基于碳納米管及離子液體增敏效應(yīng)的電化學(xué)生物傳感器：研制、表征與應(yīng)用.pdf

1、電化學(xué)傳感器采用電極作為換能元件，具有便攜、成本低、靈敏度高、穩(wěn)定性良好等優(yōu)點(diǎn)，被分析化學(xué)工作者寄予厚望。電化學(xué)生物傳感器由生物材料作為敏感元件，以電勢(shì)、電導(dǎo)(電阻)或電流為特征榆測(cè)信號(hào)，具有高度選擇性，是快速、直接獲取復(fù)雜體系組成信息的理想分析工具。以納米結(jié)構(gòu)材料為媒介體，通過(guò)對(duì)生物分子或電極進(jìn)行修飾，設(shè)計(jì)新穎的、功能化的納米仿生界面進(jìn)行生物界面與電極之間的信息轉(zhuǎn)換的研究己遍布整個(gè)生物電化學(xué)研究領(lǐng)域并值得人們進(jìn)一步付出更多的努力。

2、 碳納米管(CNTs)具有比表面積大、電荷傳遞能力強(qiáng)、吸附性好、生物相容性好和催化能力強(qiáng)等優(yōu)良特性。室溫離子液體(RTILs)不但可用作溶劑，又可作為支持電解質(zhì)，具有電化學(xué)窗口寬、能促進(jìn)電子傳遞、高離子導(dǎo)電性和良好的生物相容性等特點(diǎn)。特別是，RTILs與CNTs的結(jié)合有利于它們電分析化學(xué)優(yōu)異特性的進(jìn)一步發(fā)揮，為新型電化學(xué)傳感器和電化學(xué)生物傳感器的制備展現(xiàn)了美好前景。 本論文所作研究工作的重要目的是高靈敏度、高實(shí)用性電化學(xué)傳感

3、器和電化學(xué)生物傳感器的制備與應(yīng)用。其中提高常用電極的電分析化學(xué)性能是實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)目標(biāo)。為此，CNTs被用作修飾電極的材料或者被用來(lái)制備陣列電極。結(jié)合RTILs的電分析化學(xué)特性，論文還構(gòu)建了一種可用于超痕量檢測(cè)的三明治模式。在以上基礎(chǔ)上，對(duì)多種重要分子進(jìn)行了電化學(xué)研究與檢測(cè)。 全文包括十個(gè)章節(jié)。 第一章為文獻(xiàn)綜述，對(duì)研究背景和選題依據(jù)進(jìn)行綜述。 第二章至第六章的主要內(nèi)容為脫氧核糖核酸(DNA)在高敏電極上的電化學(xué)研究

4、。DNA是生物體內(nèi)遺傳信息的攜帶者、基因表達(dá)的物質(zhì)基礎(chǔ)，在生物的生長(zhǎng)、發(fā)育和繁殖過(guò)程中起著十分重要的作用。對(duì)DNA的研究是生命科學(xué)研究中的一個(gè)極其重要的方面。就DNA檢測(cè)與分析而言，電化學(xué)方法擁有許多方面的優(yōu)勢(shì)，比如高靈敏度、低檢測(cè)限、快反應(yīng)速度、低費(fèi)用、微樣品需求量等?；诟叨褥`敏的修飾電極或CNTs陣列電極，DNA及相關(guān)分子的伏安行為得到了研究。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)通過(guò)兩種途徑對(duì)源于轉(zhuǎn)基因生物的特殊序列DNA片段進(jìn)行了檢測(cè)。 第

5、二章：預(yù)處理過(guò)的多壁碳納米管(MWNTs)修飾玻碳電極的制備(涂膜法)與表征和脫氧鳥苷三磷酸(dGTP)在修飾電極上的電化學(xué)行為及檢測(cè)。在修飾電極上dGTP的氧化峰電位較之在裸玻碳電極上負(fù)移0.108V；峰電流較之在裸玻碳電極上具有顯著地增加。電子轉(zhuǎn)移系數(shù)α為0.50。電極反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)速率常數(shù)ks為0.16s-1。 第三章：構(gòu)建聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)與電化學(xué)伏安技術(shù)相結(jié)合的檢測(cè)模式用于特殊序列基因研究。以鐵氰化鉀和亞甲基藍(lán)(MB)

6、為電化學(xué)探針，表征結(jié)果表明羧基化短單壁碳納米管(S—SWNTS)修飾玻碳電極具有非常優(yōu)良的電分析化學(xué)性能。以之為換能器微分脈沖伏安(DPV)檢測(cè)PCR反應(yīng)前后混合液中游離dGTP的濃度變化，掘結(jié)果得到PCR擴(kuò)增反應(yīng)是否成功的信息，從而推測(cè)出模板DNA中目標(biāo)基因的存在與否，建立一種低費(fèi)用、快捷的轉(zhuǎn)基因生物鑒定模式并應(yīng)用于轉(zhuǎn)基因生物實(shí)際樣品，所得結(jié)果與用凝膠電泳法測(cè)定所得結(jié)果一致。 第四章：S—SWNTs與疏水性室溫離子液體(RTI

7、L)-1—丁基-3—甲基咪唑六氟磷酸鹽(BMIMPF6)研成膠，修飾在玻碳電極上制備修飾電極S—SWNT&RTIL/GCE。以鐵氰化鉀、抗壞血酸(AA)和MB為電化學(xué)探針表征結(jié)果表明，該修飾電極具有優(yōu)異的電催化性能和富集效應(yīng)。單鏈DNA(ssDNA)在其上具有靈敏的伏安響應(yīng)，于0.532V和0.808V處分別出現(xiàn)鳥嘌呤堿基和腺嘌呤堿基的氧化峰。鳥嘌呤堿基和腺嘌呤堿基在S—SWNT&RTIL/GCE上的電極反應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)速率常數(shù)k's分別為1.

8、84×10-2 s-1和3.69×10-2 s-1。 第五章：把S—SWNTs與BMIMPF6混合起來(lái)制備一種新型糊電極(S—SWNT/ILPE)。與以石蠟為粘合劑制備的S—SWNT糊電極(S—SWNT/oil PE)相比，該新型電極對(duì)多種電化學(xué)探針都具有更好的電催化活性和富集效應(yīng)。ssDNA在其上具有非常靈敏的催化氧化伏安響應(yīng)。利用鳥嘌呤堿基的DPV信號(hào)，寡核苷酸的濃度檢測(cè)限可達(dá)9.9 pmol/L。該電極呵以準(zhǔn)確指示出一定濃

9、度范圍內(nèi)寡核苷酸中鳥嘌呤堿基或腺嘌呤堿基的個(gè)數(shù)。 第六章：在活化劑1—乙基-3—(3—二甲基氨丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)和N—羥基琥珀酰亞胺(NHS)存在下，以乙二胺為鏈接劑，羧基化的S—SWNTs被垂直組裝在玻碳電極表面，構(gòu)建成陣列修飾電極(SWNTE)。基于ssDNA與SWNTs的特殊相互作用機(jī)理，探針ssDNA被非共價(jià)固定在SWNTE上。鳥嘌呤堿基和腺嘌呤堿基都具有靈敏的微分脈沖伏安響應(yīng)。與互補(bǔ)ssDNA雜交后所形成的

10、dsDNA在負(fù)電位等因素的幫助下離開(kāi)SWNTE，造成鳥嘌呤堿基和腺嘌呤堿基的氧化峰電流降低。據(jù)此檢測(cè)特殊序列基因片段。通過(guò)超聲洗滌，該免指示劑雜交傳感器表面可以很方便地更新，可快捷、靈活地運(yùn)用于不同靶基因的檢測(cè)。 第七章到第十章內(nèi)容為高靈敏度CNTs修飾電極及三明治檢測(cè)法在其它一些與環(huán)境和生命相關(guān)的重要分子的研究中的應(yīng)用。 第七章：以具有寬電化學(xué)窗口的疏水性RTIL—BMIMPF6為膜材料，將待檢測(cè)的目標(biāo)物質(zhì)封在S—SW

11、CNT/GCE的表面，實(shí)驗(yàn)建立了一種三明治結(jié)構(gòu)的電化學(xué)伏安檢測(cè)模式。該模式具有高的靈敏度、精密度和穩(wěn)定性，對(duì)于樣品量較少的痕量檢測(cè)尤其具有現(xiàn)實(shí)意義。將之應(yīng)用于AA和多巴胺(DA)的檢測(cè)，檢測(cè)限分別可低達(dá)400fmol和80fmol，且可以用于在大量AA存在的情況下選擇性測(cè)定DA。 第八章：研究了鳥嘌呤在S—SWNT/GCE上發(fā)生的電催化氧化特性，根據(jù)其氧化電位對(duì)支持電解質(zhì)溶液的pH值具有靈敏的響應(yīng)，制備了以鳥嘌呤為指示劑的固體電

12、位型pH傳感器。該傳感器制備簡(jiǎn)單、使用方便，在優(yōu)化各種影響因子后，于pH2.0-12.0范圍內(nèi)具有寬的線性響應(yīng)。酸堿滴定終點(diǎn)具有較明顯的突躍。 第九章：運(yùn)用三明治模式把富勒烯C60和富勒烯C60納米管(FNTs)分別封在S—SWCNT/GCE的表面，考察了常溫下該結(jié)構(gòu)在B—R緩沖溶液中的伏安行為，并對(duì)富勒烯C60和FNTs的電極過(guò)程從機(jī)理上進(jìn)行了推測(cè)。此外，基于DNA和FNTs的相互作用，實(shí)驗(yàn)制備了在水溶液中分散性較好的FNTs

13、，將之修飾在GCE表面，進(jìn)一步研究了FNTs的電極過(guò)程機(jī)理。該修飾電極在堿性支持電解質(zhì)中還原后能夠明顯增大DA和AA的氧化峰電位間距，使兩峰能夠完全分開(kāi)，從而可以在共存時(shí)進(jìn)行選擇性檢測(cè)。 第十章：研究了AA在MWNT/GCE上的電催化氧化行為。在pH4.0的B—R緩沖溶液中首次得到AA兩個(gè)分離良好的氧化峰。根據(jù)AA分子與表面羧基化的MWNTs柏結(jié)合后的電子傳遞性質(zhì)對(duì)AA的兩個(gè)氧化峰進(jìn)行了初步解釋。應(yīng)用MWNT/GCE對(duì)AA以微分