纳米生物电化学传感在环境医学检测中的应用研究

发布时间：2017-08-17 08:33

  本文关键词：纳米生物电化学传感在环境医学检测中的应用研究

  更多相关文章： 电化学传感器 功能化碳纳米材料 纳米二氧化锰 纳米合金材料 有机磷农药 胆碱 六氯苯 过氧化氢

【摘要】：改革开放以来,我国的国民经济不断增长,人民的生活水平逐步提高。然而,经济发展的同时也给人们的健康带来了新的风险。近年来,我国各类食品安全事件频发、环境污染问题日益严重。因此,作为研究环境与健康关系的学科,环境医学受到了越来越多的关注。其中,环境中健康相关因素的定量检测在环境医学中扮演着重要角色。 电化学传感器具有灵敏度高、操作简便、成本低、易于微型化、可进行在线分析等特点,目前已被广泛用于食品药品分析、环境监测、医学临床诊断等领域。近年来,纳米技术的发展,特别是功能化纳米材料和纳米复合材料的出现为电化学传感器的发展注入了新的活力。本论文综合运用纳米技术、生物电化学传感技术及各类表征技术等多领域的知识,用简便的方法构建了高效实用的电化学传感器,为深入研究环境与健康之间的关系提供技术支持。论文的主要工作有： (1)利用氨基化碳纳米管(Amino Functionalized Carbon Nanotubes, CNT-NH2)对乙酰胆碱酯酶(Acetylcholinesterase, AChE)的静电吸附作用,构建了简便灵敏的有机磷农药生物电化学传感器：AChE/CNT-NH2/GCE.与其它碳纳米管(pristine CNTs、CNT-OH和CNT-COOH)相比,表面带正电荷的CNT-NH2可以吸附更多的AChE。根据Lineweaver-Burk公式计算出AChE/CNT-NH2/GCE中AChE的Km值为67.4μM,表明酶在CNT-NH2/GCE表面有效保持了其生物催化活性及对底物的亲和性。在最适实验条件下,该传感器具有较高的灵敏度,检测对氧磷的线性范围为0.2nM-1nM和1nM-30nM,检出限为0.08nM。该方法还可用于蔬菜中农药残留量的检测。 (2)通过一步原位电化学沉积法,在电极表面合成了MnO2纳米薄膜,并将其用于胆碱生物传感器的构建。采用场发射扫描电镜和透射电镜对MnO2纳米薄膜进行了表征。结果显示,该薄膜由粒径均匀的纳米颗粒组成,纳米颗粒表面呈疏松海绵状结构。该结构可以有效促进电子和质子的传递,且可以有效增加电极的比表面积。此外,通过对比修饰MnO2前后电极表面水的接触角发现该材料具有良好的亲水性。该特性有利于保护酶的活性,并为酶和底物的反应提供良好的微环境。在最适实验条件下,该传感器检测胆碱的线性范围为8.0μM-1.0mM,检出限为5μM。该方法还成功用于牛奶、奶粉和饲料中胆碱的测定。 (3)利用氮掺杂石墨烯(Nitrogen Doped Reduced Graphene, N-rG)与壳聚糖(Chitosan, CS)的静电作用,通过层层吸附法构建了六氯苯电化学传感器。通过差分脉冲伏安法研究了六氯苯在传感器表面的电化学响应。结果显示,N-rG可以明显提高六氯苯的电化学响应信号。掺杂氮原子可以在石墨烯表面诱导形成高的局域电荷／自旋密度,使石墨烯表面产生活化区域。因此,N-rG对六氯苯的催化活性明显增加。此外,石墨烯本身还可以通过其与苯环的π-π作用起到对六氯苯的富集作用,从而提高传感器的检测灵敏度。在最适实验条件下,该传感器检测六氯苯的线性范围为3μg/L-10mg/L,检出限为1.72μg/L。该方法还可用于水样中六氯苯的测定。 (4)通过循环伏安法在还原石墨烯片层(Reduced Graphene Sheets, rGSs)修饰的玻碳电极表面电化学沉积得到Pt-Au纳米合金,构建了H202电化学传感器。Au的引入增加了纳米Pt的电化学催化性能和传感性能。修饰在电极表面的rGSs可以为Pt-Au纳米颗粒的电化学沉积提供更多的锚定位点,且可以提高Pt-Au的电化学催化活性。因此,该H202传感器具有较高灵敏度。在最适实验条件下,该方法检测H202的线性范围为1μM-1.78mM和1.78mM-16.8mM,检出限为0.31μM。此外,该传感器可以在0V电位下对H202进行安培检测。该电位条件可以有效降低多巴胺、抗坏血酸及氧气等物质对H202检测信号的干扰。该方法还成功用于肿瘤细胞(大鼠肾上腺嗜铬细胞瘤细胞,PC12)中释放H202的检测。
【关键词】：电化学传感器 功能化碳纳米材料 纳米二氧化锰 纳米合金材料 有机磷农药 胆碱 六氯苯 过氧化氢
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.2;R12
【目录】：

• 摘要7-9
• ABSTRACT9-12
• 中英文缩略词12-14
• 前言14-16
• 1 基于功能化碳纳米管的电化学生物传感器对食品中有机磷农药残留测定的研究16-39
• 1.1 引言16-18
• 1.2 实验部分18-21
• 1.2.1 试剂和溶液的配制18-19
• 1.2.2 实验仪器19
• 1.2.3 实验方法19-21
• 1.3 结果与讨论21-38
• 1.3.1 功能化碳纳米管的表征21-24
• 1.3.2 不同碳纳米管表面酶的吸附量24-25
• 1.3.3 不同碳管修饰生物传感器对ATCh的电化学响应25-29
• 1.3.4 不同修饰电极界面结构的表征29-30
• 1.3.5 AChE/CNT-NH_2/GCE对底物的催化效果及亲和力的表征30-32
• 1.3.6 实验条件的优化32-34
• 1.3.7 AChE/CNT-NH_2/GCE对对氧磷的检测34-36
• 1.3.8 AChE/CN-NH_2/GCE的选择性、重现性及稳定性36-37
• 1.3.9 实际样品中对氧磷的检测37-38
• 1.4 本章小结38-39
• 2 基于MnO_2纳米颗粒的电化学生物传感器对食品添加剂胆碱测定的研究39-54
• 2.1 引言39-40
• 2.2 实验部分40-42
• 2.2.1 试剂和溶液的配制40-41
• 2.2.2 实验仪器41
• 2.2.3 实验方法41-42
• 2.3 结果与讨论42-53
• 2.3.0 MnO_2薄膜的表征42-44
• 2.3.1 不同修饰电极界面结构的表征44-45
• 2.3.2 Nafion/ChOx/MnO_2/GCE对胆碱的CV响应45-46
• 2.3.3 MnO_2电化学沉积参数对H_2O_2氧化峰电流的影响46-48
• 2.3.4 pH值对胆碱检测效果的影响48-49
• 2.3.5 Nafion/ChOx/MnO_2/GCE对胆碱的检测49-50
• 2.3.6 Nafion/ChOx/MnO_2/GCE的i-t响应50-51
• 2.3.7 Nafion/ChOx/MnO_2/GCE的选择性51-52
• 2.3.8 Nafion/ChOx/MnO_2/GCE的重现性及稳定性52
• 2.3.9 实际样品中胆碱的检测52-53
• 2.4 本章小结53-54
• 3 基于氮掺杂石墨烯的电化学传感器对环境中六氯苯测定的研究54-69
• 3.1 引言54-56
• 3.2 实验部分56-58
• 3.2.1 试剂和溶液的配置56-57
• 3.2.2 实验仪器57
• 3.2.3 实验方法57-58
• 3.3 结果与讨论58-67
• 3.3.1 (N-rG/CS)_n薄膜的表征58-60
• 3.3.2 (N-rG/CS)_(3.5)/GCE对六氯苯的DPV响应60-62
• 3.3.3 实验条件优化62-65
• 3.3.4 (N-rG/CS)_(3.5)/GCE对六氯苯的检测65-66
• 3.3.5 (N-rG/CS)_(3.5)/GCE的选择性66-67
• 3.3.6 (N-rG/CS)_(3.5)/GCE的重现性及稳定性67
• 3.3.7 实际样品中六氯苯的检测67
• 3.4 本章小结67-69
• 4 基于铂-金/石墨烯纳米复合材料的电化学传感器对肿瘤细胞释放H_2O_2测定的研究69-83
• 4.1 引言69-71
• 4.2 实验部分71-72
• 4.2.1 试剂和溶液的配制71
• 4.2.2 实验仪器71
• 4.2.3 实验方法71-72
• 4.3 结果与讨论72-81
• 4.3.1 Pt-Au/rGSs复合薄膜的表征72-73
• 4.3.2 Pt-Au电化学沉积参数对H_2O_2还原峰电流的影响73-76
• 4.3.3 Pt-Au/rGSs/GCE对H_2O_2的CV响应76-78
• 4.3.4 Pt-Au/rGSs/GCE对H_2O_2的检测78-79
• 4.3.5 Pt-Au/rGSs/GCE的选择性79-80
• 4.3.6 Pt-Au/rGSs/GCE的重现性及稳定性80
• 4.3.7 PC 12细胞中释放的H_2O_2的检测80-81
• 4.4 本章小结81-83
• 5 全文总结与展望83-88
• 5.1 结论83-85
• 5.2 本文创新之处85-86
• 5.3 本文有待深入研究之处86-88
• 参考文献88-101
• 综述101-138
• 参考文献127-138
• 致谢138-139
• 附录1：攻读学位期间发表论文目录139-140
• 附录2：攻读学位期间所获奖励140

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