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基于纳米材料构建过氧化氢生物传感器的研究

陈时洪  
【摘要】: 过氧化氢不仅是许多高选择性氧化酶的催化反应产物,又是食品、药物、环境分析中的重要成份。因此,快速、准确的检测过氧化氢具有非常重要的意义。目前用于检测过氧化氢的方法很多,如滴定法、分光光度法、化学发光法、高效液相色谱法以及电化学方法。其中,电流型酶生物传感器,由于其方法简单、灵敏度高以及选择性高等优点而被广泛应用于过氧化氢的测定。酶的氧化还原活性中心与电极间的电子传递是制备酶电化学传感器的基础,可以通过两种不同的途径得以实现。其一是借助电子介体,如何将电子介体有效固定于电极上,而不从电极的修饰层渗漏出来是非常重要的;其二是借助适合的材料实现酶与电极之间的直接电子传递。另一方面,生物活性分子的固定化是构筑生物传感器最关键的步骤,是影响生物传感器的稳定性、灵敏度和选择性的关键因素。基于此,本文利用比表面积大、表面自由能高的纳米金和甲苯胺蓝层层组装,利用戊二醛作交联剂使牛血清白蛋白与硫堇共价结合以实现了电子介体的有效固定,从而构建了性能优良的介体型过氧化氢传感器。同时,还对碳纳米管与纳米金、碳纳米管与核—壳型纳米球的复合物作为固酶基质在生物传感器领域的应用做了初步的探索和研究,基于酶在复合纳米材料基质上的直接电化学构建了无介体型的第三代过氧化氢传感器。具体研究工作如下: 1.基于层层自组装纳米金/甲苯胺蓝膜修饰的过氧化氢生物传感器的研究 在金电极表面自组装一层半胱氨酸,然后吸附纳米金(nano-Au),以此为基底,通过静电吸附作用和金—氮共价键合作用层层自组装nano-Au和甲苯胺蓝(TB),构建了以多层{nano-Au/TB}_n膜为载体固定辣根过氧化物酶(HRP)的过氧化氢生物传感器。用循环伏安法和石英晶体微天平(QCM)技术对{nano-Au/TB}_n膜的组装过程进行了表征,并用原子力显微镜(AFM)对膜的表面形貌进行了表征。探讨了工作电位、温度、pH值对电极响应的影响,考察了电极的重现性、稳定性及抗干扰能力。该传感器具有响应快、线性范围宽、检出限低等特点。对H_2O_2响应的线性范围为1.5x10~(-7)mol/L~8.6×10~(-3)mol/L,检测限为7.0x10~(-8)mol/L(S/N=3)。 2.基于硫堇-牛血清白蛋白复合物和纳米金固定HRP的过氧化氢传感器的研究 本文以戊二醛(GA)为交联剂,首先将硫堇(Th)与牛血清白蛋白(BSA)共价交联制备硫堇-牛血清白蛋白复合物(Th-BSA),然后用硫堇的自由氨基(-NH_2)固定纳米金(nano-Au),进一步再吸附HRP,从而构建出一种新型的过氧化氢生物传感器。nano-Au/Th-BSA复合物具有良好的生物相容性,可提供良好的微环境保持酶的生物活性。固定于复合物中的硫堇能在HRP与电极间有效地传递电子。利用原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)、红外光谱仪(IR)和电化学交流阻抗(EIS)表征了整个组装过程。该传感器对H_2O_2具有好的催化响应,且响应快。在优化的实验条件下,所制备的传感器对H_2O_2的线性范围为4.9x10~(-7)~1.6x10~(-3)mol/L,检测限为2.1×10~(-7)mol/L(S/N=3),表观米氏常数为0.023 mmol/L。 3.基于多壁碳纳米管和纳米金固定血红蛋白的第三代过氧化氢传感器的研究 本文以蛋白质为联接剂,通过静电吸附作用制得了碳纳米管和纳米金的复合材料。首先将纯化的多壁碳纳米管(MWNTs)修饰于玻碳电极(GC)表面,构建负电荷的修饰界面,基于静电吸附作用固定血红蛋白(Hb),然后再吸附纳米金(nano-Au),最后利用nano-Au再固定一层Hb,从而成功构建了基于MWNTs和nano-Au固定Hb的第三代过氧化氢传感器(Hb/nano-Au/Hb/MWNTs/GC)。用循环伏安法(CV)、电化学交流阻抗(EIS)以及透射电子显微镜(TEM)对修饰电极进行了表征。Hb在修饰电极上实现了直接电子转移。与仅基于碳纳米管构建的H_2O_2传感器相比,该传感器对H_2O_2的响应具有更宽的线性范围和更低的检测下限。其线性范围为2.1×10~(-7)~3.0x10~(-3)mol/L,检测限为8.0x10~(-8)mol/L(S/N=3),表观米氏常数为0.26mmol/L。此外,该传感器还具有较快的响应速率、较好的稳定性和重现性。 4.基于多壁碳纳米管/壳聚糖复合物及多层纳米金,血红蛋白修饰的过氧化氢传感器 将多壁纳米碳管(MWNTs)分散于壳聚糖(CS)中得到稳定的CS-MWNTs复合物,然后将其滴涂于玻碳(GC)电极表面。利用CS丰富的氨基固定nano-Au,进一步静电吸附血红蛋白(Hb)。利用层层自组装技术将带相反电荷的nano-Au和Hb固定于CS-MWNTs复合物上制备了基于MWNTs和多层Hb/nano-Au膜修饰电极。用循环伏安法(CV)、紫外可见(UV-vis)吸收光谱法以及透射电子显微镜(TEM)对修饰电极进行了表征。研究了传感器对H_2O_2的响应及动力学性质,表观米氏常数为0.19 mmol/L,线性响应范围为5.0x10~(-7)~2.0x10~(-3)mol/L,检测限为2.1×10~(-7)mol/L(S/N=3)。同时研究了pH值及应用电位对H_2O_2传感器的影响。 5.基于有机硅/壳聚糖核-壳纳米球和多壁碳纳米管复合物固定HRP的过氧化氢传感器 本文以多壁碳纳米管(MWNTs)和核-壳结构的有机硅/壳聚糖纳米球(organosilica@chitosan)复合物作为固酶基质,构建了一种新型的无介体型过氧化氢生物传感器。首先将MWNTs分散于荷正电荷的organosilica@chitosan的HAc悬浮液中,制备organosilica@chitosan/MWNTs复合材料,并将其直接滴涂在玻碳电极(GCE)表面。然后通过organosilica@chitosan与带相反电荷的辣根过氧化物酶(HRP)的静电吸附作用固定HRP制得HRP/organosilica@chitosan/MWNTs修饰电极。该传感器对H_2O_2具有较好的电催化活性。其线性范围为7.0x10~(-7)~2.8×10~(-3)mol/L,检测限为2.5x10~(-7)mol/L(S/N=3),表观米式常数为0.32 mmol/L。另外,该传感器对H_2O_2还具有较快的响应速度,较好的稳定性和重现性。将其应用于消毒液的检测时,其结果也令人满意。


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