新型納米材料作敏感界面的電化學(xué)生物傳感器.pdf

1、生物傳感器是一個(gè)典型的多學(xué)科交叉產(chǎn)物,是分析生物技術(shù)的重要領(lǐng)域之一,經(jīng)過30多年的發(fā)展,已經(jīng)成為一個(gè)涉及內(nèi)容廣泛、多學(xué)科介入和交叉、充滿創(chuàng)新活力的領(lǐng)域。電化學(xué)生物傳感器研究?jī)?nèi)容十分豐富,一直處于生物傳感器的主導(dǎo)地位,取得大量研究成果,并已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。納米技術(shù)的引入,使生物傳感器的研究發(fā)展到更加高級(jí)的階段,表現(xiàn)在性能的極大提升。納米材料的納米效應(yīng)所帶來的大比表面積、良好化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性、強(qiáng)吸附能力等特性能顯著改善生物傳感器敏感元

2、件的固定與信號(hào)放大。本論文從組裝有序納米體系出發(fā),采用模板法和種子法,構(gòu)建性能優(yōu)良的新型電化學(xué)生物傳感界面,以提高生物分子的固定效率、有序取向和保持良好的生物活性,同時(shí)提供良好的電子傳遞。所發(fā)展的生物傳感器具有制備方法簡(jiǎn)單,性能優(yōu)良,可靠性良好,再生容易等優(yōu)點(diǎn)。具體內(nèi)容如下:
　　 (1)利用聚碳酸酯模板的空間阻礙和導(dǎo)向作用,直接在玻碳電極表面電沉積三維有序金納米簇;并以人IgG為分析模型,將該修飾電極用于構(gòu)建夾心免疫電化學(xué)傳感

3、器。電沉積金納米簇提供了直接的蛋白分子固定和電子傳遞界面,而不需要任何再修飾和有序調(diào)節(jié)。掃描電鏡、循環(huán)伏安、交流阻抗等方法被用于研究修飾界面的特性。所制備的金納米簇具有穩(wěn)定性好、比表面積大、生物相容性和電子傳遞性能好的特點(diǎn)。在優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)條件下,人IgG的檢測(cè)線性范圍為1 ng/mL至10μg/mL,覆蓋四個(gè)數(shù)量級(jí),檢測(cè)下限為0.5 ng/mL(3 S/N)。校準(zhǔn)曲線為二次擬合曲線(R2=0.9914)。基于金納米簇免疫傳感器具有組裝方法

4、簡(jiǎn)單、響應(yīng)快速、檢測(cè)下限低、線性范圍寬、容易再生、重現(xiàn)性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)(第2章)。
　　 (2)利用聚碳酸酯模板結(jié)合電沉積方法首次合成了平均直徑約200 nm,長(zhǎng)度約5μm的聚甲苯胺藍(lán)納米線(PTBNWs)。采用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡進(jìn)行形貌表征。辣根過氧化物酶(HRP)通過原位電聚合,包埋在聚甲苯胺藍(lán)納米線中(PTBNWs-HRP),應(yīng)用于過氧化氫電化學(xué)生物傳感器。在PTBNWs-HRP修飾的玻碳電極催化過氧化氫的還

5、原反應(yīng)中,PTBNWs作為優(yōu)良的氧化還原電子媒介在HRP和GC之間展現(xiàn)出高效率的電子傳遞,此傳感器對(duì)過氧化氫的線性范圍為1μM至28 mM,線性相關(guān)系數(shù)為0.996,檢測(cè)下限為1μM(3 S/N),響應(yīng)時(shí)間小于5 s(第3章)。
　　 (3)提出了一種簡(jiǎn)單、生物友好型的基于羥基磷灰石納米線陣列(HANWA)的生物傳感器制備方法。采用模板法電化學(xué)沉積,制備了生物相容性好、表面積大,具有空間取向和大量吸附位點(diǎn)的HANWA,并將之應(yīng)用

6、于氰化物生物傳感器的構(gòu)建。排列有序的羥基磷灰石納米陣列由平均直徑為200 nm,長(zhǎng)度為1μm的呈垂直分布的羥基磷灰石納米線組成。辣根過氧化物酶(HRP)通過殼聚糖(CHIT)包埋固定于羥基磷灰石納米線陣列表面,利用氰化物對(duì)HRP活性的抑制作用實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)物的電化學(xué)測(cè)定。這種有機(jī)/無機(jī)復(fù)合材料不僅可以使酶生物分子與底物充分接觸,同時(shí)使固定的酶保持良好的生物活性。分布密集的羥基磷灰石納米線陣列具有大比表面積和大量吸附位點(diǎn),是優(yōu)良的電化學(xué)生物傳

7、感界面。該HANWA/CHIT-HRP氰化物生物傳感器具有空間取向好、檢測(cè)靈敏(檢測(cè)下限達(dá)0.6 ng/mL)、響應(yīng)快、再生迅速的優(yōu)點(diǎn)。這種新的分析裝置有望應(yīng)用于環(huán)境和食品工業(yè)中的毒物監(jiān)測(cè)(第4章)。
　　 (4)首次將種子法運(yùn)用于鐵氰化鈷納米顆粒(CoNPs)的生長(zhǎng)。以粒徑為3.5 nm的金顆粒作為種子,以多壁碳納米管(MWCNTs)作為生長(zhǎng)支架,成功制備CoNPs/CNTs修飾玻碳電極,該復(fù)合納米材料對(duì)還原過氧化氫具有協(xié)同作

8、用。通過會(huì)種子,一步法合成CoNPs,不需其它偶聯(lián)試劑的情況下修飾在玻碳電極上,修飾方法簡(jiǎn)單,巧妙地發(fā)揮了鐵氰化鈷的電化學(xué)屬性。固定葡萄糖氧化酶,該傳感界面可用于葡萄糖傳感器。CoNPs的形成是在小金種納米顆粒上的化學(xué)沉積過程。金納米種子橋連了鐵氰化鈷納米顆粒和碳納米管從而形成一種巧妙的納米復(fù)合物。球形CoNPs比較均勻的分散于碳納米管三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中,平均粒徑為100 nm。在沒有金種子的控制實(shí)驗(yàn)中,鐵氰化鈷形成連續(xù)的薄膜,其尺寸遠(yuǎn)大于

9、納米水平,催化性能也大大減弱。該合成/制備/修飾方法簡(jiǎn)單、快速,無需預(yù)先制備鐵氰化鈷納米顆粒和費(fèi)時(shí)的交聯(lián)過程。實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了種子量、碳納米管量及生長(zhǎng)時(shí)間、生長(zhǎng)溶液的濃度。采用了掃描電鏡(SEM)和電化學(xué)方法進(jìn)行表征(第5章)。
　　 (5)提出了一種以金納米顆粒(AuNPseed)作為種子,復(fù)合碳納米管與鉑納米顆粒修飾電極的新方法。首先將3.5 nm的納米金溶液滴加在修飾了碳納米管(CNT)的電極表面,然后將電極浸泡到含氯鉑酸和抗壞

10、血酸的溶液中原位還原生長(zhǎng)鉑納米顆粒(PtNP)。采用電沉積方法固定葡萄糖氧化酶,所制得的AuNPseea/PtNP/CNT葡萄糖電化學(xué)傳感器具有靈敏度高(4.49μA mM-1)、響應(yīng)快速(2 s),檢測(cè)限低(0.5μM)和線性范圍寬(1μM-4 mM)等優(yōu)點(diǎn)。該修飾方法為設(shè)計(jì)其他基于氧化酶的電化學(xué)傳感器提供了一種思路(第6章)。
　　 (6)提出了一種基于珊瑚狀納米金高靈敏檢測(cè)生物小分子的亞甲基藍(lán)嵌入式可再生適配子電化學(xué)傳感器

11、。金電極首先組裝己二硫醇,接著組裝納米金(12 nm),然后放入生長(zhǎng)溶液(含氯金酸、十六烷基溴化氨和煙酰胺腺嘌呤二核苷酸)使12 nm金種生長(zhǎng),用于固定捕獲探針。以腺苷為分析模型,通過電化學(xué)阻抗、交流伏安、掃描電化學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和表面增強(qiáng)拉曼散射等手段研究修飾界面的性質(zhì)。闡述了電化學(xué)信號(hào)的產(chǎn)生緣于腺苷和亞甲基藍(lán)競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合適配子的機(jī)理。該生物傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):靈敏度高、選擇性好、檢測(cè)范圍寬(4個(gè)數(shù)量級(jí))、檢測(cè)下限低(1 nM)、