基于功能性納米材料的電化學生物傳感器研究.pdf

1、生物傳感器作為一門涉及化學、生物學、物理學以及電子學等領(lǐng)域的交叉學科，在臨床醫(yī)學、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護等諸多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。作為多學科交叉技術(shù)，生物傳感技術(shù)必將成為21世紀知識經(jīng)濟發(fā)展中介于信息和生物技術(shù)之間的新增長點。在生物傳感器的發(fā)展進程中，電化學生物傳感器是其中十分重要的一類。而納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展為納米材料在分析領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用開辟了新的思路，各種具有特殊性質(zhì)的納米材料的應(yīng)用推動了化學和生物傳感器的迅速發(fā)展。納米材料的獨特

2、性質(zhì)與生物分子的識別作用相結(jié)合，大大提高了生物傳感器的各方面性能。所以開辟納米材料的新功能和拓展其在電化學生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用，都有可能對生物分析化學產(chǎn)生巨大的影響。
　　本論文利用納米材料的特性，將之與生物大分子的優(yōu)勢相結(jié)合，同時采用電化學分析方法與原理，制備用于研究水相和非水相檢測的新型生物電化學傳感器。主要內(nèi)容分為以下五章：
　　第一章，主要介紹了納米材料在生物傳感器中的應(yīng)用進展，著重對納米材料在電化學生物傳感器研究中的

3、應(yīng)用進行了綜述，并在此基礎(chǔ)上提出了論文的研究目的及研究思路，即利用功能化納米材料構(gòu)建水相和非水相的電化學生物傳感器。
　　第二章，多層納米沸石固定的細胞色素c在水相和有機相的電化學行為研究。我們將納米沸石與聚合物電解質(zhì)通過靜電相互作用，利用層層組裝技術(shù)(layer-by-layer，LbL)修飾到氧化錫銦(ITO)電極表面。這在電極表面構(gòu)建了具有大比表面積、生物相容性良好的微環(huán)境，再將其用于吸附細胞色素c，考察該固定化生物酶的電化

4、學行為。高負載量的電化學活性蛋白無論是在水溶液還是非水介質(zhì)中，都實現(xiàn)了與電極之間良好的直接電子傳遞，異相電子轉(zhuǎn)移常數(shù)的結(jié)果證明納米沸石的負載促進了蛋白與電極之間的電子轉(zhuǎn)移；而利用電化學表征手段，研究了細胞色素c氧化還原電位在不同溶劑之間的差異，通過氧化還原過程的熱力學參數(shù)的測定，表明電位的差異性是由反應(yīng)過程中的焓變和熵變導致的。結(jié)果顯示固定化蛋白在水相與非水相之間電化學響應(yīng)的差異性是可逆的，這主要歸因于納米沸石對生物酶的保護作用，由此進

5、一步拓展了納米材料在非水相生物電分析及生物傳感器的應(yīng)用。
　　第三章，基于石墨烯修飾電極的NADH和乙醇的生物電化學傳感研究。我們基于Staudenmaier方法，在聯(lián)氨條件還原得到石墨烯及其氧化物。通過X射線衍射表征，證實了石墨烯及其氧化物呈現(xiàn)出單層分子結(jié)構(gòu)。我們將石墨烯片層材料修飾到玻碳電極表面，通過與傳統(tǒng)石墨修飾電極與裸玻碳電極相比較，石墨烯表現(xiàn)出更好的電子傳遞能力，并在NADH表現(xiàn)出良好的電化學催化能力，在此基礎(chǔ)上，我們又

6、將乙醇脫氫酶固定到電極表面，構(gòu)建了乙醇生物傳感器，該傳感器對乙醇有良好而穩(wěn)定的響應(yīng)，在0.2mM～21mM濃度范圍內(nèi)呈線性響應(yīng)關(guān)系，檢測限達到0.025mM，同時對實際樣品中的乙醇含量做出了準確的檢測。這些結(jié)果表明，石墨烯的高電化學活性和良好的生物相容性有望使其成為未來設(shè)計生物電化學傳感器的理想材料。
　　第四章，基于電化學信號介導的特異性識別凝血酶的電化學生物傳感器的研究。利用核酸適配子將單臂碳納米管進行功能化修飾，然后再將其作

7、為電化學信號介導構(gòu)建新型凝血酶電化學生物傳感器。相對于共價修飾碳納米管或核酸適配體標記的方法，該功能化策略可以很好的保留核酸適配體的活性和碳納米管的電化學性能。在實驗中，我們將制備好的aptamer-SWNT用于電化學信號介導，當目標蛋白存在時，核酸適配體從碳納米管表面剝離，碳納米管則被可控的組裝到單層16-巰酸分子修飾的金電極表面。吸附的碳納米管可以介導并放大電極與溶液中分子探針之間的電化學信號，這樣就產(chǎn)生了較強的電化學信號。由于空白