基于功能化納米材料增敏效應(yīng)的電化學(xué)傳感界面的構(gòu)筑與研究.pdf

1、電化學(xué)生物傳感器是一種將電化學(xué)分析與生物技術(shù)研究相結(jié)合而發(fā)展起來的一門學(xué)科。是將具有分子識別能力的生物活性材料(如酶、抗體等)與物理化學(xué)換能器有機(jī)組裝而成。在生物傳感器的研制過程中,生物敏感元件的固定方法和同載材料的選擇尤為重要。基于此,本文致力于新型的復(fù)合納米材料用于酶和免疫傳感界面的構(gòu)建以及固酶技術(shù)等方面進(jìn)行了一系列探索性的研究。具體研究工作如下:
　　 1.基于氨基端基有機(jī)硅納米球功能化的普魯士藍(lán)為媒介的葡萄糖生物傳感器的

2、研究
　　 在介體型酶生物傳感器的研制過程中,電子媒介體易從電極表面滲漏到測試底液中,造成電化學(xué)信號不穩(wěn)定,從而影響測定的穩(wěn)定性和靈敏度,已成為制約其發(fā)展的瓶頸。為解決這個問題,電子媒介體-普魯士藍(lán)(PB),被有機(jī)硅納米球保護(hù)起來,形成有機(jī)硅納米球功能化的普魯士藍(lán)(OSiFPB),通過增加PB的分子量和包埋的方法來防止其滲漏。該材料兼具PB的電化學(xué)性質(zhì),呈現(xiàn)出良好的氧化還原特性。以此為電化學(xué)探針,來跟蹤指示傳感器制備過程中界面的

3、電化學(xué)特征以及葡萄糖催化反應(yīng)的進(jìn)程。并結(jié)合比表面積大、吸附力強(qiáng)、生物親和性好等優(yōu)點的正電荷納米金(PGNs),構(gòu)建了PGNs/OSiFPB復(fù)合膜修飾葡萄糖氧化酶(GOD)的葡萄糖生物傳感器。PGNs的引入不僅使GOD牢固的固定在電極表面,并且還可以很好的保持酶的生物活性。同時也起到了納米導(dǎo)線的作用,加快OSiFPB在氧化還原過程中電子轉(zhuǎn)移的速率。該傳感器具有穩(wěn)定性佳、靈敏度高的優(yōu)點,實現(xiàn)了對葡萄糖快速、靈敏的測定。
　　 2.基

4、于合金功能化的硅納米纖維和凝集素-糖蛋白為復(fù)合固載基質(zhì)的擬雙酶葡萄糖生物傳感器的研究
　　 通過化學(xué)合成的方法解決媒介體滲漏的方法有效,但是合成步驟較繁瑣。為了簡化試驗程序,設(shè)計了一種具有獨特的電學(xué)和光學(xué)特性的有機(jī)半導(dǎo)體材料——氨基化的苝四甲酸(PTC-NH2),直接覆蓋在PB的表面,形成結(jié)構(gòu)鑲嵌、穩(wěn)定性好的有機(jī)-無機(jī)氧化還原復(fù)合膜(PTC-NH2/PB)。同時,合成了一種全新的納米復(fù)合物——金鉑合金功能化的硅納米纖維(GP-S

5、NFs)為電極增敏材料,并組裝在表面含有豐富氨基官能團(tuán)的PTC-NH2表面。然后通過GP-SNFs強(qiáng)的表面作用力將半刀豆球蛋白A(Con A)捕獲住電極表面,最后,結(jié)合凝集素-糖蛋白高的特異性吸附作用將葡萄糖氧化酶(GOD)固定在電極上。該傳感器具有穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)、線性范圍寬、檢測限低等特點。該工作具有二個特點:一是PTC-NH2/PB復(fù)合膜氧化還原活性強(qiáng),導(dǎo)電性好,且比表面積大、表面活性位點多等優(yōu)點,是一種極佳的電極修飾材料;

6、二是由于GP-SNFs大的比表面積。提高了蛋白酶的負(fù)載量,同時為酶的固定提供了良好的微環(huán)境,保持酶的生物活性,所以提高了生物傳感器的響應(yīng)性能;三是從酶的固定方法考慮。采用了凝集素-糖蛋白特異性識別的方法對GOD進(jìn)行固載,形成一層定向有序復(fù)合膜,這種固定方法更好地維持了酶的三維空間紿構(gòu),使酶分子較好的保持原有的構(gòu)型。
　　 3.基于鉑納米顆粒負(fù)載的碳納米管和糖蛋白-凝集素特異作用構(gòu)建葡萄糖生物傳感器的研究
　　 基于直接電

7、催化的第三代生物傳感器。無需引入電子媒介體,故無需考慮其滲漏對樣品造成污染的問題。但是由于氧化還原蛋白和酶的反應(yīng)活性中心深埋在分子內(nèi)部,難以和電極表面進(jìn)行直接電子傳輸。合成了一種導(dǎo)電性優(yōu)良的納米鉑負(fù)載碳納米管的雜化材料(Ptnano-CNTs),扮演“分子導(dǎo)線”的角色,并結(jié)合層層自組裝(LBL)技術(shù)和凝集素-糖蛋白特異性吸附作用將GOD固定在電極表面,成功地實現(xiàn)了GOD的直接電子傳輸。研究結(jié)果表明,幾種物質(zhì)的協(xié)同作用使得蛋白質(zhì)分子在保持

8、良好生物活性和電化學(xué)活性的同時,還提高了氧化還原蛋白質(zhì)與電極之間的電子交換速度,從而制備具有高靈敏度、低檢測限和高穩(wěn)定性的葡萄糖生物傳感器。
　　 4.基于葡萄糖氧化酶的直接電子轉(zhuǎn)移為媒介的無試劑電流型CA15-3免疫傳感器的研究
　　 在傳統(tǒng)的電化學(xué)免疫傳感器構(gòu)建中,大多需引用電子媒介體作為組裝和檢測進(jìn)程中的跟蹤試劑,但是其存在造成步驟繁瑣、污染樣品和信號不穩(wěn)定等缺點。基于此,利用GOD自身電子轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的氧化還原峰為電

9、化學(xué)探針,來實現(xiàn)直接對CA15-3抗原分子的定量檢測，設(shè)計了一種真正無試劑無媒介型的免疫傳感器。將碳納米管用有機(jī)硅納米球分散,制得殼聚糖納米球包覆的功能化碳納米管復(fù)合材料(CNTs-OrgSi@CS)為電極基底。同時,采用鉑納米簇(Pt NCs)來增加界面的導(dǎo)電性,由于其粒徑和酶的大小很接近,更能接近酶的氧化還原中心,極大地提高了酶與電極之間的電子轉(zhuǎn)移速率,增加響應(yīng)的靈敏度。在Pt NCs/CNTs-OrgSi@CS納米復(fù)合膜的協(xié)同作用

10、F,GOD產(chǎn)生了一對對稱性好、可逆性強(qiáng)、電流值大的氧化還原峰。然后,將CA15-3抗體通過Pt NCs連接在GOD的表面,我們以這對氧化還原峰為跟蹤電信號,來考察不同濃度的抗原捕獲上去的電流值的變化,進(jìn)而來實現(xiàn)對抗原的定量檢測。另外,使用GOD為封閉劑,封閉免疫電極上的非特異性吸附位點,并同時利用GOD的生物催化放大作用放大響應(yīng)電流信號,進(jìn)一步提高免疫傳感器靈敏度的新方法。經(jīng)實驗研究證明,該方法操作簡單,切實可行,與常規(guī)的方法相比,該免

11、疫生物傳感器更靈敏、穩(wěn)定、清潔、綠色。
　　 5.基于"Click"化學(xué)和磁性金納米殼協(xié)同作用的超靈敏葡萄糖生物傳感器的應(yīng)用研究
　　 致力于酶固定方法的研究。"click"化學(xué),其反應(yīng)具有較高立體選擇效和高控制性,常用于有機(jī)或醫(yī)藥合成試驗中。本研究中將"click"化學(xué)作為酶的固載技術(shù),并用于傳感器的制備過程。為了進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度,合成了磁性金納米殼(Au@Fe3O4)為修飾電極的增敏材料,并嫁接在新型的碳材料

12、石墨烯表面,然后和離子液體.殼聚糖溶液混合(ILs-CS-Gra-Au@Fe3O4)。借助"click"化學(xué),在Cu(Ⅰ)的催化作用下,將疊氮化的ILs-CS-Gra-Au@Fe3O4和炔基化的GOD進(jìn)行"click"反應(yīng),構(gòu)建了高靈敏的葡萄糖生物傳感器。通過"click"化學(xué),實現(xiàn)了對酶蛋白的成功固載。此方法反應(yīng)條件溫和,能夠很好的保持酶的生物活性并增加酶的固載量和牢固性,成功的實現(xiàn)了酶自身的直接電子轉(zhuǎn)移過程。較之傳統(tǒng)的固定方法而言,