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基于纳米金属氧化物固定血红蛋白酶的直接电化学研究

徐静  
【摘要】:自从1967年Updik和Hicks研制了第一支以铂电极为基体的葡糖糖生物传感器以来,由于制作方法简单、灵敏度好等优点,酶生物传感器受到了人们的广泛关注并得到迅猛发展。目前,酶生物传感器已经能测定多种物质,由于H202是很多工业过程的原料或是中间产物,同时也是生物体内氧化还原反应的副产物,因此对其含量的测定在工业领域、环境检测、生物化学等领域已成为研究的热门之一。由于Hb的氧化还原活性和工业用途,所以通常被用来构造过氧化氢生物电极。然而,它们的氧化还原中心通常深深的埋藏的蛋白质内部,很难进行蛋白质和电极之间的电子转移。因此,选择合适的材料保持酶的活性并促进直接电子传递成为当前传感器发展的趋势。本学位论文将二氧化锆微球和海藻酸钠、石墨烯和纳米氧化锌球、针状氧化锌晶须-海藻酸钠以及空心二氧化锌球与血红蛋白组装到电极表面成功构建了传感器。构建的传感器不仅实现了直接电化学行为,还实现了在低电位下对过氧化氢快速灵敏的检测。基于此,本文主要研究工作如下: (1)基于二氧化锆空心微球和海藻酸钠薄膜固定血红蛋白的直接电化学和电催化研究 由具有生物相容性的二氧化锆空心球(HZMS)和海藻酸钠(SA)成功构造了过氧化氢生物传感器,并对二氧化锆空心微球形貌、大小进行了透射显微镜的表征。红外光谱和紫外可见光谱表明,血红蛋白(Hb)在ZHMS中保留其天然结构。血红蛋白酶在电位为-0.15 V,pH值为7.0 PBS中,得到一对稳定的准可逆氧化还原峰。电子转移的表观速率常数为1.15 s-1,快的电子传递速率说明HZMS具有独特的纳米结构和大的比表面积。构造的生物传感器线性范围为(1.75×10-6 mol/L-4.9×10-3 mol/L),检测限为(6×10-7mol/L(S/N=3)。该传感器具有宽的线性范围、高的灵敏度、好的重现性和稳定性。 (2)基于石墨烯和纳米氧化锌增强血红蛋白的直接电化学和电催化行为的研究 石墨烯和纳米氧化锌复合膜被用于固定血红蛋白,并成功制备了过氧化氢传感器。对复合膜的形貌和大小进行了透射电镜表征。复合物的紫外光谱表明了,Hb在复合膜中保持了其天然的结构。在pH 6.5的PBS中得到了一对稳定的准可逆氧化还原峰且Hb对过氧化氢有极好的生物电催化活性。电子转移速率常数是1.0s-1,说明了石墨烯增强了电极和Hb之间的电子转移速率。传感器在1.8μmol/L到2.3 mmol/L范围内成线性关系,检测下限为0.6μmol/L(S/N=3),米氏常数为1.46 mmol/L。制备的生物传感器具有灵敏度高、重现性好、稳定性好等优点。 (3)基于针状氧化锌晶须-海藻酸钠复合膜固定血红蛋白的过氧化氢生物传感器的研究 一种具有生物相容性的针状氧化锌晶体(AZW)被成功制备,并利用针状氧化锌晶体和海藻酸钠(SA)复合物为固酶基质,成功构建了高性能的过氧化氢传感器。通过扫描电子显微镜(SEM)研究了其形态和大小。紫外可见光谱表明,针状氧化锌晶体和海藻酸钠复合膜中保持了血红蛋白(Hb)的天然结构。电子转移系数(α)和电子转移的表观速率常数(ks)分别为0.5和2.5s-1,表明针状氧化锌晶体特殊的结构和大的表面积提高血红蛋白和修饰电极之间的电子转移速率。该传感器在线性范围2.1μmol/L-4.8 mmol/L,检出限为0.7μmol/L(S/N=3),表观米氏常数为0.8 mmol/L。该传感器具有灵敏度高,重现性好,长期稳定,成本低等优点。 (4)基于氧化锌空心球固定血红蛋白的过氧化氢生物传感器的研究 一种新型过氧化氢生物传感器是由氧化锌空心球(ZHS)吸附血红蛋白(Hb)构造成的。氧化锌空心球具有很好的生物兼容性,为Hb提供良好的微环境。透射电子显微镜下显示了纳米氧化锌空心球的结构、形态及颗粒大小。分别用紫外吸收光谱法,循环伏安法,计时电流法表征了该生物传感器的性能。用氧化锌空心球来固定酶具有高度的稳定性并能保持酶的生物活性。电子转移系数(a)和电子转移的表观速率常数(ks)分别为0.5和3.1s-1,表明氧化锌空心球能很好的促进电子在血红蛋白与修饰电极之间的转移,这是因为纳米氧化锌空心球具有独特的纳米结构以及较大的比表面。该生物传感器在2.1μmol/L至5.18 mmol/L之间存在线性关系,检测下限为0.6μmol/L (S/N=3)。结果表明氧化锌空心球能保持蛋白质的活性并能极大的促进电子直接转移。该生物传感器具有高度的灵敏性,良好的重复性和长期稳定性。


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