新型生物电化学传感器的构建与研究

发布时间：2018-11-08 08:01

【摘要】：生物电化学传感器是一种基于生物材料(如:酶、抗原、抗体等)作为敏感元件与电极之间转换为电化学信号输出的传感器。该方法具有灵敏度高、成本低、检测设备简单等优点。其中生物蛋白分子的固载是构建高性能生物传感器的一个关键步骤,因为该步骤不仅仅影响了生物蛋白分子固定量的多少,也间接影响了其生物活性的大小。通常利用纳米颗粒来有效固载生物分子,借助纳米颗粒的良好生物兼容性来保持酶的活性。然而,单独的纳米颗粒容易在电极表面上发生聚集,使得纳米颗粒大的比表面积得不到很好的利用,阻碍了电子的传输,也不利于蛋白质活性的保持。生物质多孔碳材料由于其来源广、可再生、环境友好、以及大的比表面积、高的孔隙率、短的扩散路径、快的质子传递、好的导电性、出色的吸附能力和容易的表面化学等优越的性能,可以当做支撑材料构筑生物电化学传感器。因此,如何保持生物分子在电化学传感器中的活性,增加生物分子在电极上的固载量成为了研究的热门问题。本论文从生物分子的固定化以及活性的保持出发开展了以下五个工作:1、在超低离子溶液中利用银纳米颗粒的氧化产生银离子,从而引起溶液中电导的变化来检测葡萄糖。首先,在氧气饱和溶液中,葡萄糖氧化酶(GOD)催化葡萄糖为葡萄糖酸的同时消耗氧气产生过氧化氢(H2O2)。接着,H2O2氧化柠檬酸三钠包裹的银纳米颗粒(CCAgNPs)产生银离子(Ag+)同时伴随着柠檬酸根从CCAgNPs表面的脱落。产生的Ag+,葡萄糖酸及脱落的柠檬酸根引起了溶液中离子浓度的大大增加,从而进一步引起溶液中电导率的增加。通过检测电导率的增强,就可以间接检测出溶液中葡萄糖的含量。基于此成功地构建了一种新型的低离子强度的电导型葡萄糖传感器,其线性范围为0.06 4.0 mM,检出限为18.0μM。该新型电导葡萄糖传感器不仅仅实现了在实际样品(红牛饮料)中葡萄糖含量的测定,还首次提出了电导型生物传感器在葡萄糖检测中的应用。2、本工作,首次利用洋麻杆制备的三维多孔碳材料(3D-KSCs)一步法直接固载生物大分子葡萄糖氧化酶(GOD)构筑葡萄糖生物传感器。处理好的3D-KSCs和3D-KSCs/GOD修饰电极通过扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)进行了形貌的表征。通过SEM和TEM图像可以看出,3D-KSCs是一种呈蜂窝状的大孔结构且在3D-KSCs表面还有一些微孔和缺陷。接着,通过循环伏安法和电化学交流阻抗法对3D-KSCs/GOD修饰电极进行电化学行为和电化学催化性能的探究。实验结果表明,该葡萄糖传感器有一个较宽的线性范围(0.1 mM~14.0 mM)和较低的检出限(50.75μM)。该工作最大亮点是,首次使用生物多孔碳实现了生物大分子的固载。3、本工作,首先合成了AuNPs-Ab2-GOD-ConA复合物作为探针,制备了BSA-Ab1/CHIT-AuNPs/3D-KSCs修饰电极作为信号收集转换器构筑了一个新型的三明治夹心型pH开关行为的免疫传感器。通过原子力显微镜(AFM)、扫描电子显微镜(SEM)、紫外可见吸收光谱仪(UV)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)对材料进行了探究与表征。利用免疫反应定量捕获癌胚抗原(CEA)后大大阻碍了Fe(CN)63-/4-在该修饰电极上的电子转移,从而导致了电阻的大大增加。其主要原因是因为捕获抗原以及标记探针后,蛋白质阻碍了电子传输能力并且探针所带负电对Fe(CN)63-/4-具有强烈的静电斥力。该过程利用电化学交流阻抗进行验证。该修饰电极具有大的比表面积可以装载大量的Ab1,并且具有pH开关行为的探针也大大提高了检测CEA的灵敏度。该新型免疫传感器对CEA的检测具有宽的线性范围(5 pg mL-1~50 ng m L-1),低的检出限(1.3 pg mL-1)和高的灵敏度(57.573μA ng m L-1 cm-2)。此外,该免疫传感器具有良好的重现性和稳定性。4、首先通过电沉积的方式将CHIT-AuNPs沉积在3D-KSCs上,接着首次将Tb@mesoMOF与CHIT-AuNPs/3D-KSCs结合并且构筑了新的一个支撑复合材料来固载微过氧化氢酶(MP-11)。MP-11分子与Tb@mesoMOF中的有机框架可以紧密结合是因为MP-11中的血红素通过π…π键与Tb@mesoMOF中的有机配位体三嗪苯环相互结合。这强烈的相互作用使得MP-11分子可以保留在金属有机框架的孔洞中,并且对过氧化氢(H2O2)的催化活性也得到了保存。3D-KSCs材料具有非常大的有效表面积、三维多孔碳结构和良好的导电性。MP-11/Tb@mesoMOF/CHIT-AuNPs/3D-KSC修饰电极的电化学行为和电催化性能通过循环伏安法和计时电流法进行测定。对H2O2具有良好的催化效果,其线性范围为5μM~0.5 mM,检出限为1.27μM(R=0.996;n=11)。因此,本工作首次构筑了Tb@mesoMOF与3D-KSCs相结合的生物电化学传感器为以后MOF与其他多孔碳材料结合从而提高酶的固载量提供了可能。5、通过碳纳米管(CNTs)与Tb@mesoMOF结合形成新的纳米复合材料构筑一个以葡萄糖脱氢酶(GDH)为敏感元件的葡萄糖传感器。该工作中,CNTs-Tb@mesoMOF复合材料作为基底将电子媒介体(MG)和GDH固载在电极表面构筑成一个简单的葡萄糖电化学生物传感器,并且CNTs-Tb@mesoMOF复合材料对于MG和GDH显示出极好的吸附能力。我们首先将CNTs-Tb@mesoMOF-MG复合材料固载在玻碳电极表面,接着将GDH固载在CNTs-Tb@mesoMOF-MG复合材料上。因此,该新型生物传感器对葡萄糖检测具有一个宽的线性范围(25μM~17 mM),低的检出限(8μM)(R=0.998,n=10)。
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【学位授予单位】：江西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O657.1

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