论文部分内容阅读
随着纳米科技的迅猛发展,其应用也已拓展到了传感器领域。纳米材料具有比表面积大、稳定性高和生物兼容性好等特点,并且还能在酶的电子转移过程中体现出其特有的催化效应。植酸是一种环境友好型试剂,每个分子含有6个非共平面的磷酸酯键,能与金属纳米粒子或金属氧化物纳米粒子发生强络合作用。这些新型功能材料作为良好的电子传递媒介在电化学领域中获得了广泛的应用,吸引了众多科学研究者对其结构、性质和应用进行了深入的探索。生物传感器在卫生安全检测、环境监测和临床医学等领域具有十分广阔的应用前景。而如何实现生物分子在转换器上固定化,同时又稳定地保持其生物活性则是构建生物传感器中最为关键的技术。本研究论文旨在针对这一问题,结合纳米科技和自组装技术等手段,借助纳米功能材料在电极表面构筑电化学传感界面,具体发展了如下4种过氧化氢生物传感器:(1)本章节介绍了一种简单有效的过氧化氢(H2O2)生物传感器制备方法。通过自组装技术,血红蛋白(Hb)被成功地固定到了由金纳米粒子(AuNPs)/植酸(PA)纳米复合链修饰的玻碳电极上。用紫外-可见吸收光谱进行表征,结合循环伏安测试的结果表明:AuNPs发挥了自身优秀的生物相容性和电子传递性的特点,吸附在该纳米链上的Hb保持了良好的生物活性,并实现了直接电子转移。进一步研究可知该生物传感器对H2O2具有良好的生物催化活性,H2O2检测的线性范围为2.2×10-5 ~ 3.6×10-4 mol L-1,检测限为7.4×10-6 mol L-1 (信噪比S/N = 3)。米氏常数( K Mapp)为1.47 mmol L-1。(2)基于氧化锌纳米粒子(ZnO)和血红蛋白之间等电点的差异较大将二者混合制备Hb-ZnO溶液。将玻碳电极(GCE)交替浸入植酸和Hb-ZnO溶液中进行层层自组装。用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对电极表面多层膜的形貌进行表征,并用电化学交流阻抗光谱(EIS)表征电极的修饰过程。进一步的循环伏安实验表明:包埋在该{Hb-ZnO/PA}n复合结构中的Hb实现了其与电极间的直接电子转移而且对H2O2具有良好的催化活性。{Hb-ZnO/PA}6/GCE对H2O2响应时间短(小于3 s),检测的浓度范围为2.0×10-6 ~ 1.2×10-4 mol L-1,检测限可达1.4×10-6 mol L-1 (S/N = 3)。K Mapp = 5.1 mmol L-1。(3)通过植酸与金纳米粒子的层层自组装,在金电极的表面形成一个三维有序介孔金纳米界面,再将辣根过氧化物酶(HRP)修饰到这个介孔结构上制备生物传感器。用原子力显微镜(AFM)和循环伏安法对这个介孔界面的形成过程进行表征。以对苯二酚作为电子媒介实现HRP与电极之间的电子传递,并且该介孔膜内的HRP显示了其对过氧化氢优秀的电催化还原能力。所制备的生物传感器与被测H2O2的浓度呈线性关系,响应浓度范围为6.5×10-6 ~ 1.4×10-5 mol L-1。在信噪比S/N = 3时,检测限为3.3×10-6 mol L-1。并计算其K Mapp为0.078 mmol L-1。该传感器灵敏度和精确度高,具有令人满意的稳定性和重现性。(4)将辣根过氧化物酶,金纳米粒子和纳米二氧化钛(TiO2)固定玻碳电极上制备纳米复合膜,对其电化学性能进行研究。用场发射扫描电子显微镜、电化学交流阻抗和表征紫外-可见光谱对复合膜进行表征。实验结果表明:TiO2的特殊结构可以有效地防止AuNPs团聚,AuNPs促进了电子的转移,HRP在此复合膜内保持了其生物活性。循环伏安扫描表明TiO2和AuNPs的组合具有协同效应,不仅实现了HRP的直接电子转移,还提高了此修饰电极的电化学性能。复合膜内的HRP体现了其对过氧化氢良好的催化还原性质。响应电流与H2O2的浓度在6.0×10-5 to 1.4×10-4 mol L-1内呈线性关系,检测限为6.5×10-6 mol L-1 (S/N = 3),appK M为1.2 mmol L-1。此外,该传感器具有较长的使用寿命和良好的重现性。