新型纳米复合材料修饰电化学生物传感器的制备及应用

发布时间：2020-08-20 16:14

【摘要】：生物传感器在临床、食品、环境等领域具有广阔的应用前景,近年来研究一直很活跃。开发合适的材料将生物分子固定于电极表面,对于生物分子在生化分析和生物传感中的广泛应用具有重要意义。影响传感器性能的因素主要包括固定材料的生物相容性、稳定性等。纳米材料因具有良好的生物相容性以及独特的催化活性,为生物传感器的发展提供了良好的应用前景。将纳米材料应用于生物传感器的构建可以显著提高传感器的响应性能[1]。本论文基于纳米材料的优异的性能,建立了不同形貌纳米材料的合成方法,并将这些纳米材料组装到电极表面用于生物传感界面的构建,研制一系列新型酶传感器用于葡萄糖、酚类等生物传感器。主要研究内容如下:(1)研究了酪氨酸酶(Tyr)/金纳米粒子(Au)-氧化锌纳米薄膜(ZnO)/多壁碳纳米管(MWCNTs)复合材料(Tyr/Au-ZnO/MWCNTs)的制备方法并将其应用于Tyr底物(苯酚和邻苯二酚)以及Tyr抑制剂(阿特拉津)传感。我们采用MWCNTs为基底材料,一步电化学还原合成Au-ZnO/MWCNTs复合材料,将其运用于Tyr生物传感器的构建,研究了苯酚、邻苯二酚以及阿特拉津在修饰电极上的电化学行为。实验结果表明,所制备的Tyr/Au-ZnO/MWCNTs传感器对苯酚检测的灵敏度高达49.4mA mM-1cm-2,检测下限(LOD)为1.3nM,线性范围为0.01～2.22 μM;检测邻苯二酚的灵敏度为40.5 mA mM-1 cm-2,LOD为2.6 nM,线性范围为0.01～3.27 μM。传感器检测苯酚、邻苯二酚的灵敏度明显高于绝大多数同类型传感器。同时,基于阿特拉津对Tyr活性的抑制作用,所制备的传感器也可用于对阿特拉津的快速灵敏检测。结果表明,阿特拉津在修饰电极上具有良好的响应,线性范围为0.5～50 nM,LOD低至0.5 nM。此外,该酶传感器具有良好的抗干扰性和稳定性,有望在环境污染物的检测中得到更广泛的应用。(2)聚二甲基二烯丙基氯化铵(PDDA)是一种水溶性阳离子季铵盐电解质,利用PDDA的还原性、3D石墨网(Co-N-GNWs)和金属纳米材料优良的导电性和高的比表面积,采用一步水热法合成PDDA-Au-Co-N-GNWs纳米复合材料,将得到的复合材料滴干于金电极表面,然后将所修饰电极置于1 mM H2PtCl6溶液中并恒电位于-0.2V 下电镀 300 s,得到 Pt/PDDA-Au-Co-N-GNWs/Au 电极,将葡萄糖氧化酶(GOx)滴干在该电极表面,构建了性能良好的GOx/Pt/PDDA-Au-Co-N-GNWs/Au传感器,并将所制备的传感器应用于葡萄糖的高敏检测。实验结果表明该传感器在0.01～16 mM线性范围内对葡萄糖检测灵敏度高达149μA mM-1 cm-2,LOD为1 μM。酶电极也具有很好的第二代生物传感性能,能够作为生物阳极用于研制生物燃料电池。本研究以GOx/Pt/PDDA-Au-Co-N-GNWs/Au酶电极为生物阳极,构建了单极葡萄糖生物燃料电池,结果显示该酶电极作为生物阳极构建的生物燃料电池性能优越。(3)物理吸附和共价交联法相结合进行酶的固定化。首先通过静电作用将Tyr吸附在MWCNTs-Au-Fe304-NH2复合材料上,然后,通过戊二醛(GA)的共价交联,进一步将更多Tyr固定在复合材料上。我们考察了酶浓度、吸附溶液pH、吸附时间、GA浓度和Fe3O4-N-H2用量等固定化条件对酶传感性能的影响并对其进行了优化以获得最佳性能,籍此成功制备了 Tyr生物传感器并用于酚类污染物和重金属离子的检测。所得传感器对苯酚检测的线性范围为0.2～24 μM,检测下限为0.03 μM,灵敏度高达1884 μA mM-1 cm-2,在0.2～26 μM线性范围内传感器对邻苯二酚的检测灵敏度为1643 μA mM-1 cm-2,检测下限为 0.05 μM。
【学位授予单位】：湖南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O657.1

【参考文献】