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基于纳米材料修饰的化学修饰电极及免疫传感器的研究

张婷婷  
【摘要】: 纳米材料有“21世纪最有前途的材料”的美誉,当物质的结构单元小到纳米数量级时,其突出的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应引发光、电、热、机械和化学性质等性能发生突变,具有常规材料不具备的优越性能。由于纳米材料的量子尺寸效应和表面效应,其表面的价态和电子态都与内部不同,导致表面活性位点增加会对某些物质的电化学行为产生特有的催化效应,将其修饰在电极上,可以提高检测的灵敏度和选择性。 化学修饰电极和以此为基础的电化学生物传感器是现代分析化学的重要研究方向之一,在化学、生命科学、医学和环境等领域有广泛的应用。生物传感器是用固定化的生物活性成分为敏感元件与适当的能量转换器件结合而成的传感装置,用以测定一种或几种分析物的含量。纳米材料的介入为生物传感器的发展提供了很大空间,具有纳米结构的材料用于蛋白质分子的固定,可以增加生物活性物质的催化活性,提高电极的响应电流值。与传统的传感器相比,基于纳米材料的新型传感器具有高的灵敏度和选择性,同时传感器的响应速度也会得到提高并且可以实现实时监测分析。本论文是基于纳米材料构建几种电化学生物传感器。 本论文主要分以下两部分的研究内容: 第一部分:基于吡咯纳米线—铜的纳米复合物修饰电极对过氧化氢的电催化还原 近年来,一维纳米材料(纳米线、纳米棒、纳米管)相继被发现,为传感器的发展提供了新的思路。聚吡咯纳米线就是吡咯在聚合过程中直接形成的一种具有线形形貌的一维纳米材料。其特殊的表面结构有利于纳米粒子的介入。本项研究首先用电化学方法制备了吡咯纳米线修饰电极,再通过电聚合的方法将铜纳米粒子修饰在电极上,从而形成吡咯纳米线-铜纳米复合物。实验表明该传感器对过氧化氢有良好的催化性能。在最优的实验条件下,该传感器的响应电流与H_2O_2的浓度在7.0×10~(-6)~4.3×10~3mol/L范围内呈现良好的线性关系,检出限为2.3×10~(-6)mol/L。该体系不仅制备方法简单、灵敏度高,而且克服了生物传感器由于修饰在电极表面的酶容易变质,脱落而使电极的寿命短等缺点。 第二部分:基于聚吡咯、碳纳米管和纳米碳酸钙、纳米金修饰的免疫传感器的研究 1.碳酸钙是一种具有良好的生物相容性的自然矿物质,广泛应用于工业、技术、医学和生物等相关领域。纳米级的碳酸钙比普通的碳酸钙有比表面积大等优良的性质,已被证明能用于固定酶等生物分子的载体。该研究项目同时利用纳米碳酸钙、纳米金双层纳米粒子为生物分子提供良好的生物环境,这两种材料都具有良好的生物兼容性,纳米金有很强的吸附能力,能保持生物分子的活性。基于此,在裸玻碳电极上电沉积一层普鲁士蓝,之后在普鲁士蓝层上通过静电作用固定纳米碳酸钙,其产生了一个具有强吸附能力的带有正电荷的界面,接着在这个界面上沉积纳米金层,最后用纳米金层去固定抗体,从而制备了癌胚抗原(CEA)免疫传感器。在最优的实验条件下,用循环伏安法对CEA进行检测,该传感器的峰电流差(抗原-抗体结合前后的电流差)与CEA的浓度在0.3-20 ng/mL和20-100 ng/mL两个范围内呈线性关系。 2.由于制备免疫传感器一般使用的媒介体容易脱落,为了解决这个问题,设计了无媒介体的安培免疫传感器。该实验方案首先在电极上滴涂一层十二烷基磺酸钠(SDS)分散的碳纳米管,电极表面带有负电荷,通过电化学方法在修饰电极的表面聚合吡咯,在一定条件下聚合的吡咯带有正电荷,静电吸附作用使得电极更稳定,并且吡咯在碳纳米管上聚合后呈现一对良好的氧化还原峰,然后电沉积氯金酸,从而在电极表面形成一层致密的纳米金,用于固定前列腺(PSA)抗体,制得PSA免疫传感器。在最优的实验条件下,用循环伏安法对PSA进行检测,其线性范围为0.1-4 ng/mL和4-50ng/mL,检出限为0.04 ng/mL。该免疫传感器还呈现较强的稳定性和良好的选择性。


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