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《海南师范大学》 2017年
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海藻酸盐纳米复合材料修饰电极的制备与电化学性能研究

陈秀琼  
【摘要】:在电化学生物传感器的制备过程中,蛋白质的固载直接影响传感器的性能。为了更好地实现传感器的电化学行为,需选择新型生物相容性的材料和有效的固定方法来保持蛋白质的生物活性、提高蛋白质的固载量。据此,具有凝胶性,生物相容性及成膜性的阴离子聚合物海藻酸钠(SA)和辛胺改性的海藻酸衍生物(Oct-Alg)分别被用于生物传感器的制备。纳米材料因其比表面积大、密度低、电化学活性高、无毒和导电性好等优点,成为了固定蛋白质的优良材料。与其它方法相比,电沉积不仅为蛋白质电极的构建提供一种简单便捷的方法,能使蛋白质强烈吸附于基底电极表面而几乎不发生变性,而且使传感器的构建具有可再生性,得到的生物复合膜中的电活性物质可均匀分散。该方法极大地提高了生物传感器的稳定性和有效地促进了蛋白质和电极之间的直接电子转移速率。本课题主要通过电沉积法将海藻酸盐纳米复合材料和氧化还原蛋白沉积到离子液体碳糊电极(CILE)上,成功构建了第三代新型电化学生物传感器。所构建的生物传感器可实现良好的直接电化学行为,同时对三氯乙酸(TCA)表现出优异的电催化性能。本研究主要工作包括以下内容:(1)采用直接涂布法将Oct-Alg、石墨烯(GR)和肌红蛋白(Mb)混合悬浮液涂布于CILE表面,再采用Nafion膜以提高修饰电极表面蛋白质的稳定性,从而制备出一种新型的海藻酸盐纳米复合材料修饰电极(Nafion/Oct-Alg-GR-Mb/CILE)。紫外-可见吸收光谱(UV-vis)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)实验表明复合膜Oct-Alg-GR内的Mb保持了其原始的结构和活性。通过循环伏安法(CV)对该修饰电极的电化学行为进行研究得到一对对称的准可逆氧化还原峰,式电位(E~(0'))为-0.252 V(vs.SCE),电子转移数(n)为1.09,电子传递系数(α)为0.398,电极反应速率常数(k_s)为0.286 s~(-1),表明Oct-Alg-GR可为Mb提供良好的微环境,保持Mb的原始结构和生物活性,且促进了Mb和Nafion/Oct-Alg-GR-Mb/CILE之间的电子传递。Nafion/Oct-Alg-GR-Mb/CILE对三氯乙酸(TCA)表现出良好的电催化能力,催化电流与TCA的浓度在4.8-186.3 mmol/L范围内呈现良好的线性关系,其检测限为0.83 mmol/L(3δ),表观米氏常数(K_M~(app))为58.4 mmol/L。(2)采用电沉积法将Mb、SA和GR复合材料沉积到CILE上,制备了修饰电极(Nafion/Mb-SA-GR/CILE),并利用FT-IR、UV-vis对此修饰电极材料的结构和形貌进行了表征。光谱分析显示,Mb在SA-GR复合膜中保持了其天然结构。Nafion/Mb-SA-GR/CILE在pH=7.0 PBS中的CV曲线显示一对准可逆的氧化还原峰,式电位(E~(0'))为-0.29 V(vs.SCE),电极反应速率常数ks为0.138 s~(-1)。该结果说明SA-GR复合膜具有良好的生物相容性和导电性能,既能够为Mb提供一个良好的微环境,保持其生物活性,提高修饰电极的稳定性,加快Mb和CILE间的直接电子转移速率。同时,Nafion/Mb-SA-GR/CILE对TCA表现出良好的电催化能力,催化电流I_(SS)与TCA浓度在15.0~69.0 mmol/L范围内存在良好的线性关系,检测限为2.0 mmol/L(3σ),表观米氏常数(K_M~(app))为35.09 mmol/L。该修饰电极Nafion/Mb-SA-GR/CILE的重现性和稳定性好。(3)利用电沉积法将SA、二氧化钛(TiO_2)纳米球和Mb沉积到电极表面,构建了海藻酸盐纳米复合材料修饰电极(Nafion/Mb-SA-TiO_2/CILE)。FT-IR和UV-vis分析表明Mb在海藻酸盐纳米复合材料中能够保留原有的结构和生物活性。Nafion/Mb-SA-TiO_2/CILE的CV图中出现一对峰形良好的准可逆氧化还原峰,表明Mb在修饰电极表面可实现直接电子转移,SA良好的生物相容性、TiO_2优异的电催化能力及其协同作用有助于促进Mb和CILE之间的电子传递。另外,研究了Nafion/Mb-SA-TiO_2/CILE对TCA的电催化性能,催化电流与TCA在5.3-114.2 mmol/L浓度范围内具有良好的线性关系,其检测限为0.152 mmol/L(3σ),表观米氏常数(K_M~(app))为32.3 mmol/L。(4)由具有生物相容性的SA和四氧化三铁-石墨烯(Fe_3O_4-GR)复合材料为基质,利用电沉积法将Mb固定到CILE上,成功构建了新型电化学生物传感器。FT-IR和UV-vis同时说明,SA/Fe_3O_4-GR纳米复合材料保持了Mb的天然结型。通过对其直接电化学行为研究发现,在CV图中出现了一对稳定且对称的准可逆氧化还原峰,n为0.982,α为0.357,k_s为0.234 s~(-1),表明纳米复合材料Fe_3O_4-GR的特殊结构有利于Mb和修饰电极之间的电子传递。所构建的传感器线性范围较宽、灵敏度较高、重复性和稳定性都较好。(5)通过电沉积法将SA、二氧化锰-碳(MnO_2-C)微球和Mb沉积到CILE上构建了新颖的电化学生物传感器。FT-IR和UV-vis分析显示SA/MnO_2-C中的Mb能保持原有的天然活性和结构。由于SA/MnO_2-C生物相容性好,比表面积大,可为Mb提供一个非常合适的微环境。SEM图中可明显看到MnO_2-C微球的表面形态。从CV图中可观察到一对稳定的准可逆氧化还原峰,说明所构建的生物传感器表现出良好的直接电化学行为,同时也表明MnO_2-C微球的独特结构和较大的比表面积促进了Mb和修饰电极之间的电子传递。通过对TCA电催化性能研究发现,该传感器的线性区间为5.2-128.2mmol/L,检测限为0.233 mmol/L(3σ)。
【学位授予单位】:海南师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O657.1;TP212

【参考文献】
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