基于新型納米復合材料電化學生物傳感器的構建及其分析應用.pdf

1、生物傳感器技術是一種實用的分析技術,具有較強的生物特異性和高靈敏度,裝置體積小,成本低。目前,生物傳感器在許多領域有很廣泛的應用,如環(huán)境監(jiān)測和生物過程控制,食品工業(yè)和農業(yè)質量控制,以及臨床醫(yī)學的應用。近年來,生物材料,尤其是實用性強的納米材料的快速發(fā)展,以及新的傳感技術的出現(xiàn),給電化學生物傳感器的設計和構建帶來了新的發(fā)展機遇。由于其具有良好的生物相容性,高的催化活性,很強的吸附能力和大的比表面積,這些納米材料可以大大提高生物傳感器的性能

2、。鑒于納米材料擁有優(yōu)越的物理和化學性能,本論文制備了不同的納米材料,將這些納米材料用于酶的固定化構建了電化學酶傳感器。另外,利用金屬納米材料直接作為電氧化活性成份構建了無酶電化學傳感器。所構建的生物傳感器具有較快的響應速度,較高的靈敏度和較低的檢測下限,同時還具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性,可用于實際樣品的檢測。本論文主要研究工作如下:
　　 (1)采用水熱法合成了大小均一有序的納米羥基磷灰石(nano-HA),利用nano-HA較強

3、的吸附作用將酪氨酸酶固定到電極界面,構建了一種新穎的酚類傳感器。Nano-HA為酪氨酸酶的固定提供了良好的微環(huán)境,有利于保持酪氨酸酶的生物活性。酚類化合物通過酪氨酸酶催化產生的醌在-0.25 V(對飽和甘汞電極)直接還原而測定。實驗研究了各種因素,如pH、工作電位、溫度等對傳感器響應電流的影響。在優(yōu)化的實驗條件下,傳感器對鄰苯二酚響應的線性范圍為10 nM～7μM,靈敏度為2.11×103μAmM-1 cm-2,檢測下限為5 nM(S/

4、N=3)。傳感器對鄰苯二酚,苯酚,間甲酚的表觀米氏常數(shù)分別為3.16,1.31和3.52μM。同時,該傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性,可用于實際樣品檢測(第2章)。
　　 (2)基于納米氧化鎂.殼聚糖(nano-MgO-chit)復合物為基底構建了一種新穎的辣根過氧化酶(HRP)電化學生物傳感器。Nano-MgO-chit復合物的形貌通過掃描電鏡表征。Nano-MgO和HRP之間的相互作用通過紫外可見光譜進行了表征。該復合材料綜

5、合了無機納米粒子和有機聚合物的優(yōu)點。固定在納米復合基底中的HRP對H2O2的還原表現(xiàn)出優(yōu)良的電催化作用。利用計時電流法對實驗變量,如pH,工作電位對傳感器響應電流的影響進行了考察。在優(yōu)化的實驗條件下,傳感器對H2O2濃度的改變響應非?？焖?小于10s),線性范圍為0.1～1300μM,檢測下限為0.05μM(S/N=3)。同時,實驗結果表明該傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性(第3章)。
　　 (3)結合碳納米管(CNTs)優(yōu)良的導

6、電性能和催化性能以及介孔二氧化硅(SBA-15)大的比表面積和較強的吸附能力,基于CNTs-SBA-15納米復合膜固定HRP,構建了一種新穎的第三代H2O2傳感器。利用紫外可見光譜對固定在復合膜中的酶的生物活性進行了表征。固定在納米復合基體中的HRP對H2O2有良好的電催化作用。利用計時電流法對實驗變量,如溶液pH值和工作電位進行了優(yōu)化。在最優(yōu)的實驗條件下,傳感器對H2O2檢測的線性范圍為1μm～7 mM,檢測下限為0.5μM(S/N=

7、3)。此外,實驗結果表明該傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性(第4章)。
　　 (4)以多孔聚碳酸酯膜為模板結合電化學沉積技術,首次合成高度有序的鎳納米線陣列(NiNWA)。利用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡對其形貌進行了表征。在堿性介質中,NiNWA電極對葡萄糖表現(xiàn)出很強的電催化作用?；诖?我們構建了一個靈敏的無酶電化學葡萄糖傳感器。傳感器對葡萄糖檢測的線性范圍為0.5μM～3 mM,相關系數(shù)為0.999。檢測下限為0.1μM(

8、S/N=3),靈敏度高達1.043×103μAmM-1cm-2。同時實驗結果表明,該傳感器具有良好的重現(xiàn)性,長期穩(wěn)定性以及很好的選擇性(第5章)。
　　 (5)制備了納米鈀-石墨烯(PdNPs-graphene)納米雜化物并用于構建無酶葡萄糖傳感器。PdNPs-graphene納米雜化物通過原位還原方法合成。首先,將graphene-Nafion組裝到電極表面用于化學吸附鈀離子,然后用水合肼將鈀離子原位還原為PdNPs。在堿性介

9、質中,PdNPs-graphene雜化物修飾電極對葡萄糖的電氧化表現(xiàn)出很高的電催化活性。在最優(yōu)的實驗條件下,所構建的傳感器對葡萄糖在10μM～5 mM范圍有很好的線性響應,相關系數(shù)為0.998。檢測下限為1μM(S/N=3)。同時實驗結果還表明,該傳感器具有很好的重現(xiàn)性,穩(wěn)定性和良好的選擇性(第6章)。
　　 (6)基于原位電聚合羅丹明B(PRhB)傳感膜構建了亞硝酸鹽傳感器。PRhB修飾電極對亞硝酸鹽的電化學氧化表現(xiàn)出很好的催