基于納米材料構(gòu)建過氧化氫生物傳感器的研究.pdf

1、過氧化氫不僅是許多高選擇性氧化酶的催化反應產(chǎn)物，又是食品、藥物、環(huán)境分析中的重要成份。因此，快速、準確的檢測過氧化氫具有非常重要的意義。目前用于檢測過氧化氫的方法很多，如滴定法、分光光度法、化學發(fā)光法、高效液相色譜法以及電化學方法。其中，電流型酶生物傳感器，由于其方法簡單、靈敏度高以及選擇性高等優(yōu)點而被廣泛應用于過氧化氫的測定。酶的氧化還原活性中心與電極間的電子傳遞是制備酶電化學傳感器的基礎(chǔ)，可以通過兩種不同的途徑得以實現(xiàn)。其一是借助電

2、子介體，如何將電子介體有效固定于電極上，而不從電極的修飾層滲漏出來是非常重要的；其二是借助適合的材料實現(xiàn)酶與電極之間的直接電子傳遞。另一方面，生物活性分子的固定化是構(gòu)筑生物傳感器最關(guān)鍵的步驟，是影響生物傳感器的穩(wěn)定性、靈敏度和選擇性的關(guān)鍵因素?；诖?，本文利用比表面積大、表面自由能高的納米金和甲苯胺藍層層組裝，利用戊二醛作交聯(lián)劑使牛血清白蛋白與硫堇共價結(jié)合以實現(xiàn)了電子介體的有效固定，從而構(gòu)建了性能優(yōu)良的介體型過氧化氫傳感器。同時，還對碳

3、納米管與納米金、碳納米管與核一殼型納米球的復合物作為固酶基質(zhì)在生物傳感器領(lǐng)域的應用做了初步的探索和研究，基于酶在復合納米材料基質(zhì)上的直接電化學構(gòu)建了無介體型的第三代過氧化氫傳感器。具體研究工作如下： 1.基于層層自組裝納米金，甲苯胺藍膜修飾的過氧化氫生物傳感器的研究 在金電極表面自組裝一層半胱氨酸，然后吸附納米金(nano-Au)，以此為基底，通過靜電吸附作用和金一氮共價鍵合作用層層自組裝nano-Au和甲苯胺藍(TB)

4、，構(gòu)建了以多層{nano-Au/TB}n膜為載體固定辣根過氧化物酶(HRP)的過氧化氫生物傳感器。用循環(huán)伏安法和石英晶體微天平(QCM)技術(shù)對{nano-Au/TB}n膜的組裝過程進行了表征，并用原子力顯微鏡(AFM)對膜的表面形貌進行了表征。探討了工作電位、溫度、pH值對電極響應的影響，考察了電極的重現(xiàn)性、穩(wěn)定性及抗干擾能力。該傳感器具有響應快、線性范圍寬、檢出限低等特點。對H2O2響應的線性范圍為1.5×10-1mol/L～8.6x

5、10-3mol/L，檢測限為7.0x10-8mol/L，(S/N=3)。 2.基于硫堇-牛血清白蛋白復合物和納米金固定HRP的過氧化氫傳感器的研究 本文以戊二醛(GA)為交聯(lián)劑，首先將硫堇(Th)與牛血清白蛋白(BSA)共價交聯(lián)制備硫堇-牛血清白蛋白復合物(Th-BSA)，然后用硫堇的自由氨基(-NH2)固定納米金(nano-Au)，進一步再吸附HRP，從而構(gòu)建出一種新型的過氧化氫生物傳感器。nano-Au/Th-BSA

6、復合物具有良好的生物相容性，可提供良好的微環(huán)境保持酶的生物活性。固定于復合物中的硫堇能在HRP與電極間有效地傳遞電子。利用原子力顯微鏡(AFM)、X射線光電子能譜(xPS)、紅外光譜儀(IR)和電化學交流阻抗(EIS)表征了整個組裝過程。該傳感器對H2O2具有好的催化響應，且響應快。在優(yōu)化的實驗條件下，所制備的傳感器對H2O2的線性范圍為4.9x10-1～1.6×10-3mol/L,檢測限為2.1×10-7mol/L(S/N=3)，表觀

7、米氏常數(shù)為0.023 mmol/L。 3.基于多壁碳納米管和納米金固定血紅蛋白的第三代過氧化氫傳感器的研究 本文以蛋白質(zhì)為聯(lián)接劑，通過靜電吸附作用制得了碳納米管和納米金的復合材料。首先將純化的多壁碳納米管(MWNTs)修飾于玻碳電極(GC)表面，構(gòu)建負電荷的修飾界面，基于靜電吸附作用固定血紅蛋白(Hb)，然后再吸附納米金(nano-Au)，最后利用nano-Au再固定一層Hb，從而成功構(gòu)建了基于MWNTs和nano-Au

8、固定Hb的第三代過氧化氫傳感器-(Hb/nano-Au/Hb/MWNTs/GC)。用循環(huán)伏安法(CV)、電化學交流阻抗(EIS)以及透射電子顯微鏡-(TEM)對修飾電極進行了表征。Hb在修飾電極上實現(xiàn)了直接電子轉(zhuǎn)移。與僅基于碳納米管構(gòu)建的H2O2傳感器相比，該傳感器對H2O2的響應具有更寬的線性范圍和更低的檢測下限。其線性范圍為2.1×10-7～3.0x10-3mol/L，檢測限為8.0x10-8mol/L(S/N=3)，表觀米氏常數(shù)為

9、0.26mmo/L。此外，該傳感器還具有較快的響應速率、較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性。 4.基于多壁碳納米管，殼聚糖復合物及多層納米金，血紅蛋白修飾的過氧化氫傳感器 將多壁納米碳管(MWNTs)分散于殼聚糖(CS)中得到穩(wěn)定的CS-MWNTs復合物，然后將其滴涂于玻碳(GC)電極表面。利用CS豐富的氨基固定nano-Au，進一步靜電吸附血紅蛋白(Hb)。利用層層自組裝技術(shù)將帶相反電荷的nano-Au和Hb固定于CS-MWNTs復

10、合物上制各了基于MWNTs和多層Hb/nano-Au膜修飾電極。用循環(huán)伏安法(Cv)、紫外可見(UV-vis)吸收光譜法以及透射電子顯微鏡(TEM)對修飾電極進行了表征。研究了傳感器對H2O2的響應及動力學性質(zhì)，表觀米氏常數(shù)為0.19 mmol/L，線性響應范圍為5.0x10-7～2.0x10-3mol/L，檢測限為2.1×10-7mol/L，(S/N=3)。同時研究了pH值及應用電位對H2O2傳感器的影響。 5.基于有機硅，殼

11、聚糖核-殼納米球和多壁碳納米管復合物固定HRP的過氧化氫傳感器本文以多壁碳納米管(MWNTs)和核-殼結(jié)構(gòu)的有機硅，殼聚糖納米球(organosilica@chitosan)復合物作為固酶基質(zhì)，構(gòu)建了一種新型的無介體型過氧化氫生物傳感器。首先將MWNTs分散于荷正電荷的organosilica@chitosan的HAc懸浮液中，制備organosilica@chitosan/MWNTs復合材料，并將其直接滴涂在玻碳電極(GCE)表面。然

12、后通過organosilica@chitosan與帶相反電荷的辣根過氧化物酶(HRP)的靜電吸附作用固定}tRP制得HRP/organosilica@chitosan/MWNTs修飾電極。該傳感器對H2O2具有較好的電催化活性。其線性范圍為7.0x10-7～2.8x10-3mol/L，檢測限為2.5x10-7mol/L(S/N=3)，表觀米式常數(shù)為0.32 mmol/L。另外，該傳感器對H2O2還具有較快的響應速度，較好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性