基于功能性納米材料的電化學(xué)生物傳感器研究.pdf

1、生物傳感器作為一門(mén)涉及化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)以及電子學(xué)等領(lǐng)域的交叉學(xué)科，在臨床醫(yī)學(xué)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。作為多學(xué)科交叉技術(shù)，生物傳感技術(shù)必將成為21世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中介于信息和生物技術(shù)之間的新增長(zhǎng)點(diǎn)。在生物傳感器的發(fā)展進(jìn)程中，電化學(xué)生物傳感器是其中十分重要的一類。而納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展為納米材料在分析領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)辟了新的思路，各種具有特殊性質(zhì)的納米材料的應(yīng)用推動(dòng)了化學(xué)和生物傳感器的迅速發(fā)展。納米材料的獨(dú)特

2、性質(zhì)與生物分子的識(shí)別作用相結(jié)合，大大提高了生物傳感器的各方面性能。所以開(kāi)辟納米材料的新功能和拓展其在電化學(xué)生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，都有可能對(duì)生物分析化學(xué)產(chǎn)生巨大的影響。
　　本論文利用納米材料的特性，將之與生物大分子的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，同時(shí)采用電化學(xué)分析方法與原理，制備用于研究水相和非水相檢測(cè)的新型生物電化學(xué)傳感器。主要內(nèi)容分為以下五章：
　　第一章，主要介紹了納米材料在生物傳感器中的應(yīng)用進(jìn)展，著重對(duì)納米材料在電化學(xué)生物傳感器研究中的

3、應(yīng)用進(jìn)行了綜述，并在此基礎(chǔ)上提出了論文的研究目的及研究思路，即利用功能化納米材料構(gòu)建水相和非水相的電化學(xué)生物傳感器。
　　第二章，多層納米沸石固定的細(xì)胞色素c在水相和有機(jī)相的電化學(xué)行為研究。我們將納米沸石與聚合物電解質(zhì)通過(guò)靜電相互作用，利用層層組裝技術(shù)(layer-by-layer，LbL)修飾到氧化錫銦(ITO)電極表面。這在電極表面構(gòu)建了具有大比表面積、生物相容性良好的微環(huán)境，再將其用于吸附細(xì)胞色素c，考察該固定化生物酶的電化

4、學(xué)行為。高負(fù)載量的電化學(xué)活性蛋白無(wú)論是在水溶液還是非水介質(zhì)中，都實(shí)現(xiàn)了與電極之間良好的直接電子傳遞，異相電子轉(zhuǎn)移常數(shù)的結(jié)果證明納米沸石的負(fù)載促進(jìn)了蛋白與電極之間的電子轉(zhuǎn)移；而利用電化學(xué)表征手段，研究了細(xì)胞色素c氧化還原電位在不同溶劑之間的差異，通過(guò)氧化還原過(guò)程的熱力學(xué)參數(shù)的測(cè)定，表明電位的差異性是由反應(yīng)過(guò)程中的焓變和熵變導(dǎo)致的。結(jié)果顯示固定化蛋白在水相與非水相之間電化學(xué)響應(yīng)的差異性是可逆的，這主要?dú)w因于納米沸石對(duì)生物酶的保護(hù)作用，由此進(jìn)

5、一步拓展了納米材料在非水相生物電分析及生物傳感器的應(yīng)用。
　　第三章，基于石墨烯修飾電極的NADH和乙醇的生物電化學(xué)傳感研究。我們基于Staudenmaier方法，在聯(lián)氨條件還原得到石墨烯及其氧化物。通過(guò)X射線衍射表征，證實(shí)了石墨烯及其氧化物呈現(xiàn)出單層分子結(jié)構(gòu)。我們將石墨烯片層材料修飾到玻碳電極表面，通過(guò)與傳統(tǒng)石墨修飾電極與裸玻碳電極相比較，石墨烯表現(xiàn)出更好的電子傳遞能力，并在NADH表現(xiàn)出良好的電化學(xué)催化能力，在此基礎(chǔ)上，我們又

6、將乙醇脫氫酶固定到電極表面，構(gòu)建了乙醇生物傳感器，該傳感器對(duì)乙醇有良好而穩(wěn)定的響應(yīng)，在0.2mM～21mM濃度范圍內(nèi)呈線性響應(yīng)關(guān)系，檢測(cè)限達(dá)到0.025mM，同時(shí)對(duì)實(shí)際樣品中的乙醇含量做出了準(zhǔn)確的檢測(cè)。這些結(jié)果表明，石墨烯的高電化學(xué)活性和良好的生物相容性有望使其成為未來(lái)設(shè)計(jì)生物電化學(xué)傳感器的理想材料。
　　第四章，基于電化學(xué)信號(hào)介導(dǎo)的特異性識(shí)別凝血酶的電化學(xué)生物傳感器的研究。利用核酸適配子將單臂碳納米管進(jìn)行功能化修飾，然后再將其作

7、為電化學(xué)信號(hào)介導(dǎo)構(gòu)建新型凝血酶電化學(xué)生物傳感器。相對(duì)于共價(jià)修飾碳納米管或核酸適配體標(biāo)記的方法，該功能化策略可以很好的保留核酸適配體的活性和碳納米管的電化學(xué)性能。在實(shí)驗(yàn)中，我們將制備好的aptamer-SWNT用于電化學(xué)信號(hào)介導(dǎo)，當(dāng)目標(biāo)蛋白存在時(shí)，核酸適配體從碳納米管表面剝離，碳納米管則被可控的組裝到單層16-巰酸分子修飾的金電極表面。吸附的碳納米管可以介導(dǎo)并放大電極與溶液中分子探針之間的電化學(xué)信號(hào)，這樣就產(chǎn)生了較強(qiáng)的電化學(xué)信號(hào)。由于空白