论文部分内容阅读
电化学生物传感器是一类将生物大分子之间的特异性结合直接或间接地转化为可检测电信号的传感器。电化学生物传感器制作的方便性、灵敏度和分析结果的平行性始终受到关注，其中碳糊电极因为制作特别简单且成本低廉而一直受到重视。碳糊电极的研究始于20世纪八十年代，并一度引起人们的高度关注，因为其制作方法特别简单且成本特别低廉，被认为是制备和使用一次性电极的理想方法。
上世纪末和本世纪初纳米科技的飞速发展，为碳糊类电极的研究带来了新的机遇。人们通过各种纳米技术制备出纳米SiO2介孔材料和纳米碳管等大比表面的材料，对碳糊电极或其他电极进行修饰改性，进一步提高了各种电化学生物传感器的稳定性与检测灵敏度。但进一步研究发现，由于SiO2介孔材料不导电和纳米碳管材料的过于疏松难以成型，难以进一步增加它们的加入量以进一步提高灵敏度。此外，粘接剂(石蜡油等)的使用可能会堵塞一些孔道，影响不同界面或不同电极间孔性质的一致性。更有效的办法可能是彻底摒弃粘接剂的使用，跳出传统的“机械混合或组装修饰改性一表征一应用研究”的研究思路。为此，在我们以往有关磁性纳米材料制备、导电聚合物和电化学生物传感器研究工作的基础上，本论文提出以有机溶剂抽提法和无机酸溶解法制备多孔“类碳糊电极”，显著提高相应电化学传感器的灵敏度，同时显著改善其保存长效性和分析结果的平行可靠性，并结合磁性纳米颗粒的制备技术和自组装技术，对电极进行功能化，提高电极的选择性和特异性，更好地应用于生物、化学的分析和检测中，具体内容如下：
1.有机溶剂抽提法制备多孔“类碳糊电极”及其在DNA生物传感中的应用
提出一种新型高灵敏的碳糊电极生物电化学传感器的制作方法，首次成功地以吡咯为前驱体，石墨粉为填料和聚甲基丙烯酸甲酯微球为模板直接诱导合成，再通过有机溶剂抽提制备出多孔“类碳糊电极”(PPCPE)，该电极具有比表面大，导电性好，易于长期保存，而且避免了使用粘接剂，经过SEM和比表面仪的表征发现，PPCPE电极表面有大量直径大小约为2～5μm的微孔，其比表面达42.76m2/g。通过亲和素一生物素体系，采用循环伏安法比较纯碳糊电极(CPE)、纳米碳管修饰的碳糊电极(CNTPE)和PPCPE表面固定DNA的能力，结果发现，PPCPE由于比表面大，对DNA具有很好的吸附固定作用。结合金标银染技术，采用阳极溶出法对在PPCPE上杂交DNA的电化学信号进行研究，发现随着杂交正配DNA浓度的增加，银的溶出峰电流也不断增加，经过线性拟合，发现银的溶出峰电流与正配DNA浓度分别在1nM～80nM和0.08 nM～1nM范围出现两个线性关系，最低检测限为0.05nM。
2.无机酸溶解法制备多孔“类碳糊电极”及其在药物分析中的应用
为解决上述有机溶剂抽提法制备多孔“类碳糊电极”时所需抽提时间过长(一般需3～5天以上)的问题，我们提出以吡咯为前驱体，石墨粉为填料和碳酸钙微球为模板直接诱导合成，采用无机酸溶解法制备多孔“类碳糊电极”。通过SEM、比表面分析和表面接触角等技术对电极表面结构和性能进行表征发现，由本方法得到的PPCPE表面有大量直径大小约为2～5μm的微孔，比表面达59.26 m2/g，与传统碳糊电极和修饰碳糊电极相比，PPCPE具有比表面大、电化学活性好以及亲水性能好等特点，可应用于有机物和药物检测。通过吸附伏安法和示差脉冲伏安法分别对单宁酸和对乙酰氨基酚进行分析检测得到满意结果，检测限分别为0.01μM和5μM。
3.多孔“类碳糊电极”的表面功能化及其对E.coli O157：H7的检测研究
为提高电极的选择性和灵敏度，满足对一些突发性疾病(如大肠杆菌等)快速、准确地检测，我们结合自组装技术和功能化碳纳米管掺杂的方法对多孔“类碳糊电极”进行功能化，在电极表面修饰上氨基、羧基和醛基功能基团，比较三者对 E.coli O157：H7细菌的检测，结果发现，经自组装和醛基化后的电极对E.coli O157：H7的检测信号最强，检测限为8.0×102CFU/ml。
4.磁性多孔“类碳糊电极”生物电化学传感器的制备与应用
为将捕获有靶标物质的磁性颗粒快速高效高特异性地富集在相应电极表面，减短电极富集时间，增大靶标物质在电极上的固定效率，进一步提高检测的灵敏度和操作的实用性，我们利用磁性纳米颗粒容易富集和分离的特点，采用在多孔“类碳糊电极”中掺杂磁粉的方法，构建出一种磁性多孔“类碳糊电极”电化学生物传感器，结合磁性纳米Fe3O4/Au颗粒的制备技术，将其应用于DNA和血吸虫抗原检测中。通过对磁性纳米Fe3O4/Au颗粒的表征发现，Fe3O4/Au颗粒大小为35nm左右，具有较为稳定的光学吸收特点，饱和磁化强度可以达到63.5emu/g；结合金标银染技术，采用阳极溶出法对DNA的杂交和血吸虫抗原进行检测，结果发现，检测正配杂交DNA的极限为0.008nM，血吸虫卵抗原的检测限为0.01μg/ml。