論文針對生物傳感器研究的關鍵問題,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生物傳感器和一些無酶的電化學傳感器,并將其應用于生化分析中。采用各種電化學技術,如循環(huán)伏安法(CV)、電化學交流阻抗法(EIS)、時間-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)等技術詳細研究了電化學傳感器的結構、性質及其檢測性能。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絡水凝膠并將其用于對氧化還原性蛋白質血紅蛋白的固定。該復合物水凝膠為蛋白質的固定提供了一個良好的微環(huán)境。通過SEM、UV-vis以電化學循環(huán)伏技術對固定在水凝膠中的血紅蛋白進行了表征。紫外可見光譜研究結果表明固定于該復合物水凝膠中的血紅蛋白能很好地保持其二級結構。循環(huán)伏安實驗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為5.51±0.30 s-1。同時,固定于水凝膠膜中血紅蛋白保持了很好的生物活性,對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內呈良好的線性。相比于單獨的聚丙烯酰胺水凝膠,該復合物水凝膠固定的Hb膜具有更好的穩(wěn)定性。
　　 (2)通過π-π兀作用,利用DNA對單壁碳納米管(SWCNTs)進行功能化,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)伏安實驗表明固定于DNA-SWCNTs上HRP能成功地實現其直接電化學。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特性。所制備的HRP-DNA-SWCNTs/GC電極可以用來作為一個第三代H2O2生物傳感器。通過實驗詳細探討了pH以及檢測電位對該生物傳感器性能的影響。在最優(yōu)

6、檢測條件下,響應電流與H2O2的濃度在6.0×10-7～1.8×10-3M的范圍呈線性相關,最低檢測限達到了3.0×10-7M。該生物傳感器具有良好的重現性和穩(wěn)定性,并能用于實際樣品的檢測。
　　 (3)通過靜電相互作用,利用層層自組裝的方法,我們將負電荷的DNA-SWCNTs與正電荷的Hb組裝在電極表面,構筑了(Hb/DNA-CNTs)n多層膜。循環(huán)伏安實驗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、接電子轉移。其式電位與電解液的pH值呈線性關系,表明了Hb與電極之間的直接電子傳遞是一電子一質子的電化學反應。同時,固定于多層膜內的Hb能很好地保持其生物活性,對H2O2具有良好的催化性能。能用于構建無試劑的H2O2生物傳感器。這種基于酶和納米復合物材料之間的層層自組裝技術為構建無媒介體的生物傳感器提供了一種有效的方法,同時也為可控地構造功能性的納米結構生物界面提供了一個很好的實驗模型。
　　 (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,通過電沉積構建了一個靈敏的葡萄糖生物傳感器。BQ的電化學還原消耗了質子,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,GOD與IL也可以共沉積于電極表面。所構建的生物傳感器能快速地對葡萄糖響應(<5 s),在最優(yōu)實驗條件下,該生物傳感器具有很高的響應靈敏度(14.3

9、3μA mM-1 cm-2),是普通的平面金電極上所構建的生物傳感器的2.8倍。其檢測限達到了1.5×10-6 M,比普通的平面金電極上所構建的生物傳感器低20倍。同時,該生物傳感器具有很寬的線性范圍,良好的重現性,穩(wěn)定性以及較好選擇性,并能用于實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+復合物固定于GC電極表面。沉積于電極表面的DNA-Cu2+復合物對H2O2具有良好的電催化性

10、能。基于此我們構建了一個靈敏的無酶H2O2傳感器。為了獲得最大的靈敏度,通過實驗詳細研究了沉積液中Cu2+濃度和沉積時間等電沉積條件以及pH值和檢測電位等檢測條件對H2O2在DNA-Cu2+/GC電極上的響應電流的影響。在最優(yōu)條件下,該傳感器對H2O2響應的線性范圍為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,響應時間在4 s以內。相比于酶傳感器,所構建的無酶H2O2傳感器

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