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纳米结构材料因具有许多传统材料所不具备的光、电、磁和化学性质,在磁记录、电子元件、生物医学、传感器以及工业催化等诸多重要技术领域有着广泛的应用前景,而成为当今材料研究的热点之一。本文正是在这一研究背景下,致力于在原子或分子水平上对纳米材料进行操纵,使之按照设定的目标和要求进行排列组装,以构筑新的具有某种特殊性质的功能材料。本文将纳米技术、分析技术、生物技术以及材料制备技术有机结合起来,着重围绕着三维有序功能性纳米材料在电化学阻抗免疫分析法中的应用开展了如下工作：
⑴三维有序大孔金膜电化学阻抗免疫传感器的构建。研制了一种用于检测C-反应蛋白(CRP)的三维有序大孔(3DOM)金膜非标记电化学免疫传感器。利用反相模板技术和电化学沉积法组装了这种3DOM金膜修饰电极,循环伏安法(CV)结果表明其活性面积为平面电极的14.4倍。3DOM金膜是由相互连接的金纳米粒子构成,其不但具有良好的生物相容性,而且也促进了电极的导电性。我们首先在3DOM金膜电板上修饰巯基丙酸,然后通过共价键合作用固定CRP抗体分子。当CRP抗原分子与固定的抗体分子结合的时候,电极袁面的电化学阻抗值就会随着CRP浓度的上升而增大。增大的电子传递阻抗值(△Ret)与CRP浓度的对数值在CRP浓度0.1-20ng mL-1范围内成正比,这就构建了CRP免疫传感器。
⑵基于室温离子液的有序多孔金膜免疫传感器的构建。将室温离子液体(IL)与SiO2溶胶-凝胶复合物和有序多孔金膜(HOMGF)修饰电极相结合,构建了一种高灵敏的非标记电化学阻抗(EIS)免疫传感器用于载脂蛋白B-100(ApoB-100)的检测。HOMGF修饰电极通过反蛋白石模板法构建,其活性面积达到几何面积的12.7倍。ApoB-100抗体(ApoB-100-Ab)能直接吸附于该修饰电极表面并保持良好的生物活性。将BMIm+BF4--SiO2复合溶胶组装于电极表面用以固定ApoB-100-Ab。由于离子液体-凝胶(IL-gel)膜特有的相互交联多孔型结构使固定的ApoB-100-Ab热稳定性大大提高,在60℃时仍保持高的生物活性。ApoB-100和ApoB-100-Ab之间特异性的相互作用导致了电化学阻抗值的增加。增加的电子传递阻抗值(△Ret)与ApoB-100浓度的对数值在0.005至50.0 pg/mL的范围内呈线性关系。将此方法应用于检测5个实际血清样品中的ApoB-100含量,得到理想的结果。
⑶三维有序碳球阵列组装电化学免疫传感器。通过垂直沉积法成功地构建了三维有序碳球阵列修饰电极。该碳球采用快速微波水热法进行制备,其表面富有羟基、羧基等官能团,可用来直接与生物分子共价交联。利用碳球表面的羧基直接与IgA抗体共价结合,组装了一个可用来直接检测IgA的电化学阻抗免疫传感器。该传感器的电子传递电阻增加值(△Ret)与溶液中的IgA浓度的对数值在0.1.200 ng/mL成正比,能用于血清等实际体系的测定。该方法操作简单,灵敏度高,有望推广至其他免疫测定体系。
⑷基于室温离子液的有序多孔金膜葡萄糖传感器的构建。将1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([BMIm][BF4])、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)与葡萄糖氧化酶(GOD)的混合物修饰于三维有序大孔(3DOM)金膜电极上,构建了一种新型的葡萄糖传感器。固定的GOD在pH7.0的磷酸缓冲液(PBS)中展现了一对可逆性好的氧化还原峰,这归因于GOD的活性中心黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的直接电化学行为。研究表明,离子液体(IL)、DMF以及3DOM金膜对GOD的直接电化学都起到了重要的作用。其中3DOM金膜修饰电极作为基底提高了酶的负载量并加速了GOD与电极表面的电子传递;IL的应用提高了固定GOD的稳定性并促进了电子传递;DMF的协同作用更好地保持了GOD的生物活性。固定在电极表面的GOD对葡萄糖显示出良好的电催化性质,其检测线性范围为10-125 nM,检测限为3.3 nM(S/N=3),酶催化反应的表观米氏常数Km为0.018mM。